基于单片机的多功能计数器的设计与实现

2015-05-07宁更新梁芳芳

华北科技学院学报 2015年2期

杨吉，宁更新，梁芳芳

(1.广东工程职业技术学院机电工程学院，广东广州 510520;2.华南理工大学电子与信息学院，广东广州 510641)

0 引言

频率是电子测量技术中的最基本参数之一［1］，基于单片机的频率计不仅小巧、成本低廉，而且应用范围广［2］，但是这些频率计功能比较单一，基本上只有频率和周期测量功能。本设计以单片机为主控芯片，配合一定的外围电路，不仅能够测量频率、周期，而且还能测量两个输入信号的相位差，频率测量范围从10 Hz到1 MHz，误差小于1%，输入信号幅度范围为0.1 Vrms～5 Vrms，相位测量范围为0～360°，测量准确度为3°。

1 系统设计与实现

系统总的原理框图如图1所示:

虚线部分以内的是计数器系统，移相电路部分是为方便测试相位测量功能而设计的。系统的核心是单片机实现计数功能，但由于STC单片机的工作频率不够，难以达到高精度测量，所以增加了一级分频计算，减轻了单片机的负荷。由于输入信号的幅度范围大(0.5 Vrms～5 Vrms)，计数电路无法适应，故信号输入后必须经过幅度调整。矩形波比正弦波更易于分辨，所以信号经过整形得到矩形波再送进计数电路，计数电路原理图如图2所示。

图1 系统总框图

图2 计数电路原理图

1.1 频率与周期测量

采用等精度频率测量方法［3］。由单片机发出预置门控信号GATE，GATE的时间宽度对测频精度影响较少，可以在较大的范围内选择，即在高频段时，闸门时间较短;低频时闸门时间较长，实现了全范围等精度测量，减少了低频测量的误差。在同步门的控制下，一方面保证了被测信号和时基信号的同步测量;另一方面在同步门打开后计数器并不是马上计数，而是在被测信号的下一个上升沿才开始计数，同步门关闭后计数器也不是马上停止计数，而是在被测信号的下一个上升沿才停止计数。即在实际闸门时间计数，从而提高了测量精度。由于采用触发器实现的同步门的同步作用，事件计数器所记录的Nx值已不存在误差的影响，但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，时间计数器所记录的N0的值仍存在±1误差的影响，只是由于时钟频率很高，误差的影响很小。

1.2 相位测量

采用相位差－时间测量法。设计原理框图如图3所示。

图3 相位差－时间法原理框图

两路信号A、B的相位差通过测量鉴相器输出脉冲的时间宽度得到。通过鉴相器的两输入信号的上升沿(或下降沿)控制计数器的开始、锁存来测出相差脉冲宽度。数字鉴相波形图如图4所示。

图4 数字鉴相波形图

输入信号A的上升沿使计数器清零并重新启动计数，输入信号B的上升沿锁存脉宽计数值np。则相位差的计算公式为:

从(1)式可以看出，相差的精度只与nT有关，而与被测信号的频率和计数时标频率的精度无关，从而消除了这两者对测量精度的影响。

1.3 前级放大

输入信号的幅度为0.5 Vrms～5 Vrms，范围较大，必须调整为3 V左右才方便后级的识别，即放大电路的增益范围为0.6～6倍。信号的频率范围为10Hz～1MHz，普通的运放，如 LM324，的频带无法达到1 MHz，部分频带到达1 MHz的运放在1 MHz时已经失去放大能力。所以必须选择宽频带，高增益的运放。MAX4266的带宽达350 MHz，在1MHz的频率上仍然有足够的放大能力，它的转换率达到900V/μs，保证了输出波形的不失真。放大器采用典型的反相比例电路［4］，如图5所示:

图5 反向比例放大器

输出电压Uo和输入电压Ui的关系如下:

根据要求有Rf/RS=0.6～6，留有一定的余量，取0～10。

这一部分在相位测量时更显重要。为了尽量准确的测出相位差，两路信号除了相位不同外，其他参数应该一样，这样就要求两路信号经过放大后的幅值一样［5］。由于放大电路的增益是手动调节的，所以必须实时监控两路信号经过放大后的幅值。根据这要求，两路信号经过放大后，整流滤波，再送到模数转换器(ADC)，经过单片机处理在显示屏上显示出来［6］。使用者就可以轻松的把两路信号的幅值调节到一样。

1.4 波形整形

整形是为了把正弦转换成矩形波，提高后级对信号的识别能力，提高抗干扰能力［7］。滞回比较器就可以实现该功能，如图6所示:

图6 滞回比较器

增大滞回电压可以提高抗干扰能力，但滞回电压太大会使信号失真。滞回比较器有一定的滞回性，灵敏度稍低，但抗干扰能力强。滞回比较器的传输特性如图7所示:

图7 滞回比较器传输特性

滞回比较器的滞回电压为

从传输特性图可以看到，当输入电压从小增大时，经过+Ut时输出电压由高电平跃变到低电平;当输入电压从大减小时达到－Ut时输出电压才会由低电平跃变到高电平。由于高电平到低电平、低电平到高电平的阀值是不同的，当输入信号受到干扰有细微的抖动时，只要抖动的范围小于回差电压就不会对输出电压造成影响。

2 软件设计

软件上的大体流程是，一开始进行液晶(LCD)初始化和ADC初始化，初始化完成后进入ADC采集循环，等到采集电压到达3 V后按下按键1进入频率测量循环，在此循环里先进行计数器和定时器的初始化，完成后开始计数［8］，如图8所示，每来一个计数，计数器1就会产生一次中断，当中断的次数大于等于10时开始计算频率和周期，并将结果显示在LCD上。