智能仪器频率仪模板.doc

1序言
此次设计是以STC12C5A3252单片机为控制关键频率及相位测试仪。 此次设计可完成对信号频率频率测量和相位差测量。 要求测量频率范围为20Hz到20KHz, 相位范围为0°到360°。 可经过按键实现测频或测相, 用LED数码管直接显示读数, 显示清楚直观。 误差小, 稳定性高。
2总体方案设计

方案一
。
整形电路
STC12C5A3252
整形电路
移相电路
待测信号2
待测信号1
输入信号
键盘控制切换
LED显示
方案一方框图

。
整形电路
整形电路
FPGA
AT89C51
LED显示
A
B
待测信号1
待测信号2
方案二方框图

本设计要完成信号频率测量和相位差测量。 设计中有两路输入信号, 也是被测量信号, 它们是两个频率相同正弦信号, 频率范围为20Hz到20KHz, 幅度为1到5V（能够扩展到（）, 但二者幅度不一定相等。
令正弦信号为, 式中: 称为幅值（最大值）, 且=,称为有效值; 称为相位, 称为初相位, 称为角频率。 、 、 称为正弦量三要素。
。

方案
项目
方案一
方案二
芯片部分
741
741
整形部分
LM324
LM339
信号转换部分
74HC08
FPGA适配板
单片机部分
STC12C5A3252
AT89C51
显示部分
LED
LED
只有两个同频率（正弦）信号才有相位差概念。 不妨令两个同频率正弦信号为

则相位差, 由此可看出, 相位差在数值上等于初相位之差, 是一个角度。
不妨令,式中是相位差对应时间差, 且令为周期信号, 则有百分比关系:360°=:,能够推导得到
=360°
此式说明, 相位差和 一一对应, 能够经过测量时间差及周期信号测量, 也就是时间测量, 而时间测量则要用到电子计数器。
信号频率测量能够采取直接测频率方法和周期测频率方法。 通常信号频率较高时, 采取直接测频率法, 而信号频率较低时, 采取测周期方法。 用直接测频率方法取得信号频率即是让定时器/计数器T1对外部事件计数, 而让定时器/计数器T1定时1s, 只有在这1s内T1开启对外部事件（即信号I）计数, 则T1计数值就是待测信号频率。 用测周期方法取得信号频率即是对I进行2分频后波形中, 高电平宽度恰好对应I周期, 我们将此高电平信号作为单片机内部定时器硬件开启/停止信号, 便可测得周期T,由公式,得频率。
方案一工作原理: 两路待测信号经整形后变成了矩形波信号1和2, 1和2是同频率, 不一样相位矩形波。
（1）频率测量: STC对信号频率测量能够采取直接测量法和测周期法。 通常信号频率较高时采取直接测量法, 而信号频率较低时用测周期法。 本设计我组采取测周期法。 , 将输入信号送入单片机再对高电平进行扫描, 统计在1s内高电平出现次数N, 则N就是测得频率。
信号

（2）相位差测量
我组用一个和门将两输入待测信号比较后叠加, 而输出波形中, 正脉冲宽度就是要测量待测1和待测2相位差所对应时间差t, 跟据公式可得相位值。 。
信号1
信号2
和门输 出

方案一工作原理: 让FPGA实现数据采集, 即待测信号频率f、 两路输入信号相位差所对应时间差t分别转换为二进制数据, 供STC单片机读取使用。 STC从FPGA获取数据并经过CPU计算、 转换等相关处理后, 得到信号频率和相位差并送LED数码管显示。
待测信号1、 待测信号2经整形电路处理后, 变为矩形波, 不妨令其为A、 B, 能够认为A、 B为两个同频率有相位差矩形波。 FPGA经过对整形后信号A、 B处理, 要取得二进制数形式表示信号频率和相位差对应时间差。
（1）频率测量。 对频率测量采取测周期方法, 即在信号周期T时间内, 对时标信号进行计数。 设时标信号频率为f, 时标信号周期为T, 对信号A二分频全部得信号高平宽度就是信号周期T, 此高电平宽度作为闸门控制信号, 控制计数器在T时间内对f进行计数, 则有N/F=T, 被测信号频率为: