填充计数式相位测量的分析与实现(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表时间:2007-06-30 人气:1

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四．高频计数的实现

从以上分析得知，若仅利用单片机的资源来实现相差的测量，是无法以高精度测得较高频率信号的相位差的。其关键所在是计数频率已无法再提高。鉴于这点笔者考虑到不用单片机内部的CTC计数，而是采用廉价的74系列芯片搭成高速计数，锁存电路。当计数值锁定这后，再读入单片机进行计算和显示。

具体实现的电路图如图2所示。高速计数器由4片74LS191串联组成16位计数器。计数脉冲的输入由一个触发器控制，触发器设计成自锁式，即由被测的周期信号A'锁定一个完整的信号周期后，封锁计数脉冲的输入，不再响应后一个周期，待单片机处理完该周期内的数据后，由单片机先对计数器清零，然后解除触发器的封锁，系统才继续采集下一个信号周期的数据。周期计数锁存器（记N值）由74LS373（U8），（U7）组成，相差计数锁存器（记n值）由74LS373（U6），（U5）组成，其中（U5），（U7）锁存低8位数据，（U6），（U8）锁存高8位数据，当A'信号的上沿来临时，由触发器打开U10门，开始计数。当B' 信号的上沿来临时，锁存U6，U5（获得n值）。当A'信号的上沿再次来临时，锁存U8，U7（获得N值）。并封锁触发器。通知单片机依次读入U5，U6，U7，U8的锁存值进行计算。高频振荡源采用高精度晶体振荡器，以提供高精度的计数脉冲。

考虑到硬件资源的充分利用，硬件设计时将某些部件设计成公用，如相差计数和周期计数共用一个计数器。由于0≤n≤ N，故相差信号(B'信号的上沿)必定会在一个信号周期内的某个时刻出现，可利用这一信号将相差计数值n从计数器上浮获而锁入相差计数锁存器。当一个完整的周期结束时（A'信号的上沿再次出现），锁存周期计数值N（见图3）。

五．计数脉冲频率的设置与实现

如前面所述16位计数器的计数范围是0--65535。根据（1）式要获得足够的细度，在某一信号频率下计数范围应在[3600，65535]区间内。由于计数器的计数值与被测信号的频率成反比，与计数脉冲的频率成正比。即在某一固定的计数脉冲频率下，被测信号的频率越低（周期越长）则一个周期内所获得的计数脉冲的个数越多。反之越少。或在某一个固定的被测信号的频率下，计数脉冲的频率越多，则在一个信号周期内所获得的计数脉冲的个数就越多，反之就越少。若计数值为C，被测信号频率为fx，计数脉冲频率为fa，则有下式：

C= fa/fx （3）

由于是16位的计数器，C值应满足3600 < C < 65525在某一个fa下，被测信号频率fx就会被限制在一定的范围内。即

fa/65536 < fx < fa/3600

也就是fx的下限为 fa÷65535 Hz，上限是fa÷3600 Hz，从（4）式中可以看出某个fa，所对应fx其范围是有限的。要做到fx有一个较宽的频范围，单靠16位的计数器，用一个fa是不行的。故笔者在设计时，将计数脉冲源设计成有多档振荡频率的信号源，兼顾被测信号的低频区和高频区。由单片机根据读取的N值和计数器的溢出信号，通过电子开关U11，自动切换。当读取的N值太小时，切换到较高的计数频率，当计数器有溢出时，就切换到较低的计数频率。为了简单说明笔者将fa设为2M和10M两档。根据（4）式分析入下：

当fa=2M时： fx的下限为 2×106÷65535=30.5Hz
fx的上限为 2×106÷3600=555.6Hz

当fa=10M时：fx的下限为 10×106÷65535=152.6Hz
fx的上限为 10×106÷3600=2777.8Hz

从以上分析来看，从152.6Hz到 555.6Hz，两档计数频率应对这一频率区的被测信号是重叠的，即在该频率区内，这两档计数频率都满足（4）式，这个重叠区的存在是必要的，它保证了自动切换计数脉冲频率的操作不发生振荡。但重叠区不必这么大，在实际应用中，为了保证测量精度可通过程序将重叠区限制在200Hz至250Hz 这个范围内。

参考文献
1．张友德，赵志英，涂时亮编，单片微型机原理、应用与实验，复旦大学出版社。1993 (

• 质量流量计在新铁厂焦化高炉煤气流量测量中

• 传感器的噪声及其抑制方法

• 电磁式头盔姿态传感系统参数漂移的实时补偿

• 科里奥利质量流量计的现状与未来

• 机械精度带来的益处

• UPLC（超高效液相色谱）技术