谐振频率跟踪系统.doc

谐振频率跟踪系统
摘要：本系统以LC并联谐振电路为调整谐振频率的核心，以msp430单片机为控制核心，并辅以场效应管，门限比较器，过零比较器等外围电路，设计完成了谐振频率跟踪系统。系统主要通过过零比较器得到不同相位的方波信号，由msp430单片机的输入捕获单元获得相位差，进而来控制门限比较器，改变并入LC并联谐振电路的电容。并入的电容的大小由5位二进制开关量来控制，形成了一个闭环反馈系统，从而可以精确的跟随谐振频率。
关键词：LC并联谐振电路msp430单片机谐振频率门限比较器

系统方案设计与论证
1.1相位比较部分方案论证和选择
方案一：采用LM324运放，其转换速度比较慢，会影响输出相位差。
方案二：采用LM084运放，其转换速度快，使得输入430单片机的相位差跟准确，从而使谐振频率更准确。
因此，我们采用方案二。
1.2场效应管方案论证和选择
因为场效应管的原极和漏极是不用区分的，使用起来比较方便。所以这里我们选择了场效应管。
1.3单片机供电的方案论证和选择
方案一：直接用3.3V电源供电。
方案二：由给运放供电的10V电源通过转2.5V三端稳压器和4.7K的电阻串联供电，一方面，可以在整个系统只用一个10V电压源供电，节省电压源。另一方面，可以使msp430单片机的输入端电压约为2.5V+0.7V=3.3V，不会太大而烧坏单片机。
因此，我们选择方案二。电路图如图1.1所示

图1.1单片机模块供电原理图

二、理论分析计算和功能电路设计
2.1、谐振频率跟踪系统的原理及其方框图
原理：LC并联谐振电路通过LC两端输出电压Uo和信号源电压Ui的相位不同，控制430单片机反馈调节并入LC并联谐振电路电容的大小，从而达到跟踪谐振频率的目的。
系统框图如图2.1所示：
图2.1系统框图
2.2、相位比较部分的设计
输入信号电压与LC两端电压分别通过LM084运放产生两路相位不同的方波，我们可以根据这两路方波的相位差来谐振频率是否跟踪到输入信号的的频率。
运放的输入电压也不宜过大，在此我们选择三极管的基极和发射机（电压较4148稍大）来组成双向钳位电路，并用4.7K电阻分压，使运放的输入端电压约为+/-0.7V，使运放不至于烧坏。电路图如图2.2所示：

图2.2相位比较及保护电路图

2.3、并联电容C的开/关选择部分的设计
通过控制门限比较器来控制场效应管的通、断。当门限比较器的输入为低电平时，其输出就是正，此时二极管反向接入，场效应管的栅极为0，场效应管导通，对应的电容接入电路；当门限比较器的输入为高电平时，其输出就是负，二极管导通，场效应管的栅极为负电压，场效应管截至，对应的电容不接入电路。
5个电容按照2进制的比例增加，依次取5.6nF,11nF,22nF,44nF,88nF。这样就可以组成32种可调电容。
电路图如图2.3所示：

图2.3并联电容C的开/关选择电路
2.4、LC并联谐振电路设计
谐振频率f0=1/（2π），若输出Uo相位超前，说明并入谐振电路的电容取大了，单片机会控制并联电容C的开、关选择电路部分，一级一级的减小接入谐振电路的电容。若输出Uo相位滞后，说明并入谐振电路的电容取小了，单片机会控制并联电容C的开、关选择电路部分，一级一级的增加接入谐振电路的电容。最终使得LC并联谐振电路的谐振频率基本等于输入信号的频率。达到谐振频率跟随的效果。
这部分电路要保证Uop≈0.2V，因为当Uop超过0.4V时，场效应管会反向击穿。令所有电子开关分别导通，关断，调整电阻R值，使UoP≈0.2V。得到R=11.5K。
电路图如图2.4所示：
计算最大截至频率和最小截至频率：
所有电子开关关断，计算出LC回路的fH=3700Hz。
所有电子开关导通，计算出LC回路的fL=2700Hz。

图2.4LC并联谐振电路
2.5、单片机控制模块的设计
通过MSP430单片机的输入捕获单元得到相位差，根据相位差的大小判断出相位是超前还是滞后，再由输出端控制使相应的电容接通或断开，来改变并入LC并联谐振电路的电容，从而达到谐振频率跟随的目的。
由于相位比较部分输出的电压是运放正负电源的值-10V和+10V,远远超出了单片机安全工作电压，因此，这里我们用4.7ko的电阻来分压，并且还用到了4148二极管双向钳位电路来保证单片机工作在安全电压范围内。当相位比较部分输出电压为电源正电压+10V时，双向钳位电路就会将输入到单片机端的电压钳制为2.5V+0.7V=3.3V。当相位比较部分输出电压为电源负电压-10V时，双向钳位电路就会将输入到单片机端的电压钳制为-0.7V。使单片机不至于烧坏。
电路图如图2.5所示

图2.5单片机及保护电路图
2.6、电源滤波
为了使输出波形更加稳定，我们在电源附近都加上两个电容