1、数理与信息工程学院课 程 设 计题 目：LED 显示的电压表电路设计专 业： 计算机科学与技术（专升本） 班 级： 专升本 056 班 姓 名： 黄馥妃 学号： 05191114 实验地点：数理与信息工程学院 电子系统设计室指导老师： 余水宝 张 胜 丁宇 成 绩：( 2006.6 )目 录摘要一、序言-1二、MCS-51 单片机简介-2三、总体方案设计-5四、模块电路设计与比较-6（一）数据采集模块-6（二）单片机系统数据处理模块-10（三）显示模块-13五、系统实现及理论分析-13（一）数据采集部分-13（二）数据处理部分-13六、电路调试-13（一）调试方法和过程-13（二）测试仪器-1
2、4七、发挥部分-15八、结论-15九、参考文献-16附录 1 数字调制概述-17附录 2 程序-221LED 显示的电压表电路设计黄馥妃计算机 056 班摘 要设计分三个模块:数据采集、数据 处理和显示模块。数据信号采集采用运算放大器 0P07 构成 电压跟随器对 信号进行跟随处理，再由采样/ 保持器 LF398 对信号进行采样/保持。高电平，采样；低电平，保持。采样 控制信号由集成锁相环CD4046 对被测信号进行 64 倍频产生。具体如下：首先，正弦波信号通过过零比较器变成脉冲信号，作为 CD4046 的输入。其次，由二 进制计数器 74LS393 构成64 分频器。最后，经过集成锁相环
3、CD4046 的内部处理，输出信号的频率就变成了原来的 64 倍。数据处理以单片机 8051 为核心， 对采集信号进行精确控制和严格计算，显示部分由 4 线-七段译码器/驱动器 7447，NPN 型三极管放大器和数码管构成。关键词电压跟随器 采样/保持器 A/D 转换 锁相环电路 LED 显示The circuit design of Voltmeter displayed by LEDAbstractIn this design ,there are three parts: data-gathering part ,data-processing part and display part
4、 . Data signal gather is accomplished as follows: first ,the signals are follow-processed by voltage follower, and then sample/hold by sample/hold circuit: high voltage level: sample; low voltage level: hold . Sample control signal is produced by the integrated phase-locked loop multiplying the meas
5、ured signal 64.The details are: firstly, sinusoidal wave becomes pluse signal by zero cross switch circuit, as the input of CD4046, 64 frequency divider is made of binary counter 74LS393 .Finally, the frequency of output signal becomes the original signals 64 times, by the inner processed on integra
6、ted CD4046.The major part of this system is 8051 single chip microcomputer . It accruately controls the gather signal and caculate the data. The display part is consisted of decoder-driver 7447, NPN type triode and LED.KeywordsAmple/hold A/D converter PLL CD4046 Display一、 序言当代计算机是微电子技术与计算机数学相结合的产物。微
7、电子学的基本元件极其集成电路构成了计算机的硬件基础；计算机数学的计算方法与数据结构则成为计算机的软件基础。从21946 年世界上第一代计算机问世到现在，计算机的发展随着电子技术的发展已经历了四代，即电子管、晶体管、集成电路及超大规模集成电路。然而其结构都是冯.诺依曼结构，即计算机的组成分为五部分：运算器、控制器、存储器、输入部分及输出部分。现在，大部分微机的运算器和控制器集成在一片大规模集成电路上，叫做微处理器，也称为中央处理单元 CPU( Central Processing Unit),如 286、386 机等，也有的机器把存储器和 CPU 做在了一起。计算机的发展随着微电子技术的发展而发
8、展，并且由于芯片的集成度的提高而使机器微型化，出现了微型计算机(Microcomputer)、单板机（Single Board Computer） 、单片机（Single Chip Computer）等机型。单片机，顾名思义，即一个芯片的计算机，在这一个芯片上包括了计算机的五个组成部分：运算器、存储器、控制器、输入部分及输出部分。单片机具有功能强、体积小、成本低、功耗小等特点，使它在工业控制、只能仪器、节能技术改造、通信系统、信号处理及家用电器产品中都得到了广泛的应用。另外，单片机在很大程度上改变了传统的设计方法，以往采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，大部分功能单元都可以通过对单片机硬件功
9、能扩展及专用程序的开发，来实现系统提出的要求，这意味着许多电路设计问题将转化为程序设计问题。二、 MCS-51 单片机简介 MCS-51 是一个单片机系列产品，具有多种芯片型号。具体说，按其内部资源配置的不同，MCS-51 可分为两个子系列和 4 种类型，如下表所示。片内 ROM 形式资源配置子系列无 ROM EPROM E2PROM片内ROM容量片内RAM容量定时器/计数器中断源51 子系列 8031 8051 8751 8951 4KB 128B 216 552 子系列 8032 8052 8752 8952 8KB 256B 316 6表 1 MCS-51 系列单片机分类按资源配置数量，
10、MCS-51 系列分为 51 和 52 两个子系列，其中 51 子系列是基本型，而 52子系列则是增强型，以芯片型号的最末位数字的“1”和“2”作标志。52 作为增强型子系列，由于资源数量的增加，使其芯片的功能也有所增强。例如片内 ROM 容量从 4KB 增加到 8KB，片内 RAM 单元数从 128 字节增加到 256 字节，定时器/计数器的数目从 2 个增加到 3 个，中断源从5 个增加到 6 个等。单片机内部程序存储器(ROM)的配置共有：不含有内部程序存储器（写为“无”或“ROM less”） 、掩模型只读存储器（写为“ROM”或“Mask ROM” ） 、紫外线擦除可编程只读存储器（
11、写为“EPROM”或“Otp ROM” ） 、电擦除可编程存储器（写为“E 2PROM”或“Flash ROM” ）4 种类型，所对应的（51 子系列）芯片名称依次为：80631、8051、8751 和 8951。到目前为止，尽管计算机科学和技术得到了充分的发展，但计算机的体系结构仍然没能突破有计算机的开拓者、数字家约翰.冯.诺曼最先提出来的经典体系结构框架，即一台计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。微型机是这样，单片机也不例外。因此我们要从计算机五个基本组成部分的观点来理解单片机的系统结构，所不同的只是单片机是把那些作为控制应用所必需的内容，包括运算器
12、、控制器、少量的存储器、3最基本的输入/输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。图 1 MCS-51 单片机系统结构框图 MCS-51 单片机芯片内部逻辑结构1.中央处理器（CPU）中央处理器简称 CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。按其功能，中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。2.运算器电路运算电路时单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。运算电路以 ALU 为核心，基本的算术和逻辑运算均在其中进行，包括加、减、乘、除、增量、减量、十进制调整、比较等算术运算，与、或、 、异或等逻辑运算，左、右、移位和半字节交换等操作。运算和操作结果的状态由状态寄存
13、器（PSW）保存。3.控制器电路控制电路时单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调地工作。单片机执行指令是在控制电路的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。4.内部数据存储器内部数据存储器包括 RAM(128 x8)和 RAM 地址寄存器等。实际上 80C51 芯片中共有 256 个 RAM单元，但其中后 128 单元被专用寄存器占用，供用户使用的只是前 128 单元，用于
14、存放可读写的数据。因此，通常所说的内部数据存储器是指前 128 单元，简称“内部 RAM”。45.内部程序存储器内部程序存储器包括 ROM(4Kx8)和程序地址寄存器等。80C51 共有 4KB 掩膜 ROM，用于存放程序和原始数据。因此称之为程序存储器，简称“内部 ROM”。6.定时器/计数器出于控制应用的需要，80C51 共有两个 16 位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。7.并行 I/O 口MCS-51 共有 4 个 8 位的 I/O 口（P 0、P 1、 、P 2、P 3） ，以实现数据的并行输入输出。8.串行口MCS-51 单片机有一个全双
15、公的串行口，以实现单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，即可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。9.中断控制系统MCS-51 单片机的中断功能较强，以满足控制应用需要。80C51 共有 5 个中断源，即外中断 2 个，定时/计数中断 2 个，串行中断 1 个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。10.时钟电路MCS-51 芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接，时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，典型的晶振频率为 12MHZ。11.位处理器单片机主要用于控制，需要有较强的位处理功能，因此位处理器是它的必要组成部分，在一些书中常把位处理器称为布尔处
16、理器。位处理器以状态寄存器中的进位标志位 C 为累加器，可进行置位、复位、取反、等于“0”转移、等于“1”转移且清“0”以及 C 可寻址位之间的传送、逻辑与、逻辑或等位操作。位处理操作也是通过运算器实现的。必须特别指出，位处理器是单片机的重要内容，因为它是单片机实现控制功能的保证。12.总线上述这些部件都是通过总线连接起来，才能构成一个完整的单片机系统。总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。从上述内容可以看出，虽然 MCS-51 只是一个芯片，但“麻雀虽小五脏俱全” ，作为计算机应该具有的基本部件在单片机中几乎都包括，因此，实际上它已经是一个简单的微型计算机系统了，应当按计算
17、机系统的概念来理解单片机。信号引脚介绍80C51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片。.输入/输出口线P0.0P 0.7 P0口 8 位双向口线P1.0P 1.7 P1口 8 位双向口线P2.0P 2.7 P2口 8 位双向口线P3.0P 3.7 P3口 8 位双向口线.ALE 地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE 用于控制把 P0口输出的低 8 位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址5和数据的分时传送。此外由于 ALE 是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。图 2 80C51 单片机芯片引脚图.PSEN/ 外部程序存储器读选通信号在读外部
18、 ROM 时 PSEN/有效（地电平） ，以实现外部 ROM 单元的读操作。. 访问程序存储器控制信号EA当 信号为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部程序存储器；而当 信号为高电平时，EA则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。.RST 复位信号当输入的复位信号延续 2 个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。.XTAL1和 XTAL2 外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。.Vss 地线.Vcc +5V 电源以上就是 80C51 单片机芯片 40 条引脚的定义
19、及简单功能说明。本设计充分应用信号引脚的第二功能和并行通讯功能。三、方案设计采用 89C51 单片机来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示测量值。对于电压信号采样用 OP07 电压跟随器和LF398 数据保持器进行预处。在测量工频交流电压信号时，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制 89C51 对电压信号的相位测量。采用以 89C51 为核心的单片机系统使整体结构简单，并且可以实现显示、打印、与微机通信等功能，大大提高了系统的智能化程度，同时系统所测结果的精度很高。系统总体框图如：电压信号电压跟随器保持器 A/D 转换过零检测电路锁相环
20、倍频电路单片机80C51显示板6图 3 系统整体框图四、模块电路设计与比较(一)数据采集模块数据采集模块包括：电压跟随电路，信号采样/保持电路，A/D 转换电路。1.电压跟随电路：由 OP07 构成，虽然精确度不够高，但它能提高带负载能力，硬件电路简单，也不需软件控制，基本上能满足任务书上的要求，所以本设计采用了此方案。电路如图 1 所示：输入信号是 05V 交流电压信号，输出信号不变。f(t) f(t) t t 图 4 电压跟随电路2.信号采样/保持电路采用保持器 LF398 对电压信号进行采样/保持。在单片机 P2.5 口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。输入的正弦波信号经 LF398
21、 后变为抽样信号。电路如图 2 所示：图 5 信号采样/保持电路 芯片介绍LF398 是一种高性能单片采样/保持器。它具有很高的直流精度、很快的采样时间和低的下R124kC10.01ufD2D1R21k+12V-12V+5V-5V123456 78ALF398ui UoP2.57降速度。器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容达到最佳。例如选择 1000PF 的保持电容，具有 6us 的采样时间，可达到 12bit 的精度。LF398 的价格低廉。电源电压可从518V 任意选择，其性能几乎无影响。采样/保持的逻辑控制可与 TTL 或 CMOS 电平接口。它可广泛地应用于高速 A/D 转
22、换系统、数据采集系统和要求同步采样的领域。该器件外形采用 8脚 DIP 封装结构。性能特点：A.具有 12bit 吞吐精度；B.采样时间：小于 10us;C.宽带噪声：小于 20uV;D.可靠的整体结构；E.输入阻抗：大于 1010；F.TTL 和 CMOS 逻辑接口。主要参数a. 输入偏流：小于 50nA;b.增益：1；c.输入失调：小于7mV;d.输出阻抗：小于 0.5；e.电源电压:518V;f.电源电流：4.56.5mA。b. 内部结构与引脚说明内部结构图 6 LF398 内部电路结构LF398 内部电路结构如图 3，N1 是输入缓冲放大器，N2 是高输入阻抗射极输出器。逻辑控制采样/
23、保持开关：当开关 S 接通时，开始采样，当开关断开时，进行保持。引脚说明引脚功能为：1、4 脚：V 、V ，正、负电源输入端，应与地之间接入 0.1uF 电容；2 脚：OFAD，失调电压调整端；3 脚：V i，模拟电压输入端；5 脚：OUT，采样/保持输出端；6 脚：HOC，采样/保持电容接入端；7 脚：MREF，逻辑控制电平参考端，一般接地；8 脚：MCTR，逻辑控制输入端，高电平为采样，低电平为保持。基本接法与应用下图 4 是 LF398 的基本连接图。失调电压的调整是通过与 V 的分压并调整 1K 电位器实现的。保持电容 CH应选用 3001000PF 的高性能低漏电云母电容器。控制逻辑
24、在高电平时为采样，在低电平时为保持。本设计采用此种连接方法。电路如图 4 所示：N2+_+ N1C1S30K15056OUTHOC2OFADVi387MREFMCTRLF3988图 7 LF398 的基本接法1. A/D 转换电路利用 ADC0809 完成 A/D 转换功能。输入的是 LF398 输出的抽样信号，经过 ADC0809 内部的量化编码，以数字信号的形式输出。数字信号的产生过程如下：假设输入的模拟信号是 V因为 ADC0809 是 8 位输出，所以将最x高点的抽样信号 5V 平均分成 28份，画出 256 个阶梯波。最低点用二进制代码 0000，00000 表示，最高点用 1111
25、，1111 表示。换句话说，就是将 1111，1111 平均分成 256 份，这样每一个阶梯波对应一个二进制代码，如图 5 所示：（1111，1111）5V .256 . . .（0000，0000）0图 8 模拟信号的量化编码用 表示 V 模拟量在图中对应的点。在图中标出 点，若 恰好落在阶梯波上，则这个yx y阶梯波的编码就是 V 电压的编码；若 落在两个阶梯波之间，则取它下方最近阶梯波的编码y近似作为 V 电压的编码。根据求出的二进制编码，即可画出脉冲编码波形-数字信号。本设计中 ADC0809 与 8051 单片机的接口方案如图 6 所示8051 AD0809(+)(-)256ALEP
26、0.7P0.0WR/P2.7RD/INT1/CLK REFREFD7D0 C IN7B A .START IN0ALE OEEOCD Q/CK Q+9Ui图 9 ADC0809 与 8051 单片机的接口由于 ADC0809 片内无时钟产生电路，可利用 8051 提供的地址锁存允许信号 ALE 经 D 触发器二分频后获得。ADC0809 具有三态数据输出，其 8 位数据线直接与 CPU 数据总线相连，地址译码线 A、B、C 共同接地，只选通 IN0通路。将 P2.7 作为片选信号，在启动 A/D 转换时，由单片机的写信号 WR/和 P27 控制 ADC0809 的地址锁存和转换启动。由于 AI
27、E 和 START 连接在一起，因此 ADC0809 在锁存通道地址的同时，启动并进行 A/D 转换。再读取转换结果时，用弹片机的读信号 RD/和 P27 给一级或非门形成的正脉冲作为 OE 信号，用以打开三态输出锁存器。由原理图可知，P27 与 ADC0809 的 ALE、START 和 OE 之间有如下关系：可见，P 2.7应设置为低电平。由硬件线路分析可知：在编写软件时应令 P2.7=A15=0;给出被选择的模拟通道地址；执行一条输出指令，启动 A/D 转换。执行一条输入指令，读取转换结果。下图 7 是 ADC0809 的工作时序图。图 10 ADC0809 的工作时序图。 芯片介绍AD
28、C0809 在同一芯片上设计了一个 8 位的 A/D 转换器和 8 通道模拟采样开关，因此可以直接输入 8 个单端的模拟信号，由于本设计只采样一路模拟信号，我选用 IN0 通道，所以令其它7 路通道悬空。该器件的主要性能如下 a采用单+5V 电源逐次逼近式 A/D 转换，工作时钟典型值为 640KHZ，转换时间约为 100us。b.分辨率为 8 位二进制码，总失调误差为+/-1 LSB。c.模拟量的输入电平范围为 05V，不需要零点和满度调节。d.具有 8 通道阀锁开关控制，可以直接接入 8 个单端模拟量。e.数字量输出采用三态逻辑，输出符合 TTL 电平。f.容易与各种微7.2WRSTALE
29、7.2PDOALE10usTeocSTARTEOCOTEN DATA10机处理器连接，也可以独立工作。内部结构与引脚说明 1.内部结构 ADC0809 的内部结构主要包括多路模拟开关和 A/D 转换器两大部份。 （1）多路模拟转换开关：ADC0809 器件内 8 个标准模拟开关的输入通过引线 IN0-IN7.多路开关的状态地址译码器控制，用来指定采样的输入通道。ALE 是地址锁村信号，在 ALE 的上升沿 A、B、C 三个地址信号被锁入地址锁存器。地址信号所选择的通道见下表(2)A/D 转换器：ADC0809 采用逐次逼近转换法。该转换器包括比较器、逐次逼近寄存器（SAR） 、开关树、256R
30、 网络和控制逻辑等部件。其中开关树是一个接受逐次逼近寄存器控制的开关阵，开关树中各开关状态通过接通或断开 256R 网络中的某些支路，从标准参考电压逐次得到对应的推测值，送往比较器的输入端与输入模拟量进行比较。三态输出锁存器用来锁存转换的结果。2.引脚说明 ADC0809 为 28 脚双列直插式封装。1-5 端：IN3-IN7,模拟通道输入端第 3 到第 7 路。6 端：START，启动信号输入线，正脉冲信号。该信号的上升沿使逐次逼近寄存器复位，从下降沿开始进行 A/D 转换。如果正在进行转换时接到新的启动信号，则原来的转换进程被中止。本设计利用单片机的 WR/,RD/, P27 脚和 74L
31、S02 进行逻辑耦合给 START 提供脉冲。7端：EOC，转换结束信号，输出线。当 A/D 转换结束时 EOC 变为高电平，并将转换结果送入三态输出锁存器。EOC 可以作为 A/D 转换的状态信号，也可以作为对 CPU 的中断请求信号。在需要对某个量进行连续采样、转换的情况下，EOC 也可以作为启动信号接到START 端，但在刚加电时需要由外界电路启动一下。本设计利用它作为对 CPU 的中断请求信号。9 端：OE，输出允许控制，输入。当 OE=1 时，三态输出锁存器中的数据被送上数据总线。该引线也可以接收来自 CPU 的读信号，使数据输入CPU。12 端：REF+,参考电压的正端，一般接+5
32、V。16 端：REF-,参考电压的负端。在一般情况下，参考电压 REF+与 Vcc 相连，REF-与 GND 相连。如表 2 地址信号所选择的通道果需要高精度的参考电压，或者提高转换器灵敏度（输入模拟电压的范围小于 5V）时，参考电压可以与 Vcc 隔离，并外加可调的高精度稳压电路。22 端：ALE，地址信号锁存端。当地址码输入稳定后，ALE 的上升沿将地址锁入寄存器。23、24、25 端：ADDC、ADDB、ADDA,地址码输入端。由于本设计选用了模拟通道 IN0，ADDC、ADDB、ADDA 分别对应为 0、0、0，所以令23、24、25 端共同接地。26-28 端：IN0-IN2,模拟通
33、道输入端第 0 到第 2 路。17、14、15、8、18、19、20、21 端：D0-D7,A/D 转换数据输出端。本电路令其与单片机的 P0口相连。11 端：Vcc,正电源输入端，一般接+5V。13 端：GND，接地端。10 端：CLOCK,时钟输入端，一般接入 640KHZ 时钟。（二）单片机系统数据处理模块ADDC ADDB ADDA 选择的模拟通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN711包括：过零检测电路，锁相环倍频电路，数据处理转换电路。1. 过零检测电路由 TL082 构成同
34、相检零器，如图 8 所示。当输入信号高于 0 V 时，输出高电平；当输入信号低于 0V 时，输出低电平。作用：给 CD4046 提供方波信号。图 11 过零检测电路2.锁相环倍频电路为了保证信号采样的精度,要对信号进行等时间间隔采样。其间隔时间就是采样周期。从理论和理想情况来看，如认为信号频率是固定不变的，则采样周期也固定不变，但实际系统中，工频信号频率经常会发生变动，假设信号频率减小时，如仍以原频率时的理论采样间隔对信号采样，会造成信号的一图 12 频率变化时的采样个周期中前一段是以理论间隔被采样（以采 64 个点为例） ，如果采满了 64 个点，造成信号后一部分没有被采到，如图所示。而当信
35、号频率增大时，则一个周期采不到 64 个点，如图 9 所示。所以频率变化会引起采样失真，从而影响测量的精度。在实际中，必须保持采样间隔随信号频率的波动而发生相应的变化，即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样。方案一：选用单片机外部芯片、8253 来实现倍频，把信号一个周期分成相等的 64 份，从而实现了一个周期的等相位 64 点采样。假设信号频率为 f 先用 8253 对信号进行测量，设测得的周期为12T1，则采样周期为 T2=T1/64,每隔一个采样周期，单片机给 ADC0809 发出脉冲，启动 ADC0809 进行转换。这种方法可以实现倍频，但单片机的指令会频繁启动 8253 进行测频、
36、倍频、计数。这样的过程会损失单片机的一些工作时间，经计算约有 200us，使得转换所需时间加长，系统工作繁忙，测量精度难以进一步提高。方案二：采用锁相环电路直接实现。用锁相环把信号的频率通过计数器进行 64 倍频，从而在需采集信号的一个周期中产生 64 个脉冲，利用此脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动ADC0809 进行转换，实现高速数据采集。这种方案实施简单，而且可靠性高，简化了软件的设计。本设计采用了此种方案。电路如图 10 所示：图 13 锁相环倍频电路74LS393 作 64 分频器，其工作原理如下：CD4046 的逻辑框图如图 11 所示。图 14 CD4046 的逻辑框图主
37、要包括相位比较器 I 和 II、压控振荡器 VCO、线性放大及整形电路 A1,令需外接阻容元件构成低通滤波器。现对基本工作过程作一简介。输入信号 Vi 从 14 脚输入后，经过 A1 进行放大和整形，加至相位比较器 I 和 II 的输入端。图中将开关 S 拨到第 2 脚，相位比较器 I 就把从第 3 脚输入的比较信号与输入信号 Vi 进行相位比较，由第 2 脚输出的误差电压 V 即反映出二者的相位差。V 经过由 R3、R 4、C 2组成的低通滤波器滤除高频之后，就得到控制电压 Vd,加至 VCO 的输入CLK13 Q0 11Q1 10Q2 9Q3 8MR12B 74LS393CLK1 Q0 3
38、Q1 4Q2 5Q3 6MR2A 74LS393AIN14 BIN3VCIN9 INH5CA6 CB7R111 R212PCP 1PC1 2PC2 13VCOUT 4SF 10ZEN 154046R7100KR81MR610K C52.2uC4200pfINT1 Ui13端来调整其震荡频率，使 f2迅速逼近于 Nf1。VCO 的输出在经除法器进行 N 分频后，送至相位比较器 I，继续与 Vi 进行相位比较，最后使 f2=f1 ，二者的相位差为一恒定值，实现了锁相。需要指出，由 f2=f2/N=f1,很容易推导出 f2=Nf1。这表明，尽管从局部上看使用出发器完成的是 N分频，但就锁相环整体而言
39、则实现了 N 被频。因此，利用锁相环可以构成 N 被频器，N 是除法器的分频系数。在本设计中 N=64,则 。即从 CD4046 的 4 脚输出的信号频率是 14 脚输入1264ff信号频率的 64 倍。 芯片介绍CD4046 时目前国内外最常见的集成锁相环，其同类产品为 MC14046、CC4046,均属于 CMOS 集成电路。 CD4046 的管脚功能CD4046 采用 DIP-16 封装，各管脚功能如下：Phi1 为输入信号端，Ph I2为比较信号输入端。PhO1是相位比较器 I 的输出端，Ph O2是相位比较器 II 输出端。Ph O3为相位输出端，当环路入锁时呈高电平，环路失锁时为低
40、电平，此端通过晶体管后去驱动发光二极管，可构成入锁状态指示电路，入锁时灯亮。VCO I、VCO O分别为压控振荡器的控制端、输出端。INH 为禁止端，接高电平时禁止压控振荡器工作。DEM O是解调输出端，用于 FM 解调。Z 为内部独立的齐纳稳压馆的负端，其稳定电压 Vz=5V，在与 TTL 匹配时可作辅助电源。3.数据处理转换电路本设计采用 ADC0809 和片外 6264RAM 与单片机一起构成数据处理转换电路。（三）显示模块由译码器/驱动器 7447，NPN 型三极管和四位共阳极数码管构成。三极管的发射极作数码管的片选信号。高电平选通；7447 的输出作数码管的段选信号，低电平点亮。显示
41、值为有效值。五、系统实现及理论分析（一）数据采集部分电压信号的放大电路：由于电压信号有效值为 05V，最大峰-峰值为 7.07V，超过了 ADC0809 的量程，因而在数据保持器 LF398 的输出加两个稳压二极管，能够避免电压发生异常时对 ADC0809造成损害，从而保证了 ADC0809 的正常工作。（二） 数据处理部分1. 交流电压有效值的计算分析 对交流工频信号的采集，一般是以其有效值进行计量，其计算公式为其中 T 为信号周期TdtuU02/1t/令 , ,则TF2tutf2dtTfF0由于在计算机采集系统中 和 都是一些离散点的数值，故采用数值积分的方法，将函数tUf分解为离散值之和
42、，即14 ENfffffhF 64242631403/其中余项 490/5nhENT上式中， 为采样间隔； , 为每周期采样点数。T2/ /N理论上电压为正弦信号，但当电压发生波动时，以三次谐波影响最大，因此可以认为电压波形为基波和三次谐波之和，即 tUttu3coscs1设在最严重情况，令 ,则 ,AD0809 采用5V 满量程，因此可认为U31424max98fU=5V，则EN=2.310 -5V,因此在每周期采集 64 点时，其余项部分为 23uV,远小于 AD0809 的最低分辨率 2.4mV,采集精度完全满足要求。2. 软件设计及软件流程图软件完成各部分的控制和协调。数据采集部分 P
43、2.5口控制采样保持器，P 2.5口置“0” ，采样保持器关闭；置“1”采样保持器打开。INT1 接收锁相环倍频电路的输出信号。六、电路调试（一）调试方法和过程采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，提高调试的效率。中断 0中断 1NY开 LF398采集 A/D 转换的数据数据累加第 64 次？求平均值数据处理显示结束关 LF398启动 A/D 转换15图 15 软件流程图1.据采集模块的调试 将 OP07 的输入与函数信号发生器输出相联，用万用表测试输入、输出电压，再调节函数信号发生器的输出，用万用表测试输入、输出电压是否正确；数据保持器 LF398的管脚 8 则用单片机的 P
44、2.5口来控制，并用示波器观察波形。调试结果显示，模块可以正常工作。2.信号频率倍增模块调试 将函数信号发生器的输出与锁相环倍频电路的输入相联，调节函数信号发生器的输出频率，用示波器观察锁相环倍频电路的输出频率。经检验，锁相环能够正常工作。3.A/D 转换模块调试 因系统软件较大，不适合用来调试 A/D 转换模块，故编制了一简单程序进行测试，并用示波器监视几个控制信号（如片选、启动）是否正确。通过这种方法使 A/D 转换电路很快便能正常工作。4.显示模块调试 将显示模块与仿真机相联，编制一简单程序进行调试，并观察显示数码管的变化是否正确。通过这种方法可以看出显示模块能够正常工作。各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调好的各模块连接在一起，用函数信号发生器模拟交流电压输入，先用仿真机代替 80C51 单片机进行模拟调试，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线和地址线也进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试。由于本人能力有限，程序编写有错误，故整个系统不能够正常工作。（二）测试仪器PC 机，32M 内存 双路稳
