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      <P align=center><STRONG><A 
      href="http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/syjsygl/index.html"><FONT 
      face=宋体 size=3>实验技术与管理<BR></FONT></A><FONT face=System size=3>SHIYAN JISHU 
      YU GUANLI</FONT><FONT face=宋体 size=3><BR></FONT></STRONG><FONT face=宋体 
      size=2>1999年　第16卷　第1期　Vol.26　No.1　1999</FONT></P></TD>
    <TD><A 
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  <TBODY>
  <TR>
    <TD>
      <P align=center><STRONG><FONT face=宋体 
      size=5>数字频率测量与函数发生器</FONT></STRONG></P>
      <P align=center><FONT face=宋体 size=3>贾玉瑛　高美霞　王桂琴　左鸿飞　王　臣</FONT></P>
      <P align=left><FONT face=宋体 
      size=3>　　<STRONG>摘　要</STRONG>　用精密函数发生芯片MAX038和单片机等器件组成的数字频率测量仪与函数发生器于一体，改变了过去经常使用的单一功能的信号发生器的状况，一台仪器具有两种功能。<BR>　　<STRONG>关键词</STRONG>　数字　频率　函数　发生器　信号　芯片</FONT></P>
      <P align=left><FONT face=宋体 
      size=3>　　在电子实验和自动控制系统的设计过程中，经常要用不同频率的正弦波、三角波、矩形波等信号作为信号源。以前信号发生器的设计方法多采用分立元件搭成非稳态的多谐振荡器，然后，根据需要，加入积分电路等产生锯齿、三角、正弦等波形。这种信号发生器输出频率范围窄且电路设计参数整定较繁琐。基于8038芯片构成的信号发生器电路设计简单，频率范围有所增加，但它不能产生高频信号。本文主要介绍用精密函数发生芯片MAX038和单片机等器件组成的数字频率测量仪与函数发生器。</FONT></P>
      <P align=left><STRONG><FONT face=宋体 size=4>1.性能特点</FONT></STRONG></P>
      <P align=left><FONT face=宋体 
      size=3>　　本仪器具有函数发生与频率测量两种功能。作为函数发生器，本仪器能产生精确的正弦波、矩形波、三角波。输出频率范围是0.1Hz～20MHz。占空比调节范围是15%～80%，可单独调节，且对频率影响甚小。输出幅值范围为2Vp-p～10Vp-p，且连续可调。输出极性可以转换，波形失真小。作为数字频率测量仪，可对仪器内部产生和外部输入的正弦波、矩形波、三角波的频率信号均可进行测量，其频率测量范围为0～40MHz；外部输入被测信号电压幅值为400mVp-p～80Vp-p。测量精度0.5%。采用220V/50Hz交流电，工作温度范围0～70℃。</FONT></P>
      <P align=left><STRONG><FONT face=宋体 size=4>2.系统组成</FONT></STRONG></P>
      <P align=left><FONT face=宋体 
      size=3>　　数字频率测量与函数发生器的主要电路原理框图如图1所示，系统可分为六个部分，信号发生电路、频率测量电路、显示电路、输入、输出电路及电源电路。</FONT></P>
      <P align=center><IMG height=255 alt="1801a.gif (6264 bytes)" 
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      <P align=center><FONT face=宋体 size=3>图1　硬件原理框图</FONT></P>
      <P align=left><FONT face=宋体 
      size=3>　　(1)信号的发生　如图1所示，MAX038是信号发生器的核心部分，它是由美国MAXIM公司新推出的一种精密高频波形产生器件。根据芯片的工作原理外接一些元件，即可产生从0.1Hz～20MHz的低失真正弦波、三角波、矩形波。波形转换由两个输入引脚A0、A1的逻辑电平设定，当A0=0或A1=1时，为正弦波；当A0=0,A1=0时，输出矩形波；A<SUB>0</SUB>=1、A1=0时输出三角波。本仪器由三联互锁开关设定。<BR>　　硬件设计中，把发生的信号频率设定5个波段，即：0.1Hz～2.5Hz；2.5Hz～65Hz;65Hz～40kHz;40kHz～1MHz;1MHz～20MHz。每段通过连接不同值的电容实现，由五联互锁开关实现相互切换，称为频率粗调。每一粗调频率段内，通过调节电位器，可实现频率的连续细调且各档全部覆盖。用户可根据需要进行调整。<BR>　　MAX038输出的信号电压幅值2Vp-p，把MAX038输出的信号接到不同电位的节点上，实现极性转换，通过三联互锁开关切换。调整幅度调节电位器输出电压幅值在2Vp-p～10Vp-p范围内连续可调。从而得到输出极性和幅值均可调的信号。占空比在15%～80%范围内可单独连续调节，且对频率影响甚小。<BR>　　(2)信号的测量与显示　AT89C2051单片机是频率测量的核心器件，它对外部计数速率为0.5MHz(晶振12MHz)，为实现0～40MHz频率测量范围，硬件采用2片74ALS161四位二进制同步计数器，256分频后，经MAX909电压比较器输入单片机进行测量。所测数据经软件处理后，由串行口送入LED驱动器MAX7219，LED显示的数据便是被测信号的频率，单位是赫兹。<BR>　　AT89C2051是美国ATMEL公司推出的一种高性能价格比单片机，器件采用80C31内核，指令系统加引脚与MCS-51兼容，片内均集成有闪烁的存储器，采用电擦除，可重复编程，编程速度是一般EPROM的数十倍，它是AT89CX系列中结构最紧凑、体积最小的微处理机，片内有2k字节闪烁存储器，除无外部程序存储器和数据存储器扩展功能外(无P0、P2口)，它具有80C31的所有功能结构。<BR>　　MAX7219为紧凑型、串行输入/输出共阴极显示驱动器，用来把单片机接口到多达8位7段数字LED显示器。其片内包含有一个BCD码到B码译码器，多路复用扫描电路，段和数字驱动器及存贮每个数字的8×8固态RAM。只需一个外部电阻来设置所有LED的段电流。<BR>　　一个方便的3线串行接口连到89C2051单片机上，各个数字可被寻址和更新，而不需要重写整个显示器，允许用户对每个数字选择B码译码或不译码。<BR>　　MAX7219有一个150UA低功率停机方式、模拟和数字亮度控制，一个允许用户从1位数显示到8位数显示的扫描界线寄存器，一个强迫所有LED接通的测试方式。<BR>　　对于外部输入信号，若幅值范围为400mVp-p～8Vp-p，可进行1∶1衰减。若幅值范围为8Vp-p～80Vp-p，可进行1∶10衰减。其衰减与内外部信号切换用两联自锁开关来实现。触发电平调整适中，内部或外部信号经比较器进入89C2051单片机，其测得的频率值经软件处理串行传送到MAX7219，MAX7219驱动LED，LED显示的数值就是所测频率。</FONT></P>
      <P align=left><STRONG><FONT face=宋体 size=4>3.软件设计</FONT></STRONG></P>
      <P align=left><FONT face=宋体 
      size=3>　　软件程序流程图(略)。为了确保频率测量的精度，软件设计把频率测量的范围分三档：f≥10MHz;10MHz≥f≥100Hz;f≥100Hz。前两者分别用0.1秒、1秒定时的频率法测量，后者用周期法测量。<BR>　　在频率法中，在设定的闸门时间内，对被测信号进行计数测量。硬件设计中，每次采集的数据是一个24位二进制数。不采用浮点运算方法，PLM51语言只能进行16位的运算，因此把采集回的二进制数分成低16位和高8位，将其分别转换成十进制数，每一个高8位数相当于65536，然后对其进行加权求和运算，这样把一个24位二进制数转换成8位十进制数，其结果便是所测频率值。<BR>　　在周期法测量中，被测信号作为外部中断1，用外部中断1控制16位定时器进行内部计数。当晶振频率为12MHz时，定时器内部计数速率为1MHz，即每1微秒计数器加1，记满为65536微秒。为了保证测量范围与精度，开辟了一个软件高8位计数器，每当定时器溢出，高8位计数器加1，因此，所计数据仍是24位二进制数。这样，采用频率法的算法对内部计数值进行二一十进制转换计算，用被测信号的周期控制定时器内部计数，则其计算结果为被测信号周期T，是8位十进制数，单位是微秒。然后，采用算法技巧，在确保精度和不产生溢出的前提下，对其进行倒数运算与小数点定位，保证小数点后两位数字有效，经过上述频率变换后送LED显示，单位是赫兹。测量下限是0.06Hz，低于0.06Hz的信号，由软件控制显示输出频率为0.00。根据MAX7219传送数据的时钟要求，设计了一个软时钟，实现89C2051单片机与MAX7219的数据传送。<BR>　　该仪器的电路设计及调试简单，与实验室同类仪器相比，具有性能高、价格低、体积小、重量轻、频带宽、反应速度快、读数准确直观、一台仪器两种功能的特点。它适用于电专业基础课和技术基础课所涉及到的有关实验，还可用于科研、技术开发等工作。在我院有关实验室应用中，使用效果良好，受到有关专家的好评。</FONT></P>
      <P align=left><FONT face=宋体 
      size=3><STRONG>作者单位：</STRONG>包头钢铁学院自动化与计算机工程系　014010</FONT></P>
      <P align=left><STRONG><FONT face=宋体 size=3>参考文献</FONT></STRONG></P>
      <P align=left><FONT face=宋体 
      size=3>1　沙占友.MAX038型高频精密函数发生器.电气时代，1996(8)<BR>2　战明.PLM/51程序设计及应用.东北大学出版社，1994.1<BR>3　孙涵芳.MCS——(51)/(96)系列单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社，1994.1</FONT></P>
      <P align=right><FONT face=宋体 
size=3>(1998.3.)</FONT></P></TD></TR></TBODY></TABLE></BODY></HTML>

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