專利名稱：一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及頻率信號測量領域，涉及一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路。
背景技術：
頻率電壓轉換電路廣泛應用于工業(yè)自動化測控領域，傳統(tǒng)的頻率電壓轉換電路常由頻率電壓專用模擬芯片構成。對于不同的頻率量程，這類轉換電路需要調整電路參數(shù)，給生產和使用帶來了不便。在低頻段，為了減少紋波輸出，這類轉換電路需要采用時間常數(shù)較大的RC濾波電路，造成了系統(tǒng)響應速度較慢。LM331是一款典型的頻率電壓轉換芯片，相關文獻給出了由LM331構成的模擬型頻率電壓轉換電路，如附圖2所不，輸出電壓Vout與輸入頻率fin的關系式為:Vout=2.09*fin* (RtCt) *RL/RS，當 RL=IOOK Ω，CL=IuF 時，對于 0.1 秒的時間常數(shù)，0.1% 精度下的建立時間為0.7秒。對該電路進行測試:輸入信號頻率為1000Hz時，測得輸出電壓Vout信號中直流電壓為2.047V，紋波電壓有效值為5.37mV，計算紋波系數(shù)為0.26% ;輸入信號頻率為IOHz時，測得輸出電壓Vout信號中直流電壓為0.0204V，紋波電壓有效值為
5.75mV，計算紋波系數(shù)為28.2%。從以上測試結果可以看出，輸出電壓Vout與輸入頻率fin有良好的線性關系，但當頻率低至IOHz時，28.2%的紋波系數(shù)已經不能滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，這樣的電路如果用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端信號處理，將給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來很大的測量誤差。轉速、線速度、流量等與頻率相關的物理量，其頻率通常處于O 20KHz頻段，在這一頻段，能否實現(xiàn)頻率到電壓的精確轉換已成為工程中無法回避的問題。

實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種結構簡單、調試方便、穩(wěn)定性好的頻率電壓轉換電路，在0.5Hz 20KHZ頻段，使其轉換精度滿足工程的需要。如附圖1所示，本實用新型由頻率測量部分和數(shù)模D/A轉換部分組成，利用MCS-51內核的單片機內部自帶的兩路“定時器/計數(shù)器”，運用“時間/周期”測頻法對信號的頻率進行精確測量，再把計算得到的頻率值通過數(shù)模D/A轉換器轉換成模擬電壓輸出。這種電路，可以保證在整個測量頻段，有著一致的精度和響應速度。本實用新型所采用的技術方案具體是這樣實現(xiàn)的:一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路如附圖4所示，由頻率測量部分和數(shù)模D/A轉換部分組成，頻率測量部分包括D型觸發(fā)器
(10)、單片機(20);數(shù)模D/A轉換部分包括數(shù)模D/A轉換器(30)、基準電壓產生電路(40)；所述D型觸發(fā)器(10)為74系列或54系列或CD系列的D型觸發(fā)器集成電路；所述單片機
(20)為MCS-51內核的單片機；所述數(shù)模D/A轉換器(30)為電壓輸出型數(shù)模轉換器，所述數(shù)模D/A轉換器(30 )與所述單片機(20 )之間采用串行接口方式連接。一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，外部輸入的頻率信號(fin)連接到所述D型觸發(fā)器(10)的時鐘輸入引腳(CP)和所述單片機(20)的TO引腳；所述D型觸發(fā)器(10)的數(shù)據(jù)輸入引腳(D)與所述單片機(20)的PL O引腳相連接；所述D型觸發(fā)器(10)的數(shù)據(jù)輸出引腳(Q)與所述單片機(20)的INTO引腳和INTl引腳相連接；所述D型觸發(fā)器(10)的復位引腳(/RD)與所述單片機(20)的Pl.1引腳相連接。所述D型觸發(fā)器(10)為“時間/周期”測頻法中的同步檢測器，與所述單片機(20) —起完成“時間/周期”測頻法中的脈沖計數(shù)；所述數(shù)模D/A轉換器(30)把計算得到的頻率值轉換成模擬電壓輸出；所述基準電壓產生電路(40 )為所述數(shù)模D/A轉換器(30 )提供基準電壓。組成所述基準電壓產生電路(40)有多種形式，可以由穩(wěn)壓集成電路構成，也可以由多個元器件組合而成，可根據(jù)數(shù)模D/A轉換器(30)對基準電壓的的要求進行選擇。如果選用的數(shù)模D/A轉換器(30)內部集成了基準電壓產生電路，那么所述基準電壓產生電路(40)就被省略掉。優(yōu)選地，所述D型觸發(fā)器(10)為D型觸發(fā)器74LS74。優(yōu)選地，所述單片機(20)為單片機AT89C52。優(yōu)選地，所述數(shù)模D/A轉換器(30)為數(shù)模D/A轉換器TLC5618。優(yōu)選地，所述基準電壓產生電路(40)包含集成電路TL431。所述單片機(20)的TO引腳、Tl引腳分別為單片機內部“定時器/計數(shù)器O”、“定時器/計數(shù)器I”的外部輸入引腳。所述單片機(20)的INTO引腳、INTl引腳分別為單片機“外部中斷O”、“外部中斷I”輸入引腳。什么是MCS-51內核的單片機？ MCS-51單片機，是指美國Intel公司生產的內核兼容的一系列單片機的總稱，“MCS-51 ”也代表這一系列單片機的內核，這一系列單片機硬件結構和指令系統(tǒng)一致，8051單片機是MCS-51系列單片機中的一個基本型。Intel公司將MCS-51核心技術授權給了其它半導體器件公司，后來，這些半導體器件公司生產的單片機都普遍使用MCS-51內核，并在8051這個基本型的單片機基礎上增加資源和功能改進，MCS-51內核的單片機是這些單片機的統(tǒng)稱。文中所說的單片機都是指MCS-51內核的單片機。本實用新型一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，測量精度高，穩(wěn)定性好，尤其在低頻段，有著很高的轉換精度，彌補了模擬型頻率電壓轉換電路的不足。

圖1是本實用新型一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路的結構示意圖。圖2是LM331頻率電壓轉換電路原理圖。圖3 “時間/周期”測頻法原理圖。圖4是本實用新型一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路實施例原理圖。圖5是本實用新型一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路工作流程圖。
具體實施方式
為了更好的理解本實用新型的測頻方法，先對“時間/周期”測頻法作必要說明?！皶r間”測頻法是測量單位時間內的脈沖數(shù)，存在±1個信號脈沖的誤差，宜測量高頻率。“周期”測頻法是測量兩個脈沖之間的時間間隔，存在±I個標準時間單位的誤差，宜測量低頻率。“時間/周期”測頻法是多周期測頻，它的“閘門開關”與輸入信號的邊沿同步，不存在輸入信號的計數(shù)誤差，只存在標準頻率信號的±1誤差，在整個頻率段，“時間/周期”測頻法的測量精度相同。“時間/周期”測頻法原理如圖3所示。測量時，先打開“參考閘門”，利用同步檢測器檢測輸入信號的上升沿，在上升沿時刻打開“實際閘門”，兩路計數(shù)器分別對輸入信號和標準頻率信號計數(shù)；在“參考閘門”關閉時，再次利用同步檢測器檢測輸入信號的上升沿，在上升沿時刻關閉“實際閘門”，停止對輸入信號和標準頻率信號的計數(shù)?！皶r間/周期”測頻法的“實際閘門”時間與“參考閘門”時間存在差值，最大不超過一個輸入信號周期?！皶r間/周期”測頻法有著很高的精度，相關文獻對此有報導，在此不作詳細分析。輸入信號頻率fx為:fFf^N/n ；其中:&為標準頻率；N為輸入信號的脈沖數(shù)計數(shù)值；n為標準頻率的脈沖數(shù)計數(shù)值。為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，
以下結合附圖1和附圖4對本實用新型的具體實施方式
做詳細的說明，使本實用新型的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢更加清晰。在實施例中，所述D型觸發(fā)器(10 )為第一集成電路Ul，型號為D型觸發(fā)器74LS74，也可以選用74系列或54系列中其他型號的D型觸發(fā)器替代；還可以選用CD系列的D型觸發(fā)器替代，如⑶4013，此時，因⑶4013的引腳不同于74LS74，電路的連接需作相應的調整，軟件需作相應的調整。在實施例中，所述單片機(20)為第二集成電路U2，型號為Atmel公司生產的AT89C52，也可以選用其他型號的MCS-51內核單片機替代。在實施例中，所述數(shù)模D/A轉換器(30)為第三集成電路U3，型號為美國TI公司生產的數(shù)模D/A轉換器TLC5618，分辨率為12bit，TLC5618為電壓輸出型數(shù)模轉換器，與單片機之間采用串行接口方式連接。也可以選用其他串行接口的電壓輸出型數(shù)模D/A轉換器替代，只是軟件需作相應的調整。[0030]一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路的實施例，外部輸入的頻率信號fin連接到第一集成電路Ul的時鐘輸入引腳CP (即第3引腳)和第二集成電路U2的TO引腳(即第14引腳)，選擇第二集成電路U2的“定時器/計數(shù)器O”對輸入頻率信號進行計數(shù)，單片機的“定時器/計數(shù)器O”與“定時器/計數(shù)器I”結構相同，也可以將TO引腳換成TI引腳，選擇“定時器/計數(shù)器I”對輸入頻率信號進行計數(shù)，只是軟件需作相應的調整；第一集成電路Ul的數(shù)據(jù)輸入引腳D (即第2引腳)與第二集成電路U2的Pl.0引腳(即第I引腳)相連接，第二集成電路U2的Pl.0引腳輸出“參考閘門”信號，單片機的各個端口用作普通“輸入/輸出”時，功能相同，也可以將P1.0引腳換成其他輸入/輸出引腳，只是軟件需作相應的調整；第一集成電路Ul的數(shù)據(jù)輸出引腳Q (即第5引腳)與第二集成電路U2的INTO引腳(即第12引腳)和INTl引腳(即第13引腳)相連接，第一集成電路Ul的數(shù)據(jù)輸出引腳Q輸出“實際閘門”信號，控制第二集成電路U2內部的兩個“定時器/計數(shù)器”是否計數(shù)；第一集成電路Ul的復位引腳(/RD)(即第I引腳)與第二集成電路U2的Pl.1引腳(即第2引腳)相連接，在每個測頻周期開始前，第二集成電路U2的Pl.1引腳輸出低電平脈沖，作用于第一集成電路Ul的復位引腳(/RD)，將第一集成電路Ul的數(shù)據(jù)輸出引腳Q復位為低電平，使得第二集成電路U2內部的兩個“定時器/計數(shù)器”在賦初始值時處于關閉狀態(tài)，保證所賦初始值正確，也可以將P1.1引腳換成其他輸入/輸出引腳，只是軟件需作相應的調整。第一集成電路Ul為“時間/周期”測頻法中的同步檢測器，它與第二集成電路U2 —起完成“時間/周期”測頻法中的脈沖計數(shù)。 第三集成電路U3與第二集成電路U2之間采用串行接口方式連接，第三集成電路U3的第I引腳與第二集成電路U2的Pl.4引腳(即第5引腳)相連接；第三集成電路U3的第2引腳與第二集成電路U2的Pl.5引腳(即第6引腳)相連接；第三集成電路U3的第3引腳與第二集成電路U2的Pl.6引腳(即第7引腳)相連接；第三集成電路U3的第6引腳為基準電壓輸入端，連接至基準電壓產生電路；第3集成電路U3的第4引腳為數(shù)模轉換器電壓輸出端；第三集成電路U3的第8引腳連接至電源Vcc ;第三集成電路U3的第5引腳連接至電源地?；鶞孰妷寒a生電路有多種形式，其作用是提供一個相對穩(wěn)定的電壓信號，須根據(jù)精度要求合理選擇。在實施例中，給出了一種由集成電路TL431等元件構成的基準電壓產生電路，即:第一電阻Rl —端連接至電源Vcc ;第一電阻Rl的另一端與第二電阻R2的一端、第四集成電路U4的K引腳和R引腳相連接；第二電阻R2的另一端與第三電阻R3的一端、第三集成電路U3的第6引腳相連接，該節(jié)點為數(shù)模D/A轉換器TLC5618提供約2V基準電壓；第三電阻R3的另一端、第四集成電路U4的A引腳連接至電源地。在實施例中，采用單片機內部的“定時器/計數(shù)器O”對輸入頻率信號進行計數(shù)，采用“定時器/計數(shù)器I”對標準頻率信號進行計數(shù)，運用“時間/周期”測頻法，計算輸入信號的頻率值。單片機時鐘頻率為11.0592MHz ;單片機“定時器/計數(shù)器O”工作在模式1、計數(shù)器方式，配置GATE=1，“定時器/計數(shù)器O”是否計數(shù)取決于INTO引腳的信號，INTO由O變I時，開始計數(shù)，由I變O時，停止計數(shù)，這樣，就可以計量“實際閘門”打開期間輸入頻率信號的脈沖數(shù)?！岸〞r器/計數(shù)器I”工作在模式1、定時器方式，定時器信號頻率為單片機時鐘振蕩器頻率的1/12，該頻率值也是“時間/周期”測頻法中的標準頻率& ;配置GATE=I,“定時器/計數(shù)器I”是否計數(shù)取決于INTl引腳的信號，INTl由O變I時，開始計數(shù)，由I變O時，停止計數(shù)，這樣，就可以計量“實際閘門”打開期間標準頻率的脈沖數(shù)。下面結合圖5對本實用新型的工作過程作詳細說明。集成電路U2的Pl.0引腳為“參考閘門”，集成電路Ul的Q引腳為“實際閘門”，集成電路U2的Pl.1引腳為同步檢測器的復位控制端。工作過程如下。步驟300，對“定時器/計數(shù)器O”、定時器/計數(shù)器I”初始化，即對“定時器/計
數(shù)器”的控制和狀態(tài)寄存器進行設置。步驟301，單片機的Pl.0引腳輸出低電平，關閉“參考閘門”。步驟302，單片機的Pl.1引腳輸出低電平脈沖，使集成電路Ul的數(shù)據(jù)輸出引腳Q復位為低電平，關閉“實際閘門”，此時，“定時器/計數(shù)器O”、“定時器/計數(shù)器I”被關閉。步驟303，對“定時器/計數(shù)器O”、“定時器/計數(shù)器I”賦初始值(0000H)。步驟304，單片機的Pl.0引腳輸出高電平，打開“參考閘門”。步驟305，軟件延時等待，延時時間為tl(例如tl=0.5秒)。在此過程中，當輸入頻率信號的上升沿到來時，D型觸發(fā)器被CP端的脈沖信號上升沿觸發(fā)，第一集成電路Ul的D端狀態(tài)傳遞到Q端，Q端狀態(tài)由低電平變?yōu)楦唠娖?，“實際閘門”打開，“定時器/計數(shù)器O”、“定時器/計數(shù)器I”被打開，分別對輸入頻率信號和標準頻率信號進行脈沖計數(shù)。[0041]步驟306，步驟305的延時時間到，單片機的Pl.0引腳輸出低電平，關閉“參考閘門”。步驟307，軟件延時等待，延時時間為t2 (例如t2=0.5秒)。在此過程中，當輸入頻率信號的上升沿到來時，D型觸發(fā)器被CP端的脈沖信號上升沿觸發(fā)，第一集成電路Ul的D端狀態(tài)傳遞到Q端，Q端狀態(tài)由高電平變?yōu)榈碗娖剑皩嶋H閘門”關閉，“定時器/計數(shù)器O”、“定時器/計數(shù)器I”被關閉，停止脈沖計數(shù)。步驟308，讀出“定時器/計數(shù)器O”、“定時器/計數(shù)器I ”的計數(shù)值，計算輸入頻
率信號的計數(shù)值和標準頻率信號的計數(shù)值；根據(jù)公式計算輸入信號頻率fX，fFf^N/n，其中:&為標準頻率，N為輸入頻率信號的脈沖數(shù)計數(shù)值，η為標準頻率的脈沖數(shù)計數(shù)值。步驟309，根據(jù)公式計算數(shù)模D/A轉換器的轉換數(shù)字量code，把頻率值fx轉換成對應的數(shù)模D/A轉換器的轉換數(shù)字量。步驟310，把數(shù)模D/A轉換器的轉換數(shù)字量送至數(shù)模D/A轉換器，數(shù)模D/A轉換器輸出電壓Vout。在實施例中，系統(tǒng)的采樣周期為tl+t2，tl和t2應大于一個輸入信號周期。在計數(shù)過程中，“定時器/計數(shù)器O”、“定時器/計數(shù)器I”都可能發(fā)生計數(shù)器溢出，因此，利用定時器/計數(shù)器溢出中斷來累計溢出次數(shù)，計數(shù)值N為:N= “定時器/計數(shù)器O”的溢出次數(shù)*65536+ “定時器/計數(shù)器O” 的讀出值，計數(shù)值η與N的計算方法相同。下面對輸出電壓Vout與輸入信號頻率fx之間的關系作出分析，以便更好的理解本實用新型。作為一款頻率電壓轉換電路,必須滿足輸出電壓Vout與輸入信號頻率fx之間成比例關系，因此，可以設定輸入信號的頻率上限值fmax與數(shù)模D/A轉換器的最大轉換數(shù)字量相對應。數(shù)模D/A轉換器TLC5618為12bit，它的最大轉換數(shù)字量為4095，故有:code = (fx /fmax) *4095 ;其中，code為數(shù)模D/A轉換器TLC5618的轉換數(shù)字量為輸入信號的頻率；fmax為輸入信號頻率的上限值；4095是數(shù)模D/A轉換器TLC5618的最大轉換數(shù)字量。該公式為步驟309的計算公式。數(shù)模D/A轉換器TLC5618的產品手冊是公開的資料，這里引用其相關的應用。數(shù)模D/A轉換器TLC5618的輸出電壓Vout為:Vout=2*Vref*code/4096 ；其中:Vref為數(shù)模D/A轉換器TLC5618的基準電壓；code為TLC5618的轉換數(shù)字量;輸出電壓Vout與輸入信號頻率fx的關系式為:Vout=2*Vref*code/4096=2*Vref*[ (fx /fmax) *4095]/40962*Vref* (fx /fmax)此處的“ ”不會產生輸出電壓的誤差，只是為了使公式更加清晰，便于分析。從以上關系式可以看出，采用本實用新型，對于不同頻率上限值的頻率電壓轉換，只需改變頻率上限值(fmax)，就能實現(xiàn)OHz (理論值)至頻率上限值的轉換。不需對電路作任何調整，非常便于產品的生產。本頻率電壓轉換電路的分辨率為:分辨率=fmax /4095，頻率上限值(fmax)越低，分辨率就越高，當頻率上限值為IOOHz時，分辨率為0.024Hz/bit,可見，本頻率電壓轉換電路在低頻段有著很高的分辨率。在以上的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本實用新型。但是以上描述僅是本實用新型的較佳實施例而已，本實用新型能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，因此本實用新型不受上面公開的具體實施的限制。同時任何熟悉本領域技術人員在不脫離本實用新型技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本實用新型技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據(jù)本實用新型的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實用新型技術方案保護的范圍內。
權利要求1.一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，其特征在于:由頻率測量部分和數(shù)模D/A轉換部分組成，頻率測量部分包括D型觸發(fā)器(10)、單片機(20);數(shù)模D/A轉換部分包括數(shù)模D/A轉換器(30)、基準電壓產生電路(40);所述D型觸發(fā)器(10)為74系列或54系列或⑶系列的D型觸發(fā)器集成電路；所述單片機(20)為MCS-51內核的單片機；所述數(shù)模D/A轉換器(30)為電壓輸出型數(shù)模轉換器，所述數(shù)模D/A轉換器(30)與所述單片機(20)之間采用串行接口方式連接。
2.如權利要求1所述，一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，其特征在于:所述D型觸發(fā)器(10)為D型觸發(fā)器74LS74。
3.如權利要求1所述，一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，其特征在于:所述單片機(20)為單片機AT89C52。
4.如權利要求1所述，一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，其特征在于:所述數(shù)模D/A轉換器(30)為數(shù)模D/A轉換器TLC5618。
5.如權利要求1所述，一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，其特征在于:所述基準電壓產生電路(40 )包含集成電路TL431。
6.如權利要求1所述，一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，其特征在于:外部輸入的頻率信號(fin)連接到所述D型觸發(fā)器(10)的時鐘輸入引腳(CP)和所述單片機(20)的TO引腳；所述D型觸發(fā)器(10)的數(shù)據(jù)輸入引腳(D)與所述單片機(20)的Pl.0引腳相連接；所述D型觸發(fā)器(10)的數(shù)據(jù)輸出引腳(Q)與所述單片機(20)的INTO引腳和INTl引腳相連接；所述D型觸發(fā)器(10)的復位引腳(/RD)與所述單片機(20)的Pl.1引腳相連接。
專利摘要針對模擬型頻率電壓轉換電路在低頻段存在精度差、響應速度慢的問題，本實用新型公開了一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，該電路由頻率測量部分和數(shù)模D/A轉換部分組成。采用“時間/周期”測頻法對信號的頻率進行精確測量，將頻率值通過數(shù)模D/A轉換器轉換成電壓信號輸出。在0.5Hz～20KHz頻段，本實用新型一種數(shù)字型頻率電壓轉換電路，測量精度高，穩(wěn)定性好，尤其在低頻段，有著很高的轉換精度，彌補了模擬型頻率電壓轉換電路的不足。
文檔編號H03M1/66GK202998070SQ20132002272
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權日2013年1月16日
發(fā)明者王堅 申請人:王堅