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    便攜式多功能頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    2022-07-27 12:19:40曹新建
    儀表技術(shù)與傳感器 2022年6期
    關(guān)鍵詞:頻率計(jì)方波幅值

    曹新建,施 雷

    (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州 434200)

    0 引言

    測量頻率的方法主要分為分頻法測量、外部中斷測量和計(jì)數(shù)器測量。隨著科技的不斷發(fā)展,頻率計(jì)作為測量頻率的儀器已廣泛應(yīng)用于電路信號測量、電機(jī)控制、開關(guān)電源選頻和時(shí)鐘頻率測量等領(lǐng)域,且基于頻率計(jì)組成的各種測量儀器、控制設(shè)備、實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)也已應(yīng)用到國計(jì)民生的各個方面[1-2]。其中數(shù)字頻率計(jì)作為一種最基本的測量儀器以其測量精度高、速度快、操作簡便、數(shù)字顯示等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。然而大多數(shù)頻率計(jì)是基于FPGA或者元件可編程邏輯門陣列進(jìn)行設(shè)計(jì),雖然具有采樣速度快、數(shù)據(jù)處理快等優(yōu)點(diǎn),但是其功能較為單一、成本較高,上手難度較大,且體積較大,不便攜帶[3]。

    本文基于Cortex-M0內(nèi)核,結(jié)合外部中斷計(jì)數(shù)法與定時(shí)器計(jì)數(shù)法,根據(jù)模塊化與程序化設(shè)計(jì)理念,采用C語言編程,設(shè)計(jì)了高精度便攜式多功能頻率計(jì)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)STM32F103C6T6進(jìn)行模擬信號的處理與方波的產(chǎn)生,可實(shí)現(xiàn)50 mV~30 V的方波、正弦波等信號測量,測量范圍最小1 Hz,最大25 MHz,可產(chǎn)生任意占空比頻率的方波,方波頻率最小1 Hz,最大1 MHz。

    1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

    系統(tǒng)主要包括電源電路、信號放大與整形電路、按鍵電路、STM32工作電路、顯示電路、方波放大電路等??刂破鞑捎肧TM32系列中低功耗高性能芯片STM32F103C6T6,用于完成數(shù)字頻率計(jì)周期的測量,實(shí)現(xiàn)對頻率和占空比的測量。使用STM32自帶的高級定時(shí)器,可產(chǎn)生不同頻率、不同占空比的方波。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

    1.1 頻率測量與頻率計(jì)數(shù)

    頻率計(jì)數(shù)采用STM32定時(shí)器外部計(jì)數(shù)功能,每檢測到1個脈沖,計(jì)數(shù)器加1[4];頻率與周期的測量采用STM32外部中斷法與定時(shí)計(jì)數(shù)器結(jié)合法,采用定時(shí)器的捕獲功能來獲取頻率的占空比。為了快速、精準(zhǔn)測量高頻和低頻信號,系統(tǒng)針對不同頻率,選擇不同閘門時(shí)間,可以更加精準(zhǔn)快速地獲取頻率,具體公式如下:

    (1)

    式中:T為閘門時(shí)間,s;f為實(shí)際測量頻率,Hz。

    1.2 方波產(chǎn)生

    STM32的定時(shí)器可以產(chǎn)生方波,為了增加方波占空比的細(xì)分?jǐn)?shù),需對定時(shí)器的分頻系數(shù)PSC、重裝載值A(chǔ)RR進(jìn)行相關(guān)配置。其中PSC決定方波的最大頻率,ARR決定方波占空比調(diào)節(jié)靈敏度。針對主頻72 MHz的單片機(jī),最優(yōu)方波信號配置如下:

    (2)

    式中:PSC為定時(shí)器的預(yù)分頻系數(shù),Hz;f為測量頻率,Hz;x為頻率系數(shù)。

    (3)

    (4)

    式中:ARR為方波的重裝載值;t為重裝載值系數(shù)。

    (5)

    2 硬件電路設(shè)計(jì)

    2.1 電源電路

    本設(shè)計(jì)采用TPS5430穩(wěn)壓芯片與AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片,分別提供5 V 電壓、3.3 V電壓[5-6]。系統(tǒng)電源電路如圖2所示??山尤?2~36 V直流電壓,經(jīng)電容濾波,TPS5430 穩(wěn)壓、電感穩(wěn)流后輸出5 V電壓[7],經(jīng)AMS1117-3.3輸出3.3 V電壓。12 V電壓用于調(diào)節(jié)方波輸出的幅值,5 V電壓用于顯示裝置,3.3 V用于單片機(jī)工作。

    圖2 電源電路圖

    2.2 信號放大與整形電路

    信號放大電路主要由SS8050三極管構(gòu)成,整形電路主要由TLV3501比較器和穩(wěn)壓二極管構(gòu)成。SS8050是常用的NPN型二極管[8],與電阻和電容組成共發(fā)射極放大電路,將輸入的正弦波、方波進(jìn)行同向放大,經(jīng)整形電路后將輸出穩(wěn)定的3.3 V方波。整個信號處理電路接入5 V電壓,當(dāng)輸入信號幅值過大時(shí),將輸入信號控制在5 V之內(nèi)。具體信號處理電路圖如圖3和圖4所示。

    圖3 信號放大電路

    圖4 信號整形與穩(wěn)壓電路

    2.3 方波放大電路

    方波放大電路主要由PC817光電耦合器和SS8050三極管構(gòu)成,PC817將單片機(jī)輸出的方波與方波驅(qū)動器進(jìn)行隔離[9-10],通過滑動變阻器調(diào)節(jié)方波峰值電壓。方波放大電路圖如圖5所示。

    圖5 方波放大電路

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    由STM32F103組成微機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)軟件的功能主要包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、鍵盤處理、模式切換、測量數(shù)據(jù)的讀取和處理。樣機(jī)面板主要由5個按鍵和2個4位LED數(shù)碼管組成。按鍵可以進(jìn)行功能的選擇和設(shè)置,系統(tǒng)上電后,默認(rèn)為頻率測量模式,測量數(shù)據(jù)直接在LED數(shù)碼管上顯示。本便攜式頻率計(jì)的軟件主程序流程圖如圖6所示。

    圖6 主程序流程圖

    3.1 頻率獲取

    頻率獲取采用外部中斷與定時(shí)器外部計(jì)數(shù)結(jié)合法,在頻率小于10 kHz時(shí),采用外部中斷計(jì)數(shù)法更準(zhǔn)確,在頻率大于10 kHz、小于25 MHz時(shí),采用定時(shí)器外部計(jì)數(shù)法更準(zhǔn)確。采用STM32定時(shí)器捕獲功能獲取頻率占空比,具體流程如圖7所示。

    圖7 系統(tǒng)頻率測量流程圖

    3.2 方波發(fā)生器

    便攜式頻率計(jì)自帶一路信號發(fā)生器,可穩(wěn)定產(chǎn)生1 Hz~1 MHz的方波,通過按鍵調(diào)整方波頻率、占空比,具體流程如圖8所示。

    圖8 方波產(chǎn)生流程圖

    修改PSC與ARR的值改變方波的頻率,修改N值改變方波的占空比,占空比是方波重要參數(shù)之一,具體公式如式(6)所示。

    D=[ARR÷(100÷N)]×100%

    (6)

    式中:D為方波占空比;N為方波高電平計(jì)數(shù)個數(shù),且0

    4 系統(tǒng)測試

    4.1 頻率檢測測試

    完成軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)后,對樣機(jī)進(jìn)行測試,測量內(nèi)容以實(shí)際頻率100 Hz和10 kHz方波為例,占空比從20%到90%進(jìn)行測試。在測試過程中,隨機(jī)獲取數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)的有效性。測試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

    表1 方波測試(100 Hz)

    表2 方波測試(10 kHz)

    由表1和表2測試數(shù)據(jù)可以看出,采用外部中斷與定時(shí)器外部計(jì)數(shù)結(jié)合法,測量10 kHz方波的頻率,測量誤差基本為0,總體測量誤差為1 Hz,占空比誤差0.01。樣機(jī)測試圖如圖9所示。

    (a)100 Hz測量

    (b)100 kHz測試圖9 樣機(jī)測試圖

    4.2 方波輸出測試

    便攜式多功能頻率計(jì)可輸出1 Hz~1 MHz的方波,占空比為10%~90%,實(shí)驗(yàn)以100 Hz和10 kHz為例,測試結(jié)果如表3和表4所示。

    表3 方波輸出(100 Hz)

    表4 方波輸出(10 kHz)

    在完成占空比測試的基礎(chǔ)上,對輸出頻率的幅值進(jìn)行測試,依次測量頻率幅值為3.3、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 V下10 Hz~100 kHz的頻率測試,測試結(jié)果如表5所示。數(shù)據(jù)顯示,便攜式多功能頻率計(jì)輸出10 kHz的頻率輸出精度幾乎零誤差,總體輸出誤差為0.1 Hz,占空比精度達(dá)到0.1。

    表5 方波輸出測試表

    具體的測試圖如圖10 所示。

    圖10 方波輸出示波器顯示圖

    5 結(jié)束語

    本文完成了便攜式多功能頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括電源電路設(shè)計(jì)、信號處理電路設(shè)計(jì)、波形放大電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等,并運(yùn)用示波器對系統(tǒng)平臺進(jìn)行測試和分析。實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:

    (1)系統(tǒng)可測量幅值在3.3~5.5 V,頻率在1 Hz~1 MHz的方波、正弦波等信號,測量誤差達(dá)到0.1 Hz。

    (2)系統(tǒng)可產(chǎn)生幅值在3.3~8.5 V,頻率在1 Hz~1 MHz的方波,且方波占空比可以通過按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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