2015年全国大学生电子设计竞数字频率计(F题)张佳鹏-宋岩-谭贻凯

1、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日数字频率计（F题）东软信息学院参赛队员：佳鹏 宋岩谭贻凯摘要：本频率计由0PA656和LM319运放芯片搭建放大和比较器电路，使SOmV-1 V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。数字频率计（F题）I东软信息学院参

2、赛队员：佳鹏宋岩谭跆凯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42.1 0PA656运算放大器原理42.2 LM319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9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

3、大器。部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大 器，适合于电源电压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。它的使用围包括传感放大黠、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lHzl. 1MHz,与本题的50m厂IV的 lHzlOMHz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

4、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lmlll更快的响应。然而，高速，宽工作电 压围和低包数，使更灵活。LM319最小识别电压围为2mV,运放宽度1Hz和25MHz,与本题的50mVlV的lHz10MHz 的信号相符，方案可用。方案三：0PA6560PA656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。0PA656最小

5、识别电压为土0. 25mV,运放宽度为lHz275MHz,与本题的50mV1V的 lHzlOMHz的信号相符，方案可用。为了提髙精度，因此0PA656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大，而Al的输出电压等于Uin-Av,

6、所以Al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 lHzlOMHz,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，为了提髙集成运算放大器的性能应当采

7、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髙电路的抗干扰能力，但是由于比赛时间紧迫, 时间上来不及。综合考虑釆用采用双电源供电。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5OmVlV,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. 1 0PA656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

8、大。本系统将信号放R大倍数为 45 倍，放大倍数 Au二 1 + _丄二45,其中 R产51R, R. =2295R2. 2K. R. = R./Rf = 49.9& 1 2 1 fFIR2.2 LM319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45VTUM319比沛电幽3.1.1系统设计给定的信号为幅度50mV-lV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的班变 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

9、频率，所以需要把50Mv-lV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：初始化iT龙时器计頻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，

10、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題目要求的符合程度，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示波器函數发生器图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

11、1Hz100Hz1000Hz10000Hz100000Hz1000000Hz2000000Hz5000000Hz50MV11001000999999998299989619987844986558100MV11001000999699999899975319995624985268500MV11001000999899992699965819975854836998IV11001000999999997999985419986854869552误差00()0. 060. 740. 03420. 122.61时间间隔测试结果100100010000100000100000050111111100

12、1()109XX1050050504643465011001009593891004. 3结果分析从测试结果中可以看出，本系统已经基本满足了题目的要求，但是在高频电路频率测量时会出 现较大的误差，而在测量时间间隔的时候，测试结果也是如此，在频率较高的时候，测量结果会出 现较大的误差。产生误差的原因可能是：1. 信号幅值较小，对测量产生了影响。2. 运算放大电路出现了失真。参考文献1 高吉祥全国大学生电子色剂竞赛培训系列教程电子工业2007年2 勇模拟电子技术员设计.仿真与制作电子工业 2012年【3】 永真等全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解电子工业 2009年4 康华光电子技术基础（第五

13、版）高等教育 2006年附录主函数代码： int main(void) float next；float next2；long int nextl；u32 timeO；char ss50；Bsp Init()；delay init(168):/初始化延时函数EXTIX_Init()；开外部中断后定时器中断不能用OLED JnitO；OLED P6x8Str(l J/2222n)；OLED P6x8Str (110,3, ,rHzw)；OLED P6x8Str (110,5, Hinsw)；while(l)uint8 t i；u32 ii；/if(PEin(5)=l)if (countDIER&

14、=OXOOOO；/失能定时眾1的所有中断/ GPIO_ResetBits(GPIOE,(GPIO.Pin 0 GPIO Pin l|GPI0_Pin 2|GPIO_Pin 3)； /可以通过观察LED 口高电平时间TimeFlag=0；/定时器1溢出标志置0next = (65536*60000)/n Counter；LCD writeNumber(093next)if(nextl900000)Delay (200000:elseDelayaoooor count H nextrTIM cmd(TIM2mNABLErTIM cmd(TIM3ENABLE:TIM cmd(TIM4ENABLE:R

15、CC APB2periphcockcmd(RCC APB2Periph SYSCFPENABLE)浴然 SYSCFG 卑零delayms(500)；timeO = time、60“LCD WritelNumber(l5rimeo)；sVin十5/悬空10U2Ta51R t；-.l卜g数电部分U1寸LCL500R 订 FXTLM318寸g2 2KU :ILJLLM318ZLVoutVOOA*.122 A bad -fe05 Ji gpTH .?. JibolusESA*2、*t-a.12I化 zTI-a1:;-.-.I;l.N；XlQAIIA杀洽毅盟OAnAgSSARSAsi aoQOQOaac

16、laclhhk.K.sa、R 一Q.XGW5sd ccryluxad 25wunadLVXKWIad2YXCU二 ad Gurxcusad 3Q.92-Q- nT3KEadHipxc 13r亠 0- -Hx 3XA J 7-ed 3aEolQS-wfc 占-qGO-zod vs.3.v【Euwub -E-Irfs 2 5UXC aKEed Eod BxEod .UXK8a2VKWE 2 Efo工於 2-oso2-yp Qoo】俟uteKfocY 磴S.S BaYr.* 居乂udxjv 9d二a .SK-S 二 ro*Q-r【UJ八 23xEMa2 y3_ 5103-SIHSKrH啓i7:%ux

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