基于stm32的低频数字相位测量仪毕业论文(编辑修改稿)

基于stm32的低频数字相位测量仪毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

/外部触发计数 ) C．输入捕获 D．输出比较 E．支持针对定位的增量 (正交 )编码器和霍尔传感器电路 F．触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理 4 系统硬件 电路设计 本系统采用以 MCU 为核心的方案来完成低频相位测量仪的设计 [8]。 本设计将硬件电路分为 相位测量 模块 、单片机最小系统电路、显示 电路模块 和电源电路 模块 四部分。 通过相位测量电路采集到得两个同频正弦信号的相位差所对应的时间差以及信号周期，送到单片机的 定时器 外部中断口，让单片机最小系统完成读取数据，并能根据所读取的 数据计算出两路同频信号之间的相位差 ， 这就充分的发挥了单片机控制运算基于 stm32 的低频相位测量仪 设计 7 能力强的特点。 最后，由 显示模块 显示出所测量计算 的 相位差 和输入频率。 相位测量 模块 设计 相位测量电路主要包括输入电路的设计和鉴相器电路 部分 的 设计。 其中输入电路起到了波形转换及整形的功能。 输入电路 设计 输入电路 被测信号是周期相同、幅度和相位不同的两路正弦信号，为了准确地测量出正弦信号的相位差，需要 对 输入波形进行整形 [9]，使输入信号变成矩形波信号，并送给鉴相器进行处理。 另外，在相位差测量的过程当中，不允许两路被测输入信号在整形输入电路中发生相对相移，或者应该是的两路被测信号在整形输入电路中引起的附加相移是相同的，因此，我们对 A、 B 两路信号采用了相同的整形电路。 同时，为了避免出现被测信号在过零点时 含有干扰，我们选用施密特触发器组成的 整形电路。 由于施密特触发器是在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，因为正反馈的作用，它的门限电压随着输出电压 U0 的变化而变化，从而使施密特触发器有两个门限电压，所以可以提高输入电路的抗干扰能力。 如图 41 所示 ，电路中我们使用两个施密特触发器对两路被测输入信号进行整形。 在图 41 中，比较器LM339 连接成了施密特触发器的形式。 为了保证输入电路对相位差的测量不带来误差，必须保证两个施密特触发器的两个门限电平对应相等，这可以通过调节电位器R8 来实现。 基于 stm32 的低频相位测量仪 设计 8 231A84U1ALM358AN567B84U1BLM358ANVCCVCCGNDGND2KR14KR2R3GND2KR44KR5R6GND671B312U2BLM339VCCVCCGNDGND1KR71KR810KR91KR101KR111KR1210KR131KR14123P1Header 3GND12P2GND1CLK11K21J31PRE41Q51Q6GND72Q82Q92PRE102J112K122CLK13VCC1474LS113U374LS113VCCGNDVCCVCC8914C312U2CLM339 图 41 由施密特触发器构成的整形电路 LM339 的特性分析 LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是： （ 1）失调电压小，典型值为 2mV； （ 2）电源电压范围宽，单电源为 236V，双电源电压为 177。 1V177。 18V； （ 3）对比较信号源的内阻限制较宽； （ 4）共模范围很大，为 0~（ ） Vo； （ 5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压； （ 6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339 集成块采用 C14 型封装，图 42 为外型及管脚排列图。 由于 LM339 使用灵活，应用广泛，所以世界上各大 IC 生产 厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR233 ANI33 SF339 等，它们的参数基本一致，可互换使用。 基于 stm32 的低频相位测量仪 设计 9 图 42 LM339 外型及管脚排列图 LM339 类似于增益不可调的运算放大器。 每个比较器有两个输入端和一个输出端。 两个输入端一个称为同相输入端，用 “ +” 表示，另一个称为反相输入端，用 “ ”表示。 用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。 当 “ +” 端电压高于 “ ” 端时，输出管截止，相当于输出 端开路。 当 “ ” 端电压高于 “ +” 端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。 两个输入端电压差别大于10mV 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。 LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻 （ 称为上拉电阻，选 3— 15K）。 选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。 因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。 另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。 鉴相器 鉴相器就是我们 所说的异或门电路 [11]， 在相位测量电路中起到了测量 时间差 T的作用。 在这里我们选用的是 74LS86 芯片。 74LS86 为四组 2 输入端异或门， 管脚图如图 43 所示： 图 43 74LS86 管脚图 引出端符号： 1A － 4A ， 1B － 4B 为输入端； 基于 stm32 的低频相位测量仪 设计 10 1Y － 4Y 为输出端。 其逻辑表达式为： BABABAY  （ ） 所以，其真值表如表 41 所示： 表 41 74LS86 真值表 输入 输出 A B Y L L L L H H H L H H H L 相位测量 电路设计 由 前面所 说的相位和相位差的概念及联系，以及相位差与时间差之间的比例关系为： :360: TT  （ ） 可以通过测量时间差 T 及信号周期 T ，计算得到相位差 。 相位测量原理 结合我们设计的相位测量 电路原理 图 44 所示 ，当输入信号 UA、 UB 经过运算放大器 N N2 过零检测之后，其输出信号 UC、 UD 分别通两 JK 触发器，两个 JK 触发器的输出信号 UE、 UF 经过异或门，而异或门的输出 信号 UG是 一个脉冲宽度与 UA、UB 两信号之间相位查成正比的脉冲序列信号。 再将此脉冲序列信号送入到单片机外部中断口，进行数据处理 [12]。 基于 stm32 的低频相位测量仪 设计 11 231A84U1ALM358AN567B84U1BLM358ANVCCVCCGNDGND2KR14KR2R3GND2KR44KR5R6GND671B312U2BLM339VCCVCCGNDGND1KR71KR810KR91KR101KR111KR1210KR131KR14123P1Header 3GND12P2GND1CLK11K21J31PRE41Q51Q6GND72Q82Q92PRE102J112K122CLK13VCC1474LS113U374LS113123U4ASN74AHC86NVCCGNDVCCVCCD112P3GND12P4GNDVCC8914C312U2CLM339 图 44 相位测量电路电路图 其 各点的 输出波形如图 45 所示： 基于 stm32 的低频相位测量仪 设计 12 图 45 相位测量电路 各点波形图 单元电路的工作原理 JK 触发器 2 的工作原理一样，这里我们以 JK 触发器 1 为例来说明一下它们的工作原理： JK 触发器的 J 端、 K 端和电源端均接高电平 +5V 上（注意 JK 触发器 1 处在计数状态）。 清除端通过 R10 接到电源 +5V 上，并清除端通 过 C1 接地，当接通电源瞬间，清除端通过 C1 处于低电平，使 Q 端置于低电平； C1 逐渐充电完毕，这时清除端通过 R10 处于高电平。 如果触发端 C 端接收触发脉冲时， Q 端由低电平变为高电平；再来下一个脉冲， Q 端又由高电平变为低电平，如此不断反复。 基于 stm32 的低频相位测量仪 设计 13 74LS113 的特性分析 74LS113 为双下降沿 JK 触发器（有预置端）的 简要说明： 74S113 为带预置的两组 JK 触发器，其主要电特性的典型值如表 42 所示： 表 42 74LS113 主要电特性 其管脚图如图 46 所示： 图 46 74LS113 管脚图 引出 端符号： /CP /CP2 时钟输入端（下降沿有效） J J K K2 数据输入端 Q Q /Q /Q2 输出端 /SD /SD2 直接置位端（低电平有效） 功能表如表 43 所示： 基于 stm32 的低频相位测量仪 设计 14 表 43 74LS113 功能表 输入 输出 PR /CP J K Q /Q L X X X H L H ↓ L L QO /QO H ↓ H L H L H ↓ L H L H H ↓ H H /QO QO H H X X QO /QO （说明： H－高电平， L－低电平， X－任意，↓－高到低电平跳变） STM32 最小系统 设计 这部分是由单片机、晶振电路、按键电路等组成。 在设计中，我们充分利用单片机具有较强的运算能力和控制能力这一特点，使用单片机外部中断 TIM2 接收外部送来的对应于被测信号的时间、周期差，并在单片机内部完成相应的处理及相关运算。 另外，将待显示信息送给显示模块显示。 设计中的单片机是 stm32f103rbt。