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2015年全国大学生电子设计竞赛数字频率计（F题）2015年8月15日I数字频率计（F题）大连东软信息学院参赛队员：张佳鹏宋岩谭贻凯摘要：本频率计由OPA656和LM319运放芯片搭建放大和比较器电路，使50mV-1V的正弦波信号放大整形成单片机能够识别的TTL电平信号，并由STM32F407MCU为主控芯片，通过捕获信号的上升沿来对信号进行频率统计，并通过中断计数的方式对两路经放大后的方波的时间间隔进行测量，统计结果通过OLED液晶屏进行显示，并能通过I/O口电平的输入选择频率测量和时间间隔的测量。关键词:频率时间间隔信号放大宽频运算放大器高速比较器。II目录数字频率计（F题）...........................................................I大连东软信息学院参赛队员：张佳鹏宋岩谭贻凯......................................................I摘要：.......................................................................I关键词:......................................................................................................................................I1系统方案...................................................................31.1运算放大器的论证与选择................................................................................................31.2正弦波测量方法的论证与选择........................................................................................31.3提高仪器灵敏度的论证与选择........................................................................................42系统原理分析...............................................................42.1OPA656运算放大器原理.........................................................................................42.2LM319比较器原理...................................................................................................53电路与程序设计.............................................................53.1电路设计....................................................................................................................53.1.1系统设计.................................................................................................................63.2程序设计....................................................................................................................64测试方案和测试结果.........................................................74.1测试方法.....................................................................................................................74.2测试结果....................................................................................................................84.3结果分析....................................................................................................................9参考文献...................................................................................................................................9附录...........................................................................................................................................93数字频率计（F题）【本科组】1系统方案本系统主要由电源模块、运算放大模块、比较器模块、控制显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1运算放大器的论证与选择方案一：LM358LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358最小识别电压变化为2mV，运放宽度为1Hz~1.1MHz，与本题的50mV~1V的1Hz~10MHz的信号不符，故不可用。方案二：LM319LM319是精密高速双比较器,其工作在宽范围的电源电压，甚至于到一个单一的5V电压。具有低输入电流，高增益。输出级的集电极开路使与TTL兼容以及能够在电流达25mA驱动灯，继电器。虽然主要设计用于需要数字逻辑电源操作的应用，对电源到完全指定的±15V。它们的特点是比在高功耗的费用lm111更快的响应。然而，高速，宽工作电压范围和低包数，使更灵活。LM319最小识别电压范围为2mV，运放宽度1Hz~125MHz，与本题的50mV~1V的1Hz~10MHz的信号相符，方案可用。方案三：OPA656OPA656结合有一个超宽频带、单位增益稳定、电压反馈运算放大器，此运算放大器有一个FET输入级以提供一个针对ADC（模数转换器）缓冲和跨阻应用的超高动态范围放大器。极低的DC误差在光学应用中提供了很好的精度。高单位增益稳定带宽和JFET输入可在高速、低噪声积分器中实现出色的性能。OPA656最小识别电压为±0.25mV，运放宽度为1Hz~275MHz，与本题的50mV~1V的1Hz~10MHz的信号相符，方案可用。为了提高精度，因此OPA656更合适。综合以上三种方案，选择方案三。1.2正弦波测量方法的论证与选择方案一：微控制器引脚输入通过微控制器的输入捕获功能对正弦波的上升沿进行捕获，通过定时器中断，计算出被测信号的频率，并显示。本项目采用的微控制器芯片为STM32F407,该芯片的最高频率为160MHz，芯片在性能上满足项目的要求，但是由于STM32F407的I/O的识别电压较大，因而不满足。方案二：信号峰值捕获此方案的电路原理图如图所示4图1当信号输入时，即使输入信号的正半周很小，由于运放A1的Av（Av为运放环路电压增益）很大，而A1的输出电压等于Uin·Av，所以A1的输出电压也足以使二极管导通，迫使运放A1处于跟随状态，从而对输入小信号的峰值进行检测。通过控制模拟开关将复位脉冲输入电路，达到将电容C的电容放电以等待下一个波形的到来。在输出端则输出脉冲方波，但是由于本项目的测试信号为1Hz~10MHz，本电路不能对高频率信号的处理，因此本方案不可用。方案三：放大采样将输入信号进行放大，将放大器的输出信号输入过零比较器，通过比较器的输出接入微控制器，微控制器通过输入捕获即可对输入信号的测量综合以上三种方案，选择方案三。1.3提高仪器灵敏度的论证与选择方案一：采用双电源供电用于本项目采用的是集成运算放大器芯片，为了提高集成运算放大器的性能应当采用双电源供电的方式进行供电。方案二：绘制PCB电路板通过采用PCB电路板搭建电路可以提高电路的抗干扰能力，但是由于比赛时间紧迫，时间上来不及。综合考虑采用采用双电源供电。2系统原理分析首先对输入的信号进行放大40~50倍，而我们系统采用的运算放大器芯片信号为OPA656,供电为双5V供电，输入信号为50mV~1V,通过运算放大器放大后会出现明显的失真现象，信号的失真并不能影响系统对它的捕获，将失真的信号输入到比较器中，在输出端将会获得脉冲信号，通过微控制器即可获取输入信号的频率信息。2.1OPA656运算放大器原理OPA656为高速集成运算放大器，本系统采用同相放大的方法对信号进行放大。本系统将信号放大倍数为45倍，放大倍数Au=1+1fRR=45,其中1R=51R，fR=2295R≈2.2K，2R=1R//fR=49.95≈51R2.2LM319比较器原理LM319为高速比较器，通过LM319搭建通用比较器。3电路与程序设计3.1电路设计图26图33.1.1系统设计给定的信号为幅度50mV-1V的正弦波信号，由于微控制器的输入捕获变化电平大于2.0V的跳变才能够被检测到，因此需要对输入的信号进行放大和变形，以便于微控制器芯片的识别。系统的整体流程为：图4单片机能够识别的电平最小为1.7V，而且无法直接测量正弦波的频率，所以需要把50Mv-1V的正弦波信号放大整形成TTL电平。3.2程序设计题目中需要对高频信号进行频率测量，所以控制芯片的主频不能低于被测信号的频率，经过分析论证，最后决定使用STM32F407ZET6单片机作为主控芯片，该单片机主频最高为160MHz，能够完成测频任务。系统程序流程图为：7图5系统初始化所有外设后会检测PE5端口的输入电平，如果为高电平，则进入频率测量模式，反之，则进入时间间隔测量模式。在测频模式下，首先进行中断测频，如果测得频率大于10000Hz，则进入定时器计数测频。中断测频在低频阶段测量精度高，但是在高频信号下容易丢失一些信号，导致精度降低，所以在高频阶段使用定时器计数测频方式，能获得较大的精确度。在测量时间间隔模式下，会利用中断和定时器进行测量，当检测到第一路方波的上升沿时，开启中断，在中断中开启定时器计数，当检测到第二路方波时，开启第二个中断，在中断中关闭定时器并读取计数的值，用次数值除以定时器速度，就是两路方波的时间的间隔了。4测试方案和测试结果为了确定系统与题目要求的符合程度，对系统中的关键部分进行了实际的测试。4.1测试方法测试方法连接如图所示8图6函数发生器产生标准的正弦波，示波器测试端和测试系统的输入端并联，用来检测函数波形的正确性，检测结果通过OLED显示出来。4.2测试结果频率测量测试结果1Hz100Hz1000Hz10000Hz100000Hz