基于單片機(jī)線性F/V轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱彩霞

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，江蘇淮安223003)

0 前言

信號(hào)源是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中不可缺少的部分。信號(hào)源通常作為基準(zhǔn)信號(hào)，用來(lái)測(cè)試系統(tǒng)性能，調(diào)試系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)等，因此信號(hào)源要求準(zhǔn)確、穩(wěn)定。本課題信號(hào)源和常規(guī)的信號(hào)源不同，它是一個(gè)受正弦波頻率控制的電壓源，輸出電壓與頻率呈線性關(guān)系，而且它們的線性關(guān)系是不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線?，F(xiàn)有的F/V轉(zhuǎn)換的器件都不能滿足要求，本文用單片機(jī)檢測(cè)正弦波的頻率，根據(jù)檢測(cè)的頻率確定D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，控制TLC5615串行D/A芯片將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，使電壓幅度與頻率大小呈線性關(guān)系。且它們的線性關(guān)系是不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線。用4片TLC5615和加法運(yùn)算電路，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換精度的提升。

1 方案選擇

本課題研究的F/V轉(zhuǎn)換是一種特殊線性F∕V轉(zhuǎn)換，例如要求200Hz對(duì)應(yīng)1V，2000Hz對(duì)應(yīng)5V，F(xiàn)/V的關(guān)系曲線是一條不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線，即F/V轉(zhuǎn)換需要滿足圖1中的頻率/電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

方案一:若采用F/V轉(zhuǎn)換的專用芯片，如用現(xiàn)有的集成電路LM331構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路。頻率信號(hào)從Ui輸入，Uo輸出直流電壓，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換結(jié)果關(guān)系式如下:

顯然這是一條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線，與圖1所示頻率/電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系不符。

方案二:采用單片機(jī)測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率，再根據(jù)測(cè)量的頻率，控制D/A轉(zhuǎn)換間接實(shí)現(xiàn)F/V的轉(zhuǎn)換，即:頻率→計(jì)算數(shù)字量→D/A轉(zhuǎn)換。方法是:用單片機(jī)測(cè)量出信號(hào)的頻率，按照?qǐng)D1的線性關(guān)系和轉(zhuǎn)換精度的要求，計(jì)算出D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，然后控制D/A轉(zhuǎn)換得到直流電壓。

比較兩種F/V轉(zhuǎn)換的方法，雖然專用芯片實(shí)現(xiàn)F/V轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單容易，但它不能滿足本課題的要求，本系統(tǒng)采用第二種方案。

2 硬件系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)由信號(hào)處理電路、單片機(jī)基本系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換、電源等部分組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 信號(hào)處理電路

正弦波信號(hào)不能直接送給單片機(jī)測(cè)量，信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放(運(yùn)放工作電源為12V/－12V)構(gòu)成的比較器，在輸出端產(chǎn)生同頻率的方波，方波信號(hào)的幅度為±12V，運(yùn)放輸出端的二極管將負(fù)電壓鉗位在0V(－0.7V)，輸出正電壓為12V 經(jīng)過(guò)7.5K 電阻和5.1K電阻分壓，使信號(hào)的幅度小于5V，然后送給單片機(jī)測(cè)量。圖3為信號(hào)處理電路。

圖3 信號(hào)處理電路

2.2 單片機(jī)測(cè)量頻率原理

由于200～2000Hz的頻率較低，為了提高頻率測(cè)量的精度，采用測(cè)量周期的方法求出頻率。單片機(jī)采用AT89S51，系統(tǒng)振蕩頻率12MHz，則機(jī)器周期為1us，200～2000Hz信號(hào)的周期范圍為5～0.5ms，以 2000Hz信號(hào)為例，周期為 0.5ms，即500 us，測(cè)量周期產(chǎn)生的誤差時(shí)間為1us，相對(duì)測(cè)量誤差為1/500=2/1000，完全滿足測(cè)量精度要求。測(cè)量周期的方法是將同頻率方波加到單片機(jī)的中斷引腳，作為中斷的觸發(fā)信號(hào)，在單片機(jī)的中斷函數(shù)中控制定時(shí)器啟動(dòng)和停止，前一次觸發(fā)啟動(dòng)定時(shí)器數(shù)機(jī)器周期，下一次觸發(fā)停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，兩次中斷觸發(fā)期間定時(shí)器計(jì)數(shù)的機(jī)器周期數(shù)即為被測(cè)信號(hào)的周期，通過(guò)計(jì)算求出頻率。設(shè)測(cè)量出的機(jī)器為x(單位為us)，則頻率的計(jì)算公式為:

f=1000000/x

然后根據(jù)頻率計(jì)算出所需要數(shù)字量，控制D/A轉(zhuǎn)換輸出對(duì)應(yīng)的電壓。

2.3 D/A轉(zhuǎn)換接口電路

本設(shè)計(jì)采用10位的串行D/A TLC5615作為D/A轉(zhuǎn)換芯片。芯片引腳少，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，并且是電壓輸出型的D/A芯片，最大轉(zhuǎn)換輸出電壓是參考電壓的2倍。在片選有效的條件下，將10位的數(shù)字量依次輸入芯片的串行數(shù)據(jù)輸入端，高位在前，低位在后。

TLC5615最大的轉(zhuǎn)換電壓是參考電壓的2倍，將它的參考電壓設(shè)置為0.625V，則最大的十位數(shù)字量轉(zhuǎn)換的電壓為1.25V。這時(shí)的轉(zhuǎn)換精度是參考電壓為2.5V時(shí)，滿量程轉(zhuǎn)換輸出5V的轉(zhuǎn)換精度的4倍，相當(dāng)于12位D/A轉(zhuǎn)換精度。用4個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換電路，將4路電壓信號(hào)送給加法運(yùn)算電路，就可以得到最大為5V的直流電壓。圖4為由4個(gè)TLC5615構(gòu)成的達(dá)到12位精度D/A轉(zhuǎn)換接口電路(D/A轉(zhuǎn)換精度提升)。

2.4 D/A轉(zhuǎn)換控制的數(shù)字量分配

滿量程轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為:1111111111B(1023)，對(duì)應(yīng)輸出電壓為1.25V，相應(yīng)的可以計(jì)算出輸出1V電壓所要的數(shù)字量為:1023/1.25=818。對(duì)測(cè)出的頻率需要計(jì)出相應(yīng)的12位數(shù)字量，將12位的數(shù)字量分為4個(gè)10位的數(shù)字量，分別控制4個(gè)TLC5615進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。由圖1的F/V關(guān)系得到D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換數(shù)字量與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:

data=(f－200)*(4092－818)/(2000－200)+818

圖4 D/A轉(zhuǎn)換接口電路

表1 各個(gè)D/A轉(zhuǎn)換控制的數(shù)字量分配關(guān)系

圖5 主程序框圖

圖6 中斷服務(wù)程序框圖

當(dāng)DA＜1023時(shí)，將數(shù)字量送1#芯片轉(zhuǎn)換，其余芯片送0轉(zhuǎn)換即可。4路D/A輸出通過(guò)加法電路實(shí)現(xiàn)總的模擬電壓的輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)配合硬件電路的設(shè)計(jì)，編寫程序測(cè)量正弦波頻率，計(jì)算出控制D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，控制TLC5615轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電壓。程序設(shè)計(jì)主要由主程序和外部中斷的服務(wù)程序組成，分別如圖5和圖6所示。主程序主要完成對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)判斷、由周期計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率、計(jì)算出D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量、啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換等。外部中斷的服務(wù)程序主要完成對(duì)周期信號(hào)的周期測(cè)量，并置標(biāo)志，供主程序判斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用單片機(jī)測(cè)量信號(hào)頻率，再控制D/A轉(zhuǎn)換，間接地實(shí)現(xiàn)了頻率/電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中特殊的線性要求，解決了一些課題中的特殊要求，同時(shí)通過(guò)設(shè)置串行D/A TLC5615的參考電壓，運(yùn)用加法電路等，實(shí)現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換精度的提升。

［1］張?jiān)忿r(nóng).LM331及其應(yīng)用［J］.十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(2):9－10.

［2］王麗霞，程小輝，龔幼民.基于LM331的頻率計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(9):23－26.

［3］李建新，李聚春.由LM331構(gòu)成單片機(jī)V/F精密數(shù)據(jù)采集電路［J］.湖北教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(8):19－20.

［4］汪玉鳳，赫飛，劉雨剛，等.LM331應(yīng)用在A/D轉(zhuǎn)換電路中的體會(huì)［J］.電子器件，2004(3):31－33.

［5］赫飛，汪玉鳳，劉雨剛，等.LM331在A/D轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2004(11):21.

［6］江冰，李致金，張金波.LM331壓頻變換器在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用［J］.電子質(zhì)量，2004(11):7－9.

［7］何獻(xiàn)忠，凌云.單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集控制［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2006(6):6.

［8］林健.V/F電路調(diào)試中的若干問(wèn)題分析［J］.集成電路應(yīng)用，2006(2):22－24.

［9］洪家平，高美珍.LM331在溫度測(cè)控中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2004(9):11－13.