基于单片机的电压频率转换电路设计、装配与调试
1．电压频率转换电路
图3-13 LM331构成单片机V/F数据采集前向通道电原理图
1．电路工作原理分析
LM331片内能隙基准电路产生1.9V直流电压送到2脚，并钳位在1.9V上。
当2脚外接R S+R S’，后形成基准电流i＝1.9/(R S+R S’)。
本例i＝1.9/(12k+R S’)，i max＝1.9/12k＝158μA，i min＝1.9/17K＝112μA。
片内输入比较器的两个输入端：7脚接被测输入电压V IN。
6脚为阈值电压V X,并与电流输出端1脚相连。
外接R L、C L电路。
片内定时比较器两个输入端：一个在片内通过R、2R电阻分别与V CC、GND相连；获得固定的比较电压2/3V CC。
另一个输入端5脚接Rt、Ct相连；获得随Ct充电状态变化的电压V5。
V5与2/3V CC 比较，当Ct充电到V5>2/3V CC时，定时比较器使片內R-S触发器复位。
在R-S 触发器复位状态下电流开关断开，输出驱动晶体管截止，使Ct开始放电。
片內R-S触发器与定时比较器和复位晶体管以及外接Rt、Ct构成一个单稳脉冲定时器。
定时周期T＝1.1Rt×Ct。
当输入比较器的V IN>V X时，启动单稳脉冲定时器并导通频率输出晶体管，使3脚连接的光电耦合器导通。
同时片内开关电源导通电流i通过1脚向C L充电，Vx逐渐升高；当Vx上升到V IN<Vx时，电流i关断,定时器自行复位。
3脚连接的光电耦合器截止,此时C L开始通过R L放电，直到再次V IN>Vx。
重复上述循环，在3脚输出一个脉冲频率信号。
注入C L 的平均电流IA VE ＝i ×t ×fout 严格地等于Vx ／R L 。
IA VE ＝i ×t ×fout ＝ Vx/R L 。
又V IN ≈V X ，故有：
i ×t ×fout ≈ Vx/R L
fout ＝t i R V L IN ⨯⨯＝)'/(9.11.1RS RS C R R V t t L IN +⨯⨯⨯＝t L IN C Rt R RS RS V ⨯⨯⨯+⨯09.2）
’（ 根据已知电路参数R S +R S ’＝15k ，R L ＝100k ，Rt ＝6.8k ，Ct ＝0.01μF
fout ≈000001.001.010008.6100010009.2001015⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯IN
V ＝1000VIN 可得当V IN =1V 时，fout=1000HZ 。
V IN =10V 时，fout=10000HZ ，线性度可达0.01`％。
输入电压V IN 经一个R C 低通滤波器消除干扰，进入输入端7脚。
R C 滤波器截止频率fo 为:
fo ＝112C R V IN
π=000001
.04.010*******.321⨯⨯⨯⨯⨯≈16HZ R S 、R L 、Rt 和Ct 直接影响转换结果，对元件精度有一定要求，可根据转换精度适当选择。
R S 、R L 、Rt 和Ct 要选用低温漂的稳定元件，C L 虽对转换结果无影响，但应选择漏电流小的电容。
3. 频率测量程序设计
LM331的3脚输出脉冲频率信号经光电耦合器隔离后，送入8031。
由单片机程序对被测信号频率进行计数，或测定被测信号的周期，即可有两种方法。
被测量信号频率fout ＝0～10KHZ ，当单片机系统时钟为6MHZ 时，T0或T1定时
脉冲fc=6MH Z ／12=500 KH Z ，由测频公式fout ＝
c x
n n *fc (x n 为被测信号计数值，c n 为定时脉冲计数值)，当c n 固定时，为频率法，当x n 固定时，为周期法。
由于定时的起始、结束边沿与被测的计数脉冲边沿不同步，将出现±1个被测的计数脉冲的误差δ，误差δ与被测量信号频率fout 有关，fout 越低，误差δ越大。
要实现高精度频率测量，可采用同步计数技术来改善误差δ。
用频率低的被测信号来控制定时计数的起始、结束（同步），此时产生的±1个脉冲的误差δ为±1个频率高的定时计数脉冲，降低了误差δ。
同步计数时序见图3-14，fout-
待测频率信号，START-定时信号，nx-待测频率信号计数，nc-定时计数。
非同步计数：δ＝c x c n n n //1=x
n 1 同步计数：δ’＝c c c n n n /1/1)1/(1-+=c
n 1 因c n ＞x n ,故δ’＜ δ，降低了误差。
⑴ 频率法 被测脉冲送入8031的T1定时/计数器，若T0定时T ＝0. 1秒，由T ＝KHZ N
102，N
≈10相当于10位A ／D 转换器。
设定时/计数器初值为n C ，定时时间内计数器终值为n C ’，则f out =( n C ’－ n C )／0.1。
V IN ＝fout ／1000＝(n C ’－n C )／100
绝对误差 f ＝1／T ＝1/0.1＝10H Z
8031采样程序分为二部分。
（1）启动定时100ms （2）定时到读取计数器终值n C ’，并计算f out
BEGIN ： MOV TMOD ，#51H ； T0方式1定时，T1方式外部计数
MOV TH0，#3CH
MOV TL0，#0B0H
MOV TH1，#00H
MOV TL1，#00H
SETB P3.5
SETB TR1
LOOP1： JNB P3.5，LOOP1 ；T0定时的起始与T1引脚上升沿同步 SETB TR0 ；设置TR0为1。
启动T0定时100mS LOOP2： JNB TF0，LOOP2 ；检测T0定时100ms ，T0定时结束 MOV TL0，#0H
MOV TH0，#0H
LOOP3： JNB P3.5，LOOP3 ； T1引脚上升沿到来前，延长定时 CLR TF0
CLR TR0
CLR TR1
MOV A ，#50H
ADD A ，TL0
MOV R0，A
MOV A ，#0C3H
ADD A ，TH0
图3-14 同步计数时序
MOV R1，A ； 取c n ( 0C350H 加上延长定时 )
MOV R2，TH1 ；取x n
MOV R3，TL1
RET
⑵ 周期法
V ／F 脉冲送入8031的0INT 或1INT 脚。
通过测定T0或T1定时/计数器在V ／F 脉冲一个周期T 内，对定时时钟脉冲Tc 的计数nc ，T=n c ×Tc 。
周期法适用于V ／F 输出频率范围较低情况。
T0或T1定时脉冲Tc=12／6MHz=2μS 。
频率相对测量误差δ＝1/n c ，当f out ＝10HZ 时，δ＝1/50000＝2×10-5，当f out ＝10KHz 时，δ＝1/50＝2×10-3。
V IN 越低，误差δ越小。
程序： BEGIN ：NOP
MOV TMOD ，#08H ；T0定时方式1， TR0决定T0工作
MOV TL0，#00H
MOV TH0，#00H
LOOP1： NOP
JNB P3.2，LOOP1 ；等待被测信号的上升沿到来，起始同步
SETB TR0 ；若0INT 为1，设置TR0为1。
启动T0
LOOP2： NOP
JB P3.2，LOOP2 ；检测若0INT 是否为0了
LOOP3： NOP
JNB P3.2，LOOP3 ；检测若0INT 是否为1，若0I
N T 为1，一个周期
CLR TR0 ；结束同步.读定时计数Nc 值
MOV B ，TH0
MOV A ，TL0
MOV TL0，#00H
MOV TH0，#00H
RET。