模拟信号幅度与频率测量电路的设计及仿真

王迎辉 庞巨丰 韩 焘

(1.西安石油大学 陕西西安) (2.中国石油集团测井有限公司长庆事业部 陕西西安)

模拟信号幅度与频率测量电路的设计及仿真

王迎辉1庞巨丰1韩 焘2

(1.西安石油大学 陕西西安) (2.中国石油集团测井有限公司长庆事业部 陕西西安)

文章介绍一种测量模拟信号幅度与频率的电路。电路设计思想是利用最基本的元器件,直观地反映出所要测量对象的数值。电路主要包括幅度测量和频率测量,对幅度测量选用了幅频转换电路,将幅度转换为频率进行测量;对频率的测量采用电子计数式的测量方式,将其值通过数码管显示出来。对电路的整体仿真是通过Proteus仿真软件和Keil编程软件联机完成的。

幅度;频率;测量;Keil软件;Proteus软件

0 引 言

对于一般信号,幅度、频率、相位还有频谱特征等都是它的特征量。由于电压、时间和频率测量具有其它测量所不可比拟的精确性,因此人们越来越关注把其它待测量转换成电压或频率进行测量的方法和技术,更关注幅度与频率测量的方法,以求得更简便、更精确的测量方法与技术。同时,频率和幅度测量仪器在生产和科研的各个部门使用,也是某些大型系统的重要组成部分,而且利用单片机的定时功能设计的信号频率和幅度测量仪,可方便嵌入系统中。

1 幅度测量电路

幅度测量电路利用幅频转换电路,将幅度转换为频率进行测量,主要利用AD820芯片、AD654芯片完成。电路框图如图1所示。

图1 幅频转换电路框图

AD820[1]是单双电源、低功耗、精密场效应输入的运算放大器,采用双电源工作时,它的输出电压能够达到电源的正负电源电压。设计中考虑到由于运算放大器AD820输入级采用N沟道的场效应晶体管,在正常工作时,输入电流是负的,如果输入端电压大于(Vs-0.4 V),则使器件内部结点变成正向偏置,输入电流方向相反。为了防止产生这种现象,设计时在输入端串联一个电阻(典型值在1 kΩ～10 kΩ之间),但此电阻也会产生噪声电压,影响测量的精度。在本设计中选用了500电阻。同时,该电阻还能起限流作用,防止输入电压大于(Vs+0.4 V)时,运算放大器由于输入电流过大而损坏器件。在本设计中采用单电源工作模式,运算放大器的输入端也允许输入负电压信号,而不损坏器件。

AD654[2]芯片是一种低成本电压频率(V/F)转换器芯片,使用时只需一个RC网络,即可构成应用电路。电路设计中通过AD654的6、7脚之间的电容C1,AD820正向输入端3脚的串联电阻R1和RRP1来调节电压与频率的关系,参见图1。RRP1是可调的滑动变阻器,通过调节其值的变化来调节电压与频率的关系,其转换关系如式(1)所示。

f0=Ui[10×C1×(R1+RRP1)] (1)

设计选用R1=200 kΩ,RRP1=500Ω,C1=1 nF,幅度与频率的关系约为f0=Ui/(2×103)(kHz)。所以最后由数码管频率的显示值可以很方便地得出幅度值。

2 频率测量电路

本设计对正弦波频率的测量选用了计数法中的电子计数式的测量方式[3]。原理是根据频率的定义:周期信号在单位时间内变化的次数,即若在一定的时间间隔T内记录这个周期性信号的重复变化次数为N,则其频率可表示为F=N/T。其测量的原理框图如

下图2所示。

图2 测量正弦频率的原理框图

本设计中选用的单片机是 ATMEL公司的AT89C51芯片[4],它的突出特点是Flash程序存储器。它的主要功能如下:

(1)具有4K B的程序存储器、128字节的片内数据存储器。

(2)工作频率在33 MHz、静态操作在0～24 MHz、工作电压在4.0 V～6.0 V之间。

(3)有两个16位的定时/计数器、可编程UART通道1个。

(4)一个全双工的异步串行口、32根双向和可单独寻址的I/O线。

(5)有5个中断源、两个中断优先级、有片内时钟振荡器、有布尔处理能力。

对单片机的程序编制采用汇编语言,是通过Keil编程软件编制、测试完成的,主要包括定时、存储、数值转换、数据显示几个部分。其中对小于1kHz的频率采用了测周期的方法测量。单片机软件流程图如图3所示。

图3 测频子程序流程图

3 电路仿真

电路仿真是通过Proteus仿真软件[5]完成的。仿真时首先进行原理图的绘制,然后是单片机程序的添加。添加程序时首先单击单片机AT89C51芯片,在主菜单中选择Source菜单,添加已经在Keil软件中编译好的拓展名为asm源程序。然后再运行Source菜单中的Build all菜单,编译当前所选的源程序,编译通过后就会在当前目录下生成一个HEX文件,再单击单片机芯片,将HEX文件添加到单片机中,就可以执行仿真了。在电路仿真过程中,直接选择信号发生器来产生方波信号,对 Keil编制的单片机程序进行调试,修改,直到电路测试正确为止。在实际电路设计中,采用了正弦波信号作为测量对象,对其进行放大、整形,然后送入计数控制电路,对整个电路进行了调试。

4 结论与讨论

通过对实际电路的调试、测量,发现在一定的测量范围内,幅度与频率的测量精度是相当高的。对频率测量电路,其频率在1 kHz～106 kHz范围内的测量精度较高:当输入信号的频率大于1 kHz而小于10 kHz

时,测量误差范围在1.5%左右;当输入信号的频率大于10 kHz而小于106 kHz时,其测量的误差范围在

1%左右。对幅度测量电路,当输入电压幅度范围为2 V～3 V时,其测量结果的精确度较高,其测量误差大概在1.5%左右。对于频率小于1 kHz的输入信号,测量误差比较大。造成这一结果的原因可能是与整形器件LM318的放大倍数有关。放大倍数太小,小信号就没办法测量,放大倍数太大,则信号很容易失真,而且测量精度与异步计数器的计数容量有关系。同时,由于程序中测量结果的算法过程中处理方法的原因,还有元器件本身的性能不稳定等原因对测量结果的精确度都会有一定的影响。

[1] ADI公司.AD820资料[DB/OL].http://www.analog.com/zh/prod/0,2877,AD820,00.html

[2] ADI公司.AD654资料[DB/OL].http://www.analog.com/zh/prod/0,2877,AD654,00.html

[3] 薛晓书,李克艰.单片机综合设计讲义[M].西安石油大学,1999

[4] 李伯成.基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计[M].北京:电子工业出版社,2004

[5] 唐前辉,丁明亮.Proteus入门教程[R].重庆电专动力系,2005(资料)

Research on full bore flow-meter applica- tion in Tahe oilfield.

Wang Hanhong,Yie Hongliang,Li Qing,Li Ying and Han Chaohui.

The full bore flow-meter is a turbine flow-meter with flexible mental impeller.It has the characteristics of large area impeller,firmness and durableness.The centralized parts make the excellent center of the instrument.The impeller will contract automatically when passing the oil tube,and extend when entering the casing in the process of the instrument’s logging run.So it will not affect the instrument′s going up and down.Testified by the logging in Tahe oil field,the application of the instrument has resolved the difficult problems such as production fluid profile logging of high production well and crude well.

Tahe oil field;high production gas well;heavy crude well;full bore flow-meter

TN7

B

1004-9134(2010)01-0069-02

王迎辉,男,1983年生,西安石油大学精密仪器及机械专业硕士研究生。邮编:710065

2009-04-22编辑姜 婷)

PI,2010,24(1):61～62

·计算机与通讯技术·