模擬信號幅度與頻率測量電路的設(shè)計及仿真

王迎輝 龐巨豐 韓 燾

(1.西安石油大學(xué) 陜西西安) (2.中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西西安)

模擬信號幅度與頻率測量電路的設(shè)計及仿真

王迎輝1龐巨豐1韓 燾2

(1.西安石油大學(xué) 陜西西安) (2.中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西西安)

文章介紹一種測量模擬信號幅度與頻率的電路。電路設(shè)計思想是利用最基本的元器件,直觀地反映出所要測量對象的數(shù)值。電路主要包括幅度測量和頻率測量,對幅度測量選用了幅頻轉(zhuǎn)換電路,將幅度轉(zhuǎn)換為頻率進(jìn)行測量;對頻率的測量采用電子計數(shù)式的測量方式,將其值通過數(shù)碼管顯示出來。對電路的整體仿真是通過Proteus仿真軟件和Keil編程軟件聯(lián)機完成的。

幅度;頻率;測量;Keil軟件;Proteus軟件

0 引 言

對于一般信號,幅度、頻率、相位還有頻譜特征等都是它的特征量。由于電壓、時間和頻率測量具有其它測量所不可比擬的精確性,因此人們越來越關(guān)注把其它待測量轉(zhuǎn)換成電壓或頻率進(jìn)行測量的方法和技術(shù),更關(guān)注幅度與頻率測量的方法,以求得更簡便、更精確的測量方法與技術(shù)。同時,頻率和幅度測量儀器在生產(chǎn)和科研的各個部門使用,也是某些大型系統(tǒng)的重要組成部分,而且利用單片機的定時功能設(shè)計的信號頻率和幅度測量儀,可方便嵌入系統(tǒng)中。

1 幅度測量電路

幅度測量電路利用幅頻轉(zhuǎn)換電路,將幅度轉(zhuǎn)換為頻率進(jìn)行測量,主要利用AD820芯片、AD654芯片完成。電路框圖如圖1所示。

圖1 幅頻轉(zhuǎn)換電路框圖

AD820[1]是單雙電源、低功耗、精密場效應(yīng)輸入的運算放大器,采用雙電源工作時,它的輸出電壓能夠達(dá)到電源的正負(fù)電源電壓。設(shè)計中考慮到由于運算放大器AD820輸入級采用N溝道的場效應(yīng)晶體管,在正常工作時,輸入電流是負(fù)的,如果輸入端電壓大于(Vs-0.4 V),則使器件內(nèi)部結(jié)點變成正向偏置,輸入電流方向相反。為了防止產(chǎn)生這種現(xiàn)象,設(shè)計時在輸入端串聯(lián)一個電阻(典型值在1 kΩ～10 kΩ之間),但此電阻也會產(chǎn)生噪聲電壓,影響測量的精度。在本設(shè)計中選用了500電阻。同時,該電阻還能起限流作用,防止輸入電壓大于(Vs+0.4 V)時,運算放大器由于輸入電流過大而損壞器件。在本設(shè)計中采用單電源工作模式,運算放大器的輸入端也允許輸入負(fù)電壓信號,而不損壞器件。

AD654[2]芯片是一種低成本電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換器芯片,使用時只需一個RC網(wǎng)絡(luò),即可構(gòu)成應(yīng)用電路。電路設(shè)計中通過AD654的6、7腳之間的電容C1,AD820正向輸入端3腳的串聯(lián)電阻R1和RRP1來調(diào)節(jié)電壓與頻率的關(guān)系,參見圖1。RRP1是可調(diào)的滑動變阻器,通過調(diào)節(jié)其值的變化來調(diào)節(jié)電壓與頻率的關(guān)系,其轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(1)所示。

f0=Ui[10×C1×(R1+RRP1)] (1)

設(shè)計選用R1=200 kΩ,RRP1=500Ω,C1=1 nF,幅度與頻率的關(guān)系約為f0=Ui/(2×103)(kHz)。所以最后由數(shù)碼管頻率的顯示值可以很方便地得出幅度值。

2 頻率測量電路

本設(shè)計對正弦波頻率的測量選用了計數(shù)法中的電子計數(shù)式的測量方式[3]。原理是根據(jù)頻率的定義:周期信號在單位時間內(nèi)變化的次數(shù),即若在一定的時間間隔T內(nèi)記錄這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N,則其頻率可表示為F=N/T。其測量的原理框圖如

下圖2所示。

圖2 測量正弦頻率的原理框圖

本設(shè)計中選用的單片機是 ATMEL公司的AT89C51芯片[4],它的突出特點是Flash程序存儲器。它的主要功能如下:

(1)具有4K B的程序存儲器、128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。

(2)工作頻率在33 MHz、靜態(tài)操作在0～24 MHz、工作電壓在4.0 V～6.0 V之間。

(3)有兩個16位的定時/計數(shù)器、可編程UART通道1個。

(4)一個全雙工的異步串行口、32根雙向和可單獨尋址的I/O線。

(5)有5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級、有片內(nèi)時鐘振蕩器、有布爾處理能力。

對單片機的程序編制采用匯編語言,是通過Keil編程軟件編制、測試完成的,主要包括定時、存儲、數(shù)值轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示幾個部分。其中對小于1kHz的頻率采用了測周期的方法測量。單片機軟件流程圖如圖3所示。

圖3 測頻子程序流程圖

3 電路仿真

電路仿真是通過Proteus仿真軟件[5]完成的。仿真時首先進(jìn)行原理圖的繪制,然后是單片機程序的添加。添加程序時首先單擊單片機AT89C51芯片,在主菜單中選擇Source菜單,添加已經(jīng)在Keil軟件中編譯好的拓展名為asm源程序。然后再運行Source菜單中的Build all菜單,編譯當(dāng)前所選的源程序,編譯通過后就會在當(dāng)前目錄下生成一個HEX文件,再單擊單片機芯片,將HEX文件添加到單片機中,就可以執(zhí)行仿真了。在電路仿真過程中,直接選擇信號發(fā)生器來產(chǎn)生方波信號,對 Keil編制的單片機程序進(jìn)行調(diào)試,修改,直到電路測試正確為止。在實際電路設(shè)計中,采用了正弦波信號作為測量對象,對其進(jìn)行放大、整形,然后送入計數(shù)控制電路,對整個電路進(jìn)行了調(diào)試。

4 結(jié)論與討論

通過對實際電路的調(diào)試、測量,發(fā)現(xiàn)在一定的測量范圍內(nèi),幅度與頻率的測量精度是相當(dāng)高的。對頻率測量電路,其頻率在1 kHz～106 kHz范圍內(nèi)的測量精度較高:當(dāng)輸入信號的頻率大于1 kHz而小于10 kHz

時,測量誤差范圍在1.5%左右;當(dāng)輸入信號的頻率大于10 kHz而小于106 kHz時,其測量的誤差范圍在

1%左右。對幅度測量電路,當(dāng)輸入電壓幅度范圍為2 V～3 V時,其測量結(jié)果的精確度較高,其測量誤差大概在1.5%左右。對于頻率小于1 kHz的輸入信號,測量誤差比較大。造成這一結(jié)果的原因可能是與整形器件LM318的放大倍數(shù)有關(guān)。放大倍數(shù)太小,小信號就沒辦法測量,放大倍數(shù)太大,則信號很容易失真,而且測量精度與異步計數(shù)器的計數(shù)容量有關(guān)系。同時,由于程序中測量結(jié)果的算法過程中處理方法的原因,還有元器件本身的性能不穩(wěn)定等原因?qū)y量結(jié)果的精確度都會有一定的影響。

[1] ADI公司.AD820資料[DB/OL].http://www.analog.com/zh/prod/0,2877,AD820,00.html

[2] ADI公司.AD654資料[DB/OL].http://www.analog.com/zh/prod/0,2877,AD654,00.html

[3] 薛曉書,李克艱.單片機綜合設(shè)計講義[M].西安石油大學(xué),1999

[4] 李伯成.基于MCS-51單片機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004

[5] 唐前輝,丁明亮.Proteus入門教程[R].重慶電專動力系,2005(資料)

Research on full bore flow-meter applica- tion in Tahe oilfield.

Wang Hanhong,Yie Hongliang,Li Qing,Li Ying and Han Chaohui.

The full bore flow-meter is a turbine flow-meter with flexible mental impeller.It has the characteristics of large area impeller,firmness and durableness.The centralized parts make the excellent center of the instrument.The impeller will contract automatically when passing the oil tube,and extend when entering the casing in the process of the instrument’s logging run.So it will not affect the instrument′s going up and down.Testified by the logging in Tahe oil field,the application of the instrument has resolved the difficult problems such as production fluid profile logging of high production well and crude well.

Tahe oil field;high production gas well;heavy crude well;full bore flow-meter

TN7

B

1004-9134(2010)01-0069-02

王迎輝,男,1983年生,西安石油大學(xué)精密儀器及機械專業(yè)碩士研究生。郵編:710065

2009-04-22編輯姜 婷)

PI,2010,24(1):61～62

·計算機與通訊技術(shù)·