数字频率计设计(PCB图+电路图+源程序) 第5页

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共端，所以是集电极电路，因从发射极输出，所以叫射极输出器，它具有高输入电阻和低输出电阻的特点。因为输入电阻高，它常被用作多级放大电路的输入级，这对高内阻的信号源更有意义。如果信号源的内阻较高，而它接一个低输入电阻的共发射极放大电路，那么，信号电压主要降在信号源本身的内阻上，分到放大电路输入端的电压就很小。又如测量仪器里的放大电路要求有高的输入电阻，以减少输入信号的损耗，同时减小仪器接入时对被测电路产生的影响，从而提高测量的准确性，就会用射极输出器作为输入级。另外，如果放大电路的输出电阻较低，则当负载接入后或当负载增大时，输出电压的下降就较小，或者说它带负载的能力较强。所以射极输出器也常用作多级放大电路的输出级。有时还将设计输出器接在两级共发射极放大电路之间，则对前级放大电路而言，它的高输入电阻对前级的影响甚小；而对后级放大电路而言，由于它的输出电阻低，正好与输入电阻低的共发射极电路相配合，这就是射极输出器的阻抗变换作用。由此可见，虽然射极输出器本身的电压放大倍数较小，但接入多级放大电路后（作为输入级、输出级或中间级），使放大电路的的工作得到了改善。因此在这个数字频率计的设计当中就用到了射极输出器来提高输入阻抗。
C11，R14，R15，C13，Q3组成共射放大器，用来放大前级提供的微弱信号。下面来介绍一下共发射极放大电路的一般组成。如图3-4（a）是共射极极交流放大电路，（b）图是共射极直流放大电路。在图3-4（a）中的共发射极交流基本放大电路中，输入端接低频交流电压信号 （如音频信号，频率为20Hz~20KHz）。输出端接负载电阻RL（可能是小功率的扬声器，
微型继电器、或者接下一级放大电路等），输出电压用 表示。电路中各元件作用如下：
图3-4 共发射交流放大
1．集电极电源VCC是放大电路的能源，为输出信号提供能量，并保证发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，使晶体管工作在放大区。VCC取值一般为几伏到几十伏。
2．晶体管T是放大电路的核心元件。利用晶体管在放大区的电流控制作用，即 = β 的电流放大作用，将微弱的电信号进行放大。
3．集电极电阻RC是晶体管的集电极负载电阻，它将集电极电流的变化转换为电压的变化，实现电路的电压放大作用。RC一般为几千到几十千欧。
4．基极电阻RB以保证工作在放大状态。改变RB使晶体管有合适的静态工作点。RB一般取几十千欧到几百千欧。
5．耦合电容C1、C2起隔直流通交流的作用。在信号频率范围内，认为容抗近似为零。所以分析电路时，在直流通路中电容视为开路，在交流通路中电容视为短路。C1、C2一般为十几微法到几十微法的有极性的电解电容。
另外，经查阅资料，共射极放大电路有如下的特点：
(1) 无输入信号时，晶体管的电压、电流都是直流分量。有输入信号后， 、 、
都在原来静态值的基础上叠加了一个交流分量。虽然 、 、 的瞬时值是变化
的，但它们的方向始终不变，即均是脉动直流量。
(2) 输出 与输入 频率相同，且幅度 比 大的多。
(3) 电流 、 与输入 同相，输出电压 与输入 反相，即共发射极放大电路具有“倒相”作用。
图3-2中，在三极管Q3的集电极与基极之间接有电阻R14，它是联系放大电路的输出电路和输入电路的一个反馈电阻，实现的是交流负反馈的作用。
L1，C12在这里用做滤波电路。滤除高频干扰，为放大器提供稳定电源。

3.2.2  信号输入2通道电路
信号输入2通道电路的前面部分同信号输入1通道电路完全相同，在这里就不再重复了，唯一不同的是多了一个可编程分频电路。因此在这里主要讲一下这个可编程分频电路。在这个可编程分频电路里有一个分频器，首先要了解一下分频器是做什么用的。 由于现在的音箱几乎都采用多单元分频段重放的设计方式，所以必须有一种装置，能够将功放送来的全频带音乐信号按需要划分为高音、低音输出或者高音、中音、低音输出，才能跟相应的喇叭单元连接，分频器就是这样的装置。如果把全频带信号不加分配地直接送入高、中、低音单元中去，在单元频响范围之外的那部分 “多余信号”会对正常频带内的信号还原产生不利影响，甚至可能使高音、中音单元损坏。 从电路结构来看，分频器本质上是由电容器和电感线圈构成的LC滤波网络，高音通道是高通滤波器，它只让高频信号通过而阻此低频信号；低音通道正好想反，它只让低音通过而阻此高频信号；中音通道则是一个带通滤波器，除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过，高频成份和低频成份都将被阻止。在实际的分频器中，有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异，还要加入衰减电阻；另外，有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络，其目的是使音箱的阻抗曲线平坦一些，以便于功放驱动。这是分频器在音箱上的应用，之所以要用音箱的例子来说明分频器的应用，是因为音箱对大家来说都十分熟悉，讲解起来也更容易理解。
在频率计信号输入2通道的电路中，信号经过前两级的放大，被送到MB501这个分频电路中，通过改变MB501引脚的接法，可以改变分频比，有256、128、64三种分频比，最高工作频率为2.0GHz。改变2脚和6脚的接法可以得到不同的分频比。本电路接法是64分频，由于MB501自带放大、整形电路，故应用电路极为简单。由3脚控制其是否接入电路，当MB501的8脚为+5V时，分频器工作。AT89C51的10脚可以判断信号输入2通道电路的工作情况，从而来分辨信号输入端输入的是否是>50MHz的信号。
3.3  开关电路
图3-5 开关电路图
图3-5为开关电路，分频后的信号从MB501（4脚）输出。经过C14隔直后送到与非门74HC00的10脚，也就是U4C。这个门在这里当开关兼整形作用。当J2接通其1脚的时候（也就是当J2接通9脚的时候），这时门U4C打开。信号便能从10脚输入到8脚。这里的三个门U4B、U4C、U4D是起到一个开关作用。信号从U4D的11脚输出，到达电子开关U4A的1脚，再从U4A的3脚输出送到分频 74HC393；经过74HC393的256分频，最后送到AT89C51的INT0口。
3.4  计数电路
该频率计的计数电路是利用外扩的计数器74HC393和单片机AT89C51 内含的16 位计数器来构成多位计数器分别对待测信号计数的。在这里，将对待测信号计数的外部扩展的计数器74HC393的8脚引到AT89C51 的T0端，再利用AT89C51 的内部计数器即可构成多位计数器。将AT89C51 的定时器/ 计数器设置为16 位的计数方式可构成24 位的计数器，若利用T0 定时器计数溢出中断还可构成总共32 位或32 位以上的计数器，可视具体场合而定，在这里就不多讲了。图3-6为本频率计的计数电路。
 图3-6 计数电路图
本课题的数字频率计的计数电路的工作原理如下：计数一般是有时间的，取一段时间内脉冲的个数。比如1s。第一步先把AT89C51的12脚置0，再把13脚置1（这里的置1时间为1s，这里也就是采样的时间），打开电子开关。然后数据被送到74HC393分频，分频后的信号送到14脚T0口进行内部计数。时间到了1s就关闭电子开关，也就是把12脚 INT0置0，13脚INT1置0 单片机内部的计数器停止计数，继而对这段时间内脉冲个数进行保存。再读取,P0、P2口的状态，再把这数据和以前计数的数据相加，得到很精确的频率，再把这频率数据转换，送到LCD显示。然后89C51的13脚置1清除现有的数据信号，进行下一次数据采集。
在频率计的计数过程当中，如何实现1s 的定时时间是一个关键。一般思路是利用AT89C51 本身的定时器的软件中断来实现1s 的定时。此种方法由于要达到1s 的定时，必须用AT89C51 的定时中断的多次中断来实现。若每次软件定时50ms，则需20 次中断才能达到1s。由于定时器的软件中断响应会存在延时，而且还会随着AT89C51 外部晶振频率的不同而不同，因此用软件中断很难调整到确定的1s 定时时间。并且由于内部定时器的计数频率是经过晶振频率的十二分频以后得到的，因此也很难达到所需的精度。下面介绍用硬件来实现定时的方法，用硬件来实现定时的硬件电路可将待测信号输入换成标准信号输入即可，本设计中为晶振输入。因此在整个频率计的设计中需用两片74HC393 来计数。硬件实现定时的方法是对标准信号，如晶振产生的时钟信号，用外部扩展的计数器74HC393和AT89C51 内部的计数器共同对其计数来实现。将用于对标准信号计数的外部扩展计数器74HC393的最高位引到AT89C51 的T0 端， 利用AT89C51 单片机的T0口计数溢出中断可以实现对标准信号的计数和定时。若采用10MHz 晶振，要实现1s 定时，可用外部扩展的计数器和AT89C51 内部计数器构成的整个计数器计数，当其计数到10 兆个数后利用T0口的计数器计数溢出中断来实现定时即可。要使用于定时的计数器达到10 兆个计数，仅需对AT89C51 的T0计数器设置计数初始值。同理,要实现0. 01s、0. 1s 和10s的定时，也仅需设置用于定时的标准计数器的初始值，这可用软件来设定。

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