专利名称：一种数字型频率电压转换电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及频率信号测量领域，涉及一种数字型频率电压转换电路。
背景技术：
频率电压转换电路广泛应用于工业自动化测控领域，传统的频率电压转换电路常由频率电压专用模拟芯片构成。对于不同的频率量程，这类转换电路需要调整电路参数，给生产和使用带来了不便。在低频段，为了减少纹波输出，这类转换电路需要采用时间常数较大的RC滤波电路，造成了系统响应速度较慢。LM331是一款典型的频率电压转换芯片，相关文献给出了由LM331构成的模拟型频率电压转换电路，如附图2所不，输出电压Vout与输入频率fin的关系式为:Vout=2.09*fin* (RtCt) *RL/RS，当 RL=IOOK Ω，CL=IuF 时，对于 0.1 秒的时间常数，0.1% 精度下的建立时间为0.7秒。对该电路进行测试:输入信号频率为1000Hz时，测得输出电压Vout信号中直流电压为2.047V，纹波电压有效值为5.37mV，计算纹波系数为0.26% ;输入信号频率为IOHz时，测得输出电压Vout信号中直流电压为0.0204V，纹波电压有效值为
5.75mV，计算纹波系数为28.2%。从以上测试结果可以看出，输出电压Vout与输入频率fin有良好的线性关系，但当频率低至IOHz时，28.2%的纹波系数已经不能满足数据采集系统的要求，这样的电路如果用作数据采集系统的前端信号处理，将给数据采集系统带来很大的测量误差。转速、线速度、流量等与频率相关的物理量，其频率通常处于O 20KHz频段，在这一频段，能否实现频率到电压的精确转换已成为工程中无法回避的问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种结构简单、调试方便、稳定性好的频率电压转换电路，在0.5Hz 20KHZ频段，使其转换精度满足工程的需要。如附图1所示，本实用新型由频率测量部分和数模D/A转换部分组成，利用MCS-51内核的单片机内部自带的两路“定时器/计数器”，运用“时间/周期”测频法对信号的频率进行精确测量，再把计算得到的频率值通过数模D/A转换器转换成模拟电压输出。这种电路，可以保证在整个测量频段，有着一致的精度和响应速度。本实用新型所采用的技术方案具体是这样实现的:一种数字型频率电压转换电路如附图4所示，由频率测量部分和数模D/A转换部分组成，频率测量部分包括D型触发器
(10)、单片机(20);数模D/A转换部分包括数模D/A转换器(30)、基准电压产生电路(40)；所述D型触发器(10)为74系列或54系列或CD系列的D型触发器集成电路；所述单片机
(20)为MCS-51内核的单片机；所述数模D/A转换器(30)为电压输出型数模转换器，所述数模D/A转换器(30 )与所述单片机(20 )之间采用串行接口方式连接。一种数字型频率电压转换电路，外部输入的频率信号(fin)连接到所述D型触发器(10)的时钟输入引脚(CP)和所述单片机(20)的TO引脚；所述D型触发器(10)的数据输入引脚(D)与所述单片机(20)的PL O引脚相连接；所述D型触发器(10)的数据输出引脚(Q)与所述单片机(20)的INTO引脚和INTl引脚相连接；所述D型触发器(10)的复位引脚(/RD)与所述单片机(20)的Pl.1引脚相连接。所述D型触发器(10)为“时间/周期”测频法中的同步检测器，与所述单片机(20) —起完成“时间/周期”测频法中的脉冲计数；所述数模D/A转换器(30)把计算得到的频率值转换成模拟电压输出；所述基准电压产生电路(40 )为所述数模D/A转换器(30 )提供基准电压。组成所述基准电压产生电路(40)有多种形式，可以由稳压集成电路构成，也可以由多个元器件组合而成，可根据数模D/A转换器(30)对基准电压的的要求进行选择。如果选用的数模D/A转换器(30)内部集成了基准电压产生电路，那么所述基准电压产生电路(40)就被省略掉。优选地，所述D型触发器(10)为D型触发器74LS74。优选地，所述单片机(20)为单片机AT89C52。优选地，所述数模D/A转换器(30)为数模D/A转换器TLC5618。优选地，所述基准电压产生电路(40)包含集成电路TL431。所述单片机(20)的TO引脚、Tl引脚分别为单片机内部“定时器/计数器O”、“定时器/计数器I”的外部输入引脚。所述单片机(20)的INTO引脚、INTl引脚分别为单片机“外部中断O”、“外部中断I”输入引脚。什么是MCS-51内核的单片机？ MCS-51单片机，是指美国Intel公司生产的内核兼容的一系列单片机的总称，“MCS-51 ”也代表这一系列单片机的内核，这一系列单片机硬件结构和指令系统一致，8051单片机是MCS-51系列单片机中的一个基本型。Intel公司将MCS-51核心技术授权给了其它半导体器件公司，后来，这些半导体器件公司生产的单片机都普遍使用MCS-51内核，并在8051这个基本型的单片机基础上增加资源和功能改进，MCS-51内核的单片机是这些单片机的统称。文中所说的单片机都是指MCS-51内核的单片机。本实用新型一种数字型频率电压转换电路，测量精度高，稳定性好，尤其在低频段，有着很高的转换精度，弥补了模拟型频率电压转换电路的不足。
图1是本实用新型一种数字型频率电压转换电路的结构示意图。图2是LM331频率电压转换电路原理图。图3 “时间/周期”测频法原理图。图4是本实用新型一种数字型频率电压转换电路实施例原理图。图5是本实用新型一种数字型频率电压转换电路工作流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本实用新型的测频方法，先对“时间/周期”测频法作必要说明。“时间”测频法是测量单位时间内的脉冲数，存在±1个信号脉冲的误差，宜测量高频率。“周期”测频法是测量两个脉冲之间的时间间隔，存在±I个标准时间单位的误差，宜测量低频率。“时间/周期”测频法是多周期测频，它的“闸门开关”与输入信号的边沿同步，不存在输入信号的计数误差，只存在标准频率信号的±1误差，在整个频率段，“时间/周期”测频法的测量精度相同。“时间/周期”测频法原理如图3所示。测量时，先打开“参考闸门”，利用同步检测器检测输入信号的上升沿，在上升沿时刻打开“实际闸门”，两路计数器分别对输入信号和标准频率信号计数；在“参考闸门”关闭时，再次利用同步检测器检测输入信号的上升沿，在上升沿时刻关闭“实际闸门”，停止对输入信号和标准频率信号的计数。“时间/周期”测频法的“实际闸门”时间与“参考闸门”时间存在差值，最大不超过一个输入信号周期。“时间/周期”测频法有着很高的精度，相关文献对此有报导，在此不作详细分析。输入信号频率fx为:fFf^N/n ；其中:&为标准频率；N为输入信号的脉冲数计数值；n为标准频率的脉冲数计数值。为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，
以下结合附图1和附图4对本实用新型的具体实施方式
做详细的说明，使本实用新型的上述及其它目的、特征和优势更加清晰。在实施例中，所述D型触发器(10 )为第一集成电路Ul，型号为D型触发器74LS74，也可以选用74系列或54系列中其他型号的D型触发器替代；还可以选用CD系列的D型触发器替代，如⑶4013，此时，因⑶4013的引脚不同于74LS74，电路的连接需作相应的调整，软件需作相应的调整。在实施例中，所述单片机(20)为第二集成电路U2，型号为Atmel公司生产的AT89C52，也可以选用其他型号的MCS-51内核单片机替代。在实施例中，所述数模D/A转换器(30)为第三集成电路U3，型号为美国TI公司生产的数模D/A转换器TLC5618，分辨率为12bit，TLC5618为电压输出型数模转换器，与单片机之间采用串行接口方式连接。也可以选用其他串行接口的电压输出型数模D/A转换器替代，只是软件需作相应的调整。[0030]一种数字型频率电压转换电路的实施例，外部输入的频率信号fin连接到第一集成电路Ul的时钟输入引脚CP (即第3引脚)和第二集成电路U2的TO引脚(即第14引脚)，选择第二集成电路U2的“定时器/计数器O”对输入频率信号进行计数，单片机的“定时器/计数器O”与“定时器/计数器I”结构相同，也可以将TO引脚换成TI引脚，选择“定时器/计数器I”对输入频率信号进行计数，只是软件需作相应的调整；第一集成电路Ul的数据输入引脚D (即第2引脚)与第二集成电路U2的Pl.0引脚(即第I引脚)相连接，第二集成电路U2的Pl.0引脚输出“参考闸门”信号，单片机的各个端口用作普通“输入/输出”时，功能相同，也可以将P1.0引脚换成其他输入/输出引脚，只是软件需作相应的调整；第一集成电路Ul的数据输出引脚Q (即第5引脚)与第二集成电路U2的INTO引脚(即第12引脚)和INTl引脚(即第13引脚)相连接，第一集成电路Ul的数据输出引脚Q输出“实际闸门”信号，控制第二集成电路U2内部的两个“定时器/计数器”是否计数；第一集成电路Ul的复位引脚(/RD)(即第I引脚)与第二集成电路U2的Pl.1引脚(即第2引脚)相连接，在每个测频周期开始前，第二集成电路U2的Pl.1引脚输出低电平脉冲，作用于第一集成电路Ul的复位引脚(/RD)，将第一集成电路Ul的数据输出引脚Q复位为低电平，使得第二集成电路U2内部的两个“定时器/计数器”在赋初始值时处于关闭状态，保证所赋初始值正确，也可以将P1.1引脚换成其他输入/输出引脚，只是软件需作相应的调整。第一集成电路Ul为“时间/周期”测频法中的同步检测器，它与第二集成电路U2 —起完成“时间/周期”测频法中的脉冲计数。 第三集成电路U3与第二集成电路U2之间采用串行接口方式连接，第三集成电路U3的第I引脚与第二集成电路U2的Pl.4引脚(即第5引脚)相连接；第三集成电路U3的第2引脚与第二集成电路U2的Pl.5引脚(即第6引脚)相连接；第三集成电路U3的第3引脚与第二集成电路U2的Pl.6引脚(即第7引脚)相连接；第三集成电路U3的第6引脚为基准电压输入端，连接至基准电压产生电路；第3集成电路U3的第4引脚为数模转换器电压输出端；第三集成电路U3的第8引脚连接至电源Vcc ;第三集成电路U3的第5引脚连接至电源地。基准电压产生电路有多种形式，其作用是提供一个相对稳定的电压信号，须根据精度要求合理选择。在实施例中，给出了一种由集成电路TL431等元件构成的基准电压产生电路，即:第一电阻Rl —端连接至电源Vcc ;第一电阻Rl的另一端与第二电阻R2的一端、第四集成电路U4的K引脚和R引脚相连接；第二电阻R2的另一端与第三电阻R3的一端、第三集成电路U3的第6引脚相连接，该节点为数模D/A转换器TLC5618提供约2V基准电压；第三电阻R3的另一端、第四集成电路U4的A引脚连接至电源地。在实施例中，采用单片机内部的“定时器/计数器O”对输入频率信号进行计数，采用“定时器/计数器I”对标准频率信号进行计数，运用“时间/周期”测频法，计算输入信号的频率值。单片机时钟频率为11.0592MHz ;单片机“定时器/计数器O”工作在模式1、计数器方式，配置GATE=1，“定时器/计数器O”是否计数取决于INTO引脚的信号，INTO由O变I时，开始计数，由I变O时，停止计数，这样，就可以计量“实际闸门”打开期间输入频率信号的脉冲数。“定时器/计数器I”工作在模式1、定时器方式，定时器信号频率为单片机时钟振荡器频率的1/12，该频率值也是“时间/周期”测频法中的标准频率& ;配置GATE=I,“定时器/计数器I”是否计数取决于INTl引脚的信号，INTl由O变I时，开始计数，由I变O时，停止计数，这样，就可以计量“实际闸门”打开期间标准频率的脉冲数。下面结合图5对本实用新型的工作过程作详细说明。集成电路U2的Pl.0引脚为“参考闸门”，集成电路Ul的Q引脚为“实际闸门”，集成电路U2的Pl.1引脚为同步检测器的复位控制端。工作过程如下。步骤300，对“定时器/计数器O”、定时器/计数器I”初始化，即对“定时器/计
数器”的控制和状态寄存器进行设置。步骤301，单片机的Pl.0引脚输出低电平，关闭“参考闸门”。步骤302，单片机的Pl.1引脚输出低电平脉冲，使集成电路Ul的数据输出引脚Q复位为低电平，关闭“实际闸门”，此时，“定时器/计数器O”、“定时器/计数器I”被关闭。步骤303，对“定时器/计数器O”、“定时器/计数器I”赋初始值(0000H)。步骤304，单片机的Pl.0引脚输出高电平，打开“参考闸门”。步骤305，软件延时等待，延时时间为tl(例如tl=0.5秒)。在此过程中，当输入频率信号的上升沿到来时，D型触发器被CP端的脉冲信号上升沿触发，第一集成电路Ul的D端状态传递到Q端，Q端状态由低电平变为高电平，“实际闸门”打开，“定时器/计数器O”、“定时器/计数器I”被打开，分别对输入频率信号和标准频率信号进行脉冲计数。[0041]步骤306，步骤305的延时时间到，单片机的Pl.0引脚输出低电平，关闭“参考闸门”。步骤307，软件延时等待，延时时间为t2 (例如t2=0.5秒)。在此过程中，当输入频率信号的上升沿到来时，D型触发器被CP端的脉冲信号上升沿触发，第一集成电路Ul的D端状态传递到Q端，Q端状态由高电平变为低电平，“实际闸门”关闭，“定时器/计数器O”、“定时器/计数器I”被关闭，停止脉冲计数。步骤308，读出“定时器/计数器O”、“定时器/计数器I ”的计数值，计算输入频
率信号的计数值和标准频率信号的计数值；根据公式计算输入信号频率fX，fFf^N/n，其中:&为标准频率，N为输入频率信号的脉冲数计数值，η为标准频率的脉冲数计数值。步骤309，根据公式计算数模D/A转换器的转换数字量code，把频率值fx转换成对应的数模D/A转换器的转换数字量。步骤310，把数模D/A转换器的转换数字量送至数模D/A转换器，数模D/A转换器输出电压Vout。在实施例中，系统的采样周期为tl+t2，tl和t2应大于一个输入信号周期。在计数过程中，“定时器/计数器O”、“定时器/计数器I”都可能发生计数器溢出，因此，利用定时器/计数器溢出中断来累计溢出次数，计数值N为:N= “定时器/计数器O”的溢出次数*65536+ “定时器/计数器O” 的读出值，计数值η与N的计算方法相同。下面对输出电压Vout与输入信号频率fx之间的关系作出分析，以便更好的理解本实用新型。作为一款频率电压转换电路,必须满足输出电压Vout与输入信号频率fx之间成比例关系，因此，可以设定输入信号的频率上限值fmax与数模D/A转换器的最大转换数字量相对应。数模D/A转换器TLC5618为12bit，它的最大转换数字量为4095，故有:code = (fx /fmax) *4095 ;其中，code为数模D/A转换器TLC5618的转换数字量为输入信号的频率；fmax为输入信号频率的上限值；4095是数模D/A转换器TLC5618的最大转换数字量。该公式为步骤309的计算公式。数模D/A转换器TLC5618的产品手册是公开的资料，这里引用其相关的应用。数模D/A转换器TLC5618的输出电压Vout为:Vout=2*Vref*code/4096 ；其中:Vref为数模D/A转换器TLC5618的基准电压；code为TLC5618的转换数字量;输出电压Vout与输入信号频率fx的关系式为:Vout=2*Vref*code/4096=2*Vref*[ (fx /fmax) *4095]/40962*Vref* (fx /fmax)此处的“ ”不会产生输出电压的误差，只是为了使公式更加清晰，便于分析。从以上关系式可以看出，采用本实用新型，对于不同频率上限值的频率电压转换，只需改变频率上限值(fmax)，就能实现OHz (理论值)至频率上限值的转换。不需对电路作任何调整，非常便于产品的生产。本频率电压转换电路的分辨率为:分辨率=fmax /4095，频率上限值(fmax)越低，分辨率就越高，当频率上限值为IOOHz时，分辨率为0.024Hz/bit,可见，本频率电压转换电路在低频段有着很高的分辨率。在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。
权利要求1.一种数字型频率电压转换电路，其特征在于:由频率测量部分和数模D/A转换部分组成，频率测量部分包括D型触发器(10)、单片机(20);数模D/A转换部分包括数模D/A转换器(30)、基准电压产生电路(40);所述D型触发器(10)为74系列或54系列或⑶系列的D型触发器集成电路；所述单片机(20)为MCS-51内核的单片机；所述数模D/A转换器(30)为电压输出型数模转换器，所述数模D/A转换器(30)与所述单片机(20)之间采用串行接口方式连接。
2.如权利要求1所述，一种数字型频率电压转换电路，其特征在于:所述D型触发器(10)为D型触发器74LS74。
3.如权利要求1所述，一种数字型频率电压转换电路，其特征在于:所述单片机(20)为单片机AT89C52。
4.如权利要求1所述，一种数字型频率电压转换电路，其特征在于:所述数模D/A转换器(30)为数模D/A转换器TLC5618。
5.如权利要求1所述，一种数字型频率电压转换电路，其特征在于:所述基准电压产生电路(40 )包含集成电路TL431。
6.如权利要求1所述，一种数字型频率电压转换电路，其特征在于:外部输入的频率信号(fin)连接到所述D型触发器(10)的时钟输入引脚(CP)和所述单片机(20)的TO引脚；所述D型触发器(10)的数据输入引脚(D)与所述单片机(20)的Pl.0引脚相连接；所述D型触发器(10)的数据输出引脚(Q)与所述单片机(20)的INTO引脚和INTl引脚相连接；所述D型触发器(10)的复位引脚(/RD)与所述单片机(20)的Pl.1引脚相连接。
专利摘要针对模拟型频率电压转换电路在低频段存在精度差、响应速度慢的问题，本实用新型公开了一种数字型频率电压转换电路，该电路由频率测量部分和数模D/A转换部分组成。采用“时间/周期”测频法对信号的频率进行精确测量，将频率值通过数模D/A转换器转换成电压信号输出。在0.5Hz～20KHz频段，本实用新型一种数字型频率电压转换电路，测量精度高，稳定性好，尤其在低频段，有着很高的转换精度，弥补了模拟型频率电压转换电路的不足。
文档编号H03M1/66GK202998070SQ20132002272
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月16日 优先权日2013年1月16日
发明者王坚 申请人:王坚