80C52单片机低频数字相位测量仪的设计+仿真电路图+源程序(3)
方案二：80C52是51系列单片机中的基本产品，它是采用CHMOS工艺制造的高性能8位单片机。它既有HMOS的高速以及高密度技术，又有CHMOS的低功耗特征，它是8051单片机的增强型，集成了时钟输出和计数器等更多的功能。80C52内置8k片内程序储存器(ROM)。
综合本系统需要满足的技术指标以及硬件设计的性价比，以及本系统程序代码超过4KB，80C51不能满足要求，因此我们选择方案二。
1.3 系统整体设计方案
我们采用填充计数法对相位和频率进行测量，以单片机为核心，前端的两路信号分别通过跟随器，直流耦合电路，提高了系统输入阻抗。然后使用LM393比较器进行整形，经74LS74 双D触发器进行二分频(用于判断相位差为180°时能正常产生鉴相脉冲) 送到74LS86异或门进行鉴相，鉴相脉冲送输入到单片机的捕获端实现相位差测量；并将分频后两路信号，送给D触发器，通过判断D触发器的输出电平确定相位差大于或者小于180°，将输出电平作为标志位输入到单片机[3]。整体系统方案如下图1所示。
图1 系统总体框图
2. 电路设计
2.1 整形电路
系统要求相位测量仪的输入阻抗大于100kΩ，在输入端我们选择使用uA741作为信号的输入缓冲，从而提高了系统的输入阻抗。uA741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±5Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。为了减少噪声的影响，在输入端我们使用100K的电阻接地，然后经过过LM393进行比较，得到方波。LM393是双电压比较器集成电路，内含两个比较器，工作电源电压范围宽，单电源盒双电源均可工作，双电源：±1~±18V，单电源：2~36V。输出负载电阻能连接在可允许电源电压范围内任何电源电压，不受 Vcc端电压值限制。该输出能作为简单的对地SPS开路，输出部分电流被可能得到的器件和驱动的β值所限制。如果负载电流很小时，输出晶体管低失调电压允许输出箝位在零电平。它的的输出为OC结构，使用时要接上拉电阻和分压电阻，使输出电平符合单片机要求。然后通过D触发器二分频进过鉴相器异或后输入到单片机，通过捕获处理后的两通道的方波，就可计算出频率和相位差[4,5]。整形电路仿真图如图2所示。
图2 输入整形电路图
2.2 相位差测量电路
相位差测量电路由两个74HC20芯片，两个级联8254芯片，一个8.000MHz晶振组成。74HC20芯片包含2个4输出与非门，第一组1，2，4，5输入，6为输出；第二组9，10，12，13输入，8为输出。晶振是利用石英的特性制作的电器元件，主要作用是控制时间脉冲，达到定时作用，本次设计中选择8.000MHz晶振。8254芯片是一款使用十分广泛的可编程定时计数芯片，其主要功能是定时和计数的功能。我们的微机内的动态储存器刷新电路，系统日时钟的技术以及发声系统的声源都是由8254芯片来完成的。8254芯片主要由四部分组成：(1)数据总线缓冲器：数据总线缓冲器是一个三态、双向8位寄存器主要作用是与CPU进行数据交换，8位数据线D7～D0与CPU的系统数据总线连接，构成CPU和8254之间信息传送的通道，CPU通过数据总线缓冲器向8254写入控制命令、计数初始值或读取计数值。(2)读写逻辑：读写逻辑是芯片的控制部分，编程人员通过控制信号的选择来选择芯片的工作方式。读/写控制逻辑用来接收CPU系统总线的读、写控制信号和端口选择信号，用于控制8254内部寄存器的读/写操作。(3)控制字寄存器：控制字寄存器是一个只能写不能读的8位寄存器，系统通过指令将控制字写入控制寄存器，设定8254的不同工作方式。(4)计数器：8254内部有三个结构完全相同而又相互独立的16位减“1”计数器，每个计数器有吹冰种工作方式，各自可按照编程设定的方式工作。8254芯片引脚结构如图3所示。通过理论分析，基准频率越高，记得的窄脉冲个数越多，相位差的测量也越精确，但是受到8254极限工作频率的影响，最终选取8.000MHz的晶振。两个8254芯片为级联结构，这样可以提高计数位数，使相位差测量分辨率更加精确[6,7]。其相位差测量电路仿真图如图4所示。