谐振频率跟踪系统

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1、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一、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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来滤波，会使波形效果更好。三、系统软件设计程序流程图如图3.1所示：图3.1程序流程图四、测试结果和分析1.测试仪