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本帖最后由 oyl 于 2012-8-3 17:11 编辑 谐振频率跟踪器 摘要：本作品由LC并联谐振模块,5路电子开关（结型场效应管）模块，两路波形变换模块，单片机反馈控制模块和系统保护模块组成，具有对频率范围为3500Hz——2400Hz的信号进行频率跟随输出功能。MSP430单片机通过控制二进制编码电子开关调整谐振电路电容容值，从而调整系统谐振频率，达到频率跟随的目的。 关键字：LC并联谐振；频率跟随器；电子开关；MSP430捕获；12864液晶 一．系统方案分析 1. 1系统总体方案论证 （1）谐振电路的选择 方案一：RCL无源谐振电路 RCL无源谐振电路具有选频的作用。改变电路中L,C就能改变电路的谐振频率。通过调整电路的RLC参数，即可对于电路的谐振频率调节，从而达到输出与输入频率的跟随。 方案二：RC有源谐振电路 RC有源谐振电路也具有RLC无源谐振回路的阻抗特性曲线。电路所用元件多，结构复杂且电路参数不易调整，不利于谐振频率调节控制系统的设计。 此谐振频率跟随器，具有快速稳定自动调节功能，电路必须具有易于调节和稳定的特点，故选方案一的RCL无源谐振电路。 （2）开关的选择 电子开关具有切换速度开，易于控制的特点；继电器具有控制电路与主电路隔离，接触电流电压比较大，导通电阻小，断开电阻大的特点。 此谐振频率跟随器，对电压电流要求不高，对切换速度有一定的要求，故最终选定电子开关为本系统程控开关。 (3) 电压比较器的选择 此谐振电路两处用到了电压比较器，两处实现的功能存在差异，故对电压比较器性能参数的需求也存在差异。 一处是用于波形的变换，此处利用过零比较器，将谐振电路输入输出的正弦波变换为同频率，同相位的方波，故此处电压比较器的相应速度必须比谐振电路的最高谐振频率还要高一些。 另一处是用于电子开关驱动，此处利用2.0V电压比较器将单片机的控制信号转变为电子开关驱动信号，用于驱动电子开关从而实现自动化程控的目的。开关电子关速度和系统相应速度两者的影响，此谐振频率调整电路并不需要太快相应速度。 谐振电路的最高谐振频率fH=3400Hz，最低谐振频率fL=2500Hz。LM324的最大运行速度只有0.3V/us，信号在1kHz时输出不是理想的方波；TL084的最大运行速度为16V/us，在我们的选频范围内已足够。综合考虑系统要求和成本因素，最终选定LM324配置为电压比较器用于驱动电子开关，TL084用于波形变换。 1.2.电路模块的理论分析 (1) RLC并联谐振回路 RLC并联谐振电路谐振频率计算公式： 
基准电感和电容已确定，电感参数为1mH，电容为0.22uf,这样最高的谐振频率已确定，通过程控开关的开断实现对系统电容容值的调控从而实现对系统的自动程控谐振频率，从而实现谐振频率跟随功能。 (2) 5路电子开关模块 当J型场效应管的栅极电压为0时，J型场效应管导通，源极和漏极之间的电阻值小于200欧姆；当J型场效应管的栅极电压为-10V时,J型场效应管断开,源极和漏极之间的电阻极大。故J型场效应管可以作为本电路的电子开关。 当J型场效应管的源极或漏极的电压高于0.4，这是J型场效应管可能反向击穿，必须调整RLC电路的R参数，控制场效应管源极和栅极或漏极与栅极之间的电压。 单片机不可能输出负电压，如果想通过单片机控制J型场效应管通断就必须对电平转换。通过门限比较器和二极管的特性，即可实现电平转换，具体的分析见下文的硬件分析。 (4)比较器功能模块 MSP430单片机只能识别外部脉冲信号，不能直接识别正弦信号。如果想利用单片机识别原输入信号Ui和输出信号Uo,就必须对正弦信号波形变换。同相过零比较器正好可以实现正弦信号到同频同相的方波信号的转换。单片机能安全识别的电平是0~3.3V,而电压比较器产生的方波信号电平是-10V到+10V，必须对这个方波信号的电平进行钳位，将电压钳制为单片机能安全识别的电位，具体详情见下文硬件分析。 电子开关通断控制电平为0V和-10V，单片机控制电平通过门限比较器转换后,输出的电平是-10V到+10V,为了能控制电子开关必须通过二极管对电平控制为0V到-10V。 (5) 嵌位保护电路 工业控制，必须稳定可靠。钳位电路用于电平转换和模数接口电路的保护。我们这里充分考虑到二极管的单向导通特性，二极管导通后能将电压钳制在3.2——-0.7V，这样有效地保护了msp430单片机。 二.系统实现 2.1.系统框图
2.2硬件模块的设计
（1）RLC并联谐振模块 RLC并联谐振电路谐振频率计算公式 ： 由此谐振回路的上限截止频率和下限截止频率都可理论算出。 题目已给定电感参数为1mH，电容为0.22uf,为使谐振回路输出为0.2V，需根据Uo=Ui*Z/(Z+R)计算出电阻R的参数。由于谐振时，LC并联回路的等效阻抗为纯阻性，其值最大，即Z=L/Cr,r表示回路的等效损耗电阻，设定r=10欧姆。那么0.2/5=L/Cr/(L/Cr+R)，计算得R=11k欧姆.实际取R=10K,满足要求。
( 2 )程控开关
这5路都通过单片机引脚输出0或1来关断场效应管将电容并入或悬空。单片机输出1则断开，输出0则导通。5路电容分别以2倍递增的方式取值可呈二进制切换方式。场效应管的栅极并接RC并联回路，是为将存储在电容C两端的电量向电阻释放。由于单片机以二进制递增的方式每切换一次开关都需设定一个固定的时间，所以RC回路需维持这一段时间，即为RC。 (3)钳位电路 A． 双向钳位电路 由于需用单片机检测原信号与选频输出信号的相位差，所以需将正弦信号通过过零比较器转变为方波让单片机识别。考虑到原信号的电压幅值较大，以防运算放大器有损坏的危险，所以需将原信号钳制在小电压范围内。而普通二极管的导通电压很小，通常为0.3~0.4V，所以我们这里选用三极管的基极与发射极充当二极管，导通电压为0.5~0.7V，这个电压足以让运放识别。 由于双向电位钳制电路1的存在，无论输入信号的电压多大，运放TL084_1的同相端的电压都会钳制于-0.7V——+0.7V，从而确保运放的安全稳定可靠运行。 由于双向电位钳制电路2的存在，无论运放输出的方波幅度多大，都会被强制钳位于-0.7V——3.2V，从而确保单片机数字电路的安全稳定可靠运行。
A． 单向钳位电路 运算放大器开环增益极高(至少100db),将运算放大器配置为过零比较器。过零比较器将单片机输出的低电平转换为-10V输出，单片机输出的高电平 转换为10V。J型场效应管，0V漏源导通，负压漏源断开。-10V电平距离K30A场效应管极限值还有比较大的预留空间且这儿对管子的关断效果要求比较高，故没有对负电压钳位的必要。10V电压加在场效应管栅极，会使管子反向击穿。二极管的单向导通特性，可以保证单片机输出高电平时，将运放的输出电压强制钳位于0V状态。 2.3数模接口电路 (1) 电源模块
本系统利用外部稳压源供电，电源已经具有比较高质量。对于电源部分，电只用简单的加滤波稳压电容，滤除线路传输过程中引入的噪声即可。 (2)自动控制电路 MSP430单片机作为本作品的自动控制电路。MSP430定时器A的外部捕获，即可准确的测出，输入信号与输出信号的相位差，通过单片机的IO口输出控制信号，通过反馈回路最终即可实现频率跟随的目的。 2.4.硬件设计注意事项 （1）J型场效应管的栅极与漏极或栅极与源极之间并联一个电容和电阻，保证电 子开关有合理的充放电时间。 （2）双向钳位电路的使用，有效的保证了电路安全运行。 （3）高频信号不好处理，易受外界干扰，精准的探头且尽量使元件紧靠，减小焊接的面积。 2.5.软件设计 （1）、程序流程图
三. 测试数据与结果分析 3.1. 测试仪器 （1）ATW9205L型万用表 （2）DS5022M型数字示波器 （3）TFG1005 型DDS信号发生器 (4) DH1718D2型双路跟踪稳压稳流电源 3.2.误差分析 (1) 独石电容的精确度很差，实际值与表面标号相差很大，这就导致了5路电容的并联组合不能按严格二进制的形式递增，这样对于某些频率相位差总会存在，不能为0. (2)过零比较器将正弦波转为方波时会存在延迟现象，输入信号越小,延迟现象越明显.所以这里有因比较器输出延迟而产生的误差。 3.3.测试方法 通过DDS信号发生器，产生一个频率范围为 3500Hz——2400Hz信号，通过示波器观测，系统是否最终是输入信号和输出信号的相位差为0. 3.4 相关测试数据
3.5.改进方法 用msp430驱动12864显示不能体现出低功耗的优点，所以程序设计部分有待改进。 四.总结 本次实验电路结构不是很复杂，主要是对元件参数的要求比较髙。在通过对参数设计选取后，若不注意元件实际的参数，就会使滤波部分很难起作用，输出波形也会有误差。在电路设计时，深刻体会到考虑元件、芯片工作性能与参数以及模数结合方法的重要性，这直接影响电路精度与技术指标。虽然在设计与制作中遇到了问题，但通过团队的协作和努力，我们终于克服了困难、解决了问题。经过这次实际制作，我们在电路的设计、调试方面得到了很好锻炼，同时也深刻的体会到实践是理论的最好检验的道理，懂得了团队协作的重要性，更重要的是提高了我们分析问题、解决问题的能力。 参考文献 【1】 康华光,陈大钦,张林.电子技术基础模拟部分.第五版.北京:高等教育出版社,2006. 【2】 严国萍，龙占超.通信电子线路.第一版. 北京:科学出版社，2006. 【3】 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.第三版.北京:高等教育出版社,2001 【4】 (美)霍罗威茨(Horowitz P.)等著,吴利民译 .电子学.第二版.北京:电子工业出版社,2005.
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