基于单片机线性F/V转换系统的设计与实现

朱彩霞

(淮安信息职业技术学院电子工程系，江苏淮安223003)

0 前言

信号源是电子产品设计、生产中不可缺少的部分。信号源通常作为基准信号，用来测试系统性能，调试系统的参数指标等，因此信号源要求准确、稳定。本课题信号源和常规的信号源不同，它是一个受正弦波频率控制的电压源，输出电压与频率呈线性关系，而且它们的线性关系是不经过原点的直线。现有的F/V转换的器件都不能满足要求，本文用单片机检测正弦波的频率，根据检测的频率确定D/A转换的数字量，控制TLC5615串行D/A芯片将频率信号转变为电压信号，使电压幅度与频率大小呈线性关系。且它们的线性关系是不经过原点的直线。用4片TLC5615和加法运算电路，实现D/A转换精度的提升。

1 方案选择

本课题研究的F/V转换是一种特殊线性F∕V转换，例如要求200Hz对应1V，2000Hz对应5V，F/V的关系曲线是一条不经过原点的直线，即F/V转换需要满足图1中的频率/电压的对应关系。

方案一:若采用F/V转换的专用芯片，如用现有的集成电路LM331构成的F/V转换电路。频率信号从Ui输入，Uo输出直流电压，F/V转换结果关系式如下:

显然这是一条经过原点的直线，与图1所示频率/电压对应关系不符。

方案二:采用单片机测量正弦波信号的频率，再根据测量的频率，控制D/A转换间接实现F/V的转换，即:频率→计算数字量→D/A转换。方法是:用单片机测量出信号的频率，按照图1的线性关系和转换精度的要求，计算出D/A转换的数字量，然后控制D/A转换得到直流电压。

比较两种F/V转换的方法，虽然专用芯片实现F/V转换简单容易，但它不能满足本课题的要求，本系统采用第二种方案。

2 硬件系统的构成

系统由信号处理电路、单片机基本系统、D/A转换、电源等部分组成，如图2所示。

图2 系统框图

2.1 信号处理电路

正弦波信号不能直接送给单片机测量，信号经过运放(运放工作电源为12V/－12V)构成的比较器，在输出端产生同频率的方波，方波信号的幅度为±12V，运放输出端的二极管将负电压钳位在0V(－0.7V)，输出正电压为12V 经过7.5K 电阻和5.1K电阻分压，使信号的幅度小于5V，然后送给单片机测量。图3为信号处理电路。

图3 信号处理电路

2.2 单片机测量频率原理

由于200～2000Hz的频率较低，为了提高频率测量的精度，采用测量周期的方法求出频率。单片机采用AT89S51，系统振荡频率12MHz，则机器周期为1us，200～2000Hz信号的周期范围为5～0.5ms，以 2000Hz信号为例，周期为 0.5ms，即500 us，测量周期产生的误差时间为1us，相对测量误差为1/500=2/1000，完全满足测量精度要求。测量周期的方法是将同频率方波加到单片机的中断引脚，作为中断的触发信号，在单片机的中断函数中控制定时器启动和停止，前一次触发启动定时器数机器周期，下一次触发停止定时器计数，两次中断触发期间定时器计数的机器周期数即为被测信号的周期，通过计算求出频率。设测量出的机器为x(单位为us)，则频率的计算公式为:

f=1000000/x

然后根据频率计算出所需要数字量，控制D/A转换输出对应的电压。

2.3 D/A转换接口电路

本设计采用10位的串行D/A TLC5615作为D/A转换芯片。芯片引脚少，与单片机接口简单，并且是电压输出型的D/A芯片，最大转换输出电压是参考电压的2倍。在片选有效的条件下，将10位的数字量依次输入芯片的串行数据输入端，高位在前，低位在后。

TLC5615最大的转换电压是参考电压的2倍，将它的参考电压设置为0.625V，则最大的十位数字量转换的电压为1.25V。这时的转换精度是参考电压为2.5V时，满量程转换输出5V的转换精度的4倍，相当于12位D/A转换精度。用4个这样的转换电路，将4路电压信号送给加法运算电路，就可以得到最大为5V的直流电压。图4为由4个TLC5615构成的达到12位精度D/A转换接口电路(D/A转换精度提升)。

2.4 D/A转换控制的数字量分配

满量程转换的数字量为:1111111111B(1023)，对应输出电压为1.25V，相应的可以计算出输出1V电压所要的数字量为:1023/1.25=818。对测出的频率需要计出相应的12位数字量，将12位的数字量分为4个10位的数字量，分别控制4个TLC5615进行D/A转换。由图1的F/V关系得到D/A转换数字量转换数字量与频率对应关系如下:

data=(f－200)*(4092－818)/(2000－200)+818

图4 D/A转换接口电路

表1 各个D/A转换控制的数字量分配关系

图5 主程序框图

图6 中断服务程序框图

当DA＜1023时，将数字量送1#芯片转换，其余芯片送0转换即可。4路D/A输出通过加法电路实现总的模拟电压的输出。

3 系统软件设计

该系统配合硬件电路的设计，编写程序测量正弦波频率，计算出控制D/A转换的数字量，控制TLC5615转换输出相应的电压。程序设计主要由主程序和外部中断的服务程序组成，分别如图5和图6所示。主程序主要完成对测量标准判断、由周期计算出被测信号的频率、计算出D/A转换的数字量、启动D/A转换等。外部中断的服务程序主要完成对周期信号的周期测量，并置标志，供主程序判断。

4 结束语

本文利用单片机测量信号频率，再控制D/A转换，间接地实现了频率/电压转换过程中特殊的线性要求，解决了一些课题中的特殊要求，同时通过设置串行D/A TLC5615的参考电压，运用加法电路等，实现了D/A转换精度的提升。

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