多功能金屬探測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)

（2）基準(zhǔn)頻率電路

基準(zhǔn)頻率電路采用有源晶振進(jìn)行分頻得到，此處晶振選用頻率為32.768KHz的5V供電的TTL電平，經(jīng)過CD4060進(jìn)行32分頻后得到1.024KHz的基準(zhǔn)信號(hào)。

（3）差頻電路

感應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行差頻處理，得到差頻信號(hào)，這個(gè)功能采用如下方法實(shí)現(xiàn)：兩路信號(hào)作為異或門的兩個(gè)輸入端，異或門輸出是包含著兩種頻率成分的信號(hào)，分別為感應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的和頻分量與差頻分量，通過對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波，即得到所需要的差頻分量。

當(dāng)感應(yīng)探頭附近沒有金屬物體的時(shí)候，差頻信號(hào)約為10Hz左右，為了提高信號(hào)的靈敏度，將差頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻處理。通過將差頻信號(hào)經(jīng)過PLL進(jìn)行100倍頻后，輸出信號(hào)頻率在1000Hz左右變化。

（4）頻率測(cè)量電路

頻率測(cè)量是本系統(tǒng)的核心部分之一，頻率測(cè)量的方法有很多：測(cè)周期法主要針對(duì)低頻的，脈沖計(jì)數(shù)法則主要針對(duì)高頻的。因此，這兩種方法在應(yīng)用的過程中都有一定的局限性。本系統(tǒng)采用的是等精度測(cè)頻：利用AVR單片機(jī)與CPLD相結(jié)合進(jìn)行頻率測(cè)量，具有測(cè)頻精度高、范圍寬的特點(diǎn)，并且測(cè)量的精度與待測(cè)信號(hào)無關(guān)，只與基準(zhǔn)頻率有關(guān)。

本系統(tǒng)中，AVR控制CPLD對(duì)待測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過LCD進(jìn)行顯示。為了使用戶操作本系統(tǒng)時(shí)更加的方便，編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的菜單程序，通過3×5鍵盤對(duì)相應(yīng)的菜單項(xiàng)進(jìn)行操作，完成相應(yīng)的功能。

頻率測(cè)量一般都是由計(jì)數(shù)器和定時(shí)器完成，將兩個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器一個(gè)設(shè)置為定時(shí)器，另一個(gè)設(shè)置為計(jì)數(shù)器，定時(shí)時(shí)間到后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中處理結(jié)果，求出頻率。這種方法雖然測(cè)量范圍較寬，但由于存在軟件延時(shí)，盡管在高頻段能達(dá)到較高的精度，而低頻段的測(cè)量精度較低。所以利用單片機(jī)測(cè)頻時(shí)，如果選擇不好的測(cè)量方法，可能會(huì)引起很大的誤差。測(cè)量頻率時(shí)，如果不是真正依靠硬件控制計(jì)數(shù)或定時(shí)，而是由軟件查詢或中斷響應(yīng)后再停止計(jì)數(shù)，雖然理論上能達(dá)到很高的精度，但實(shí)際測(cè)量中由于單片機(jī)響應(yīng)有一定的時(shí)間延遲，難以做到精確測(cè)量。因此，本系統(tǒng)擬采用等精度測(cè)頻發(fā)來實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。

等精度測(cè)頻工作原理：

等精度頻率測(cè)量用被測(cè)信號(hào)的多周期而不是單周期作門控信號(hào)；門控信號(hào)周期數(shù)可根據(jù)被測(cè)頻率的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)，使計(jì)數(shù)值N保持不變，從而實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。

預(yù)置門控信號(hào)是寬度為T的一個(gè)脈沖，Counterl和Counter2是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從Counter1的時(shí)鐘輸入端CLK輸入，其頻率為Fs；經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)從Counter2的時(shí)鐘輸入端CLK輸入，設(shè)其實(shí)際頻率為Fxe，測(cè)量頻率為Fx。

當(dāng)預(yù)置門控信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)整形后的被測(cè)信號(hào)的上沿通過D觸發(fā)器的Q端同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器Counter1和Counter2。Counter1、Counter2分別對(duì)被測(cè)信號(hào)(頻率為Fx)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)(頻率為Fs)同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為低電平時(shí)，隨后而至的被測(cè)信號(hào)的上沿將使這兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉，時(shí)序圖如圖3所示。設(shè)在一次預(yù)置門時(shí)間T中對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns，則下式成立：

Fx/Nx=Fy/Ny Fx=(Fy/Ny)*Nx

本系統(tǒng)利用AVR單片機(jī)與CPLD相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻，具有測(cè)頻精度高，范圍寬的特點(diǎn)，并且測(cè)量的精度與待測(cè)信號(hào)無關(guān)，只與基準(zhǔn)頻率有關(guān)。