三角波信號(hào)參數(shù)分析儀

1、TITITI 校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽- - -簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀1目目目目 錄錄錄錄 一一 總體方總體方案案11.總體設(shè)計(jì)框圖2.方案論證與比較二理論分析與計(jì)算二理論分析與計(jì)算21.頻率測(cè)量理論誤差分析2.三角波斜率變換測(cè)量理論以及 pwm 調(diào)制輸出四主要電路設(shè)計(jì)四主要電路設(shè)計(jì).32 1.三角波幅值測(cè)量電路2.三角波方波變換電路3.斜率脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路五軟件設(shè)計(jì)流程五軟件設(shè)計(jì)流程.141.軟件流程介紹2.軟件流程圖六系統(tǒng)測(cè)試與誤差分六系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析析.151.測(cè)量?jī)x器與環(huán)境2.測(cè)量數(shù)據(jù)3.誤差分析七經(jīng)驗(yàn)和心得七經(jīng)驗(yàn)和心得.16八

2、參考文獻(xiàn)八參考文獻(xiàn).16 TITITI 校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽- - -簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀2簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀電子科技大學(xué)電子科技大學(xué) 白云碎了白云碎了【摘要摘要】本系統(tǒng)采用 SOC 單片機(jī) C8051F020 為數(shù)據(jù)處理核心，以波形變換、PWM 脈沖寬度調(diào)制為測(cè)量前端處理思想，由三角波波形發(fā)生、三角波方波轉(zhuǎn)換、頻率測(cè)量、幅度測(cè)量、液晶顯示部分組成。系統(tǒng)使用 T 法并引用等精度的思路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的測(cè)量。前端通過(guò)比較器構(gòu)成的峰值檢波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)幅度的測(cè)量。斜率的測(cè)量則采用將三角波變換為一定占空比的方波，再采

3、用 PWM脈沖寬度調(diào)制輸出一定的電壓值，從而將三角波斜率轉(zhuǎn)化為不同的電壓值來(lái)測(cè)量。整體系統(tǒng)架構(gòu)集中在單片機(jī)和模擬前端上實(shí)現(xiàn)了題目要求的各種功能?！娟P(guān)鍵詞鍵詞】C8051F020 波形變換 等精度測(cè)頻 脈沖寬度調(diào)制【Abstract】The system uses a C8051F020 single chip SOC for core data processing to waveform transformation, PWM pulse width modulation for the measurement of front-end thinking, by the occurrence

4、 of triangular waveform, the triangular wave - square wave conversion, frequency measurement, magnitude measurement, liquid crystal display components. T system, such as law and invoked the idea of accuracy to achieve the measurement of frequency. Front-end device by comparing the composition of the

5、 peak detector circuit of the measurement range. Measurement of the slope of the triangular wave is used to transform the square wave for a certain duty cycle, and then the use of pulse width modulation PWM output a certain voltage value, thus the slope of the triangular wave voltage into a differen

6、t value to measure. The overall system architecture on the MCU and analog front-end to achieve the title of various functions required by.【Keywords】C8051F020 Waveform Transform equalprecision measurement Pulse width modulation一、一、 總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)1.1. 總體設(shè)計(jì)框圖總體設(shè)計(jì)框圖TITITI 校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽- - -簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)

7、易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀3三角波發(fā)生電路三角波方波轉(zhuǎn)換電路頻率測(cè)量C8051F020 單片機(jī)斜率占空比轉(zhuǎn)換電路PWM 調(diào)制直流輸出(幅度測(cè)量)三角波幅度檢波電路幅度測(cè)量電路液晶顯示 圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2.2. 方案論證與比較方案論證與比較1)1) 三角波發(fā)生三角波發(fā)生方案一：使用模擬運(yùn)放典型的三角波產(chǎn)生電路原理是將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在積分運(yùn)算電路的輸出就得到三角波電壓，在實(shí)用電路中，將方波發(fā)生電路中的 RC 充、放電回路用積分運(yùn)算電路來(lái)取代，滯回比較器和積分電路的輸出互為另一個(gè)電路的輸入，滯回比較器輸出為方波，經(jīng)積分運(yùn)算電路后變換為三角波。方案二：使用 M

8、AX038MAX038 是一種高頻精密函數(shù)發(fā)生器 ,它可以使用最少外部元件而產(chǎn)生三角波、 正弦波、方波。占空比和頻率獨(dú)立可調(diào)，輸出頻率范圍為 0. 1Hz20MHz ，占空比調(diào)節(jié)范圍為 10%90%。由于本題目三角波的頻率動(dòng)態(tài)范圍較大（1K300K） ，如果用方案一則對(duì)積分器要求較高，頻率穩(wěn)定度很難做高且電路較復(fù)雜工作量大。2)2) 頻率測(cè)量頻率測(cè)量方案一：使用 FPGA 進(jìn)行計(jì)頻，使用等精度測(cè)頻的思路，來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量，這種方式測(cè)量頻率準(zhǔn)確。不過(guò)對(duì)于此題的指標(biāo)來(lái)說(shuō)，使用 FPGA 使得系統(tǒng)構(gòu)架整體在數(shù)字電路上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)更龐大昂貴，沒(méi)有必要。方案二：利用 T 法測(cè)頻的思想，使用單位時(shí)間內(nèi)數(shù)脈沖數(shù)

9、方法，并且時(shí)間間隔以信號(hào)下降沿觸發(fā)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方式運(yùn)用了等精度測(cè)量的思想，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，很容易移植在各種單片機(jī)上。3)3) 幅度測(cè)量幅度測(cè)量方案一：使用高速比較器結(jié)合峰值檢波的方式來(lái)得到三角波分峰值，利用C8051 單片機(jī)的內(nèi)部 AD 直接測(cè)量。方案二：使用 FPGA 結(jié)合內(nèi)部 AD 進(jìn)行采集三角波信號(hào)，然后通過(guò)最小二乘擬合計(jì)算來(lái)恢復(fù)三角波的波形，來(lái)計(jì)算三角波的幅值。4)4) 斜率測(cè)量斜率測(cè)量方案一：采用高速 AD 高速采樣方式或者低速 AD 等效采樣的方式來(lái)對(duì)三角波進(jìn)行波形采樣，然后使用最小二乘法進(jìn)行波形恢復(fù)，高速 AD 可以使用 FPGA 來(lái)控制。這種方式比較直接簡(jiǎn)單，但是高速 AD

10、價(jià)格比較高，等效采樣的精確不利于TITITI 校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽- - -簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀4提高系統(tǒng)總體性價(jià)比。方案二：使用 PWM 解調(diào)的思路，先將三角波整形為方波，后面使用低通濾波器解調(diào)出一定幅度的直流波形，對(duì)直流的幅度進(jìn)行測(cè)量即可得到三角波的斜率。最終選擇方案：最終選擇方案：本題如果使用 FPGA 可以達(dá)到比較優(yōu)異的指標(biāo)，然而電子設(shè)計(jì)大賽貴在對(duì)基本電路的認(rèn)識(shí)和理解，F(xiàn)PGA 和高速 AD 也會(huì)使得系統(tǒng)整體造價(jià)上升。故綜上，我們選擇使用傳統(tǒng)的單片機(jī)+模擬電路的信號(hào)變換的手段，而且也能很好地達(dá)到題目要求指標(biāo)。所以選擇利用單片

11、機(jī)測(cè)量頻率，峰值檢波獲得三角波的幅值，斜率測(cè)量則利用三角波斜率到方波占空比的變換，再利用 PWM 調(diào)制的思路，利用低通濾波器來(lái)獲得定量的直流電壓，最后使用單片機(jī)一定計(jì)算來(lái)得到三角波斜率。三角波發(fā)生模塊由于是一個(gè)測(cè)試的前端，用芯片 MAX038 即可方便實(shí)現(xiàn)。二、理論分析與計(jì)算二、理論分析與計(jì)算1.1.頻率測(cè)量頻率測(cè)量單片機(jī) T 法測(cè)頻：測(cè)量固定數(shù)目脈沖的時(shí)間，將脈沖數(shù)處以時(shí)間即為所測(cè)頻率。為了防止漏掉脈沖，系統(tǒng)吸收了等精度測(cè)頻的思想，以脈沖下降沿觸發(fā)從而計(jì)數(shù)脈沖以消去第一個(gè)脈沖的不確定起始時(shí)間。測(cè)量 N 個(gè)脈沖數(shù)以后觸發(fā)計(jì)數(shù)器停止工作。頻率計(jì)算公式推導(dǎo)： （1）TpulsemVNF （2）TN

12、TFTV 式中：為計(jì)時(shí)器 T 的定時(shí)時(shí)間，為測(cè)量得到的脈沖數(shù)，為測(cè)量對(duì)TVpulseNmF象的頻率，為程序中定時(shí)器的定時(shí)全局變量，為定時(shí)器的記時(shí)頻率。記時(shí)NTTF頻率為系統(tǒng)時(shí)鐘在本程序中即等于外部晶振頻率。在本系統(tǒng)中，使用的晶振為22.1184MHz，誤差范圍在 50PPM100PPM 之間，若不采用等精度測(cè)量的思路（會(huì)漏掉一個(gè)脈沖數(shù)） ，則忽略晶振誤差（在此我們一個(gè)測(cè)量周期的脈沖數(shù)為1000 來(lái)算） ，最大理論誤差:（3）%10. 0%1001000/11000/1999/1在此若用脈沖觸發(fā)來(lái)開(kāi)始計(jì)數(shù)，則誤差主要來(lái)源為單片機(jī)程序中不可避免的程序操作時(shí)延和中斷時(shí)延造成，如果忽略這部分誤差，系統(tǒng)

13、測(cè)頻的誤差為晶振誤差（按最大 100 10）引起。為了抵消這部分操作延時(shí)，在程序中進(jìn)行了補(bǔ)6償。也就是說(shuō)單片機(jī) T 法測(cè)頻的最大理論誤差（忽略中斷程序延時(shí)）為：1000（100 10）/10000.00045%（4）610 22.118416這個(gè)誤差完全可以忽略，所以誤差來(lái)源基本上時(shí)操作延時(shí)誤差和計(jì)算時(shí)的截?cái)嗾`差。操作延時(shí)在匯編中進(jìn)行觀察，并在程序的計(jì)數(shù)時(shí)間中進(jìn)行補(bǔ)償，可以基TITITI 校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽- - -簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀5本抵消。最后程序測(cè)試單脈沖測(cè)量在 0.1%以下，已經(jīng)滿足題目要求。三、主要電路設(shè)計(jì)三、主要電路

14、設(shè)計(jì)1.1.三角波幅度測(cè)量電路三角波幅度測(cè)量電路峰值檢測(cè)電路（PKD，Peak Detector）的作用是對(duì)輸入信號(hào)的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出 Vo = Vpeak，為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出值會(huì)一直保持，直到一個(gè)新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。本題的峰值檢測(cè)電路如圖 2： 圖 2 三角波峰值檢測(cè)電路3.3. 三角波斜率測(cè)量的波形變換三角波斜率測(cè)量的波形變換此模塊的主要功能是將三角波的占空比轉(zhuǎn)換成方波的占空比，其原理是利用已檢測(cè)出來(lái)的峰值經(jīng)過(guò)電位器分壓（分壓比 4/5 左右）后，與輸入三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生正峰值脈沖，同理將三角波峰值反向后與輸入三角波進(jìn)行比較，則產(chǎn)生負(fù)峰值脈，在講兩個(gè)峰值脈沖相或

15、，產(chǎn)生峰值脈沖，最后通過(guò) D 觸發(fā)器產(chǎn)生與三角波占空比相同的方波，電路圖如圖 1： 圖 3 三角波斜率方波占空比變換電路信號(hào)流圖如圖 4：TITITI 校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽- - -簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀6圖 4 信號(hào)流圖4.PWM4.PWM 脈沖調(diào)制電路脈沖調(diào)制電路PWM 脈沖調(diào)制電路是將方波占空比轉(zhuǎn)化成直流電平，便于測(cè)量。電路圖如圖 3，串聯(lián)電感 L1 和并聯(lián)電容 C1 形成一個(gè)低通濾波器該濾波器用來(lái)恢復(fù)方波的直流放量，二極管D1 用來(lái)一直有電感產(chǎn)生的瞬時(shí)負(fù)電壓，稱(chēng)這個(gè)二極管為捕捉器二極管或續(xù)流二極管。圖 6 低通濾波電路四、軟件

16、流程四、軟件流程測(cè)量頻率按鍵狀態(tài)改變？變？改變測(cè)量模式測(cè)量電壓顯示數(shù)據(jù)測(cè)量占空比比比檢查按鍵，改變按鍵狀態(tài)開(kāi)始TITITI 校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽校內(nèi)選撥賽- - -簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀簡(jiǎn)易三角波信號(hào)參數(shù)分析儀7圖 6 軟件流程圖五、系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析五、系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析1.1.測(cè)試儀器與環(huán)境測(cè)試儀器與環(huán)境Textronics 示波器一臺(tái)F40DDS 信號(hào)源一臺(tái)SP1643B 信號(hào)源一臺(tái)地點(diǎn)：電子科技大學(xué)科研 A3042.2.測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)三角波幅度測(cè)量：測(cè)量方法： 頻率（HZ）幅度標(biāo)準(zhǔn)值400Hz1000Hz100KHz300KHz標(biāo)準(zhǔn)值 500mv標(biāo)準(zhǔn)值 1V標(biāo)準(zhǔn)值 5V三角波頻率測(cè)量測(cè)量方法：三角波斜率測(cè)量測(cè)量方法：其他數(shù)據(jù)如方波幅度測(cè)量結(jié)果，圖形顯示三角波結(jié)果，由于篇幅原因，放在附錄。在題目要求的各個(gè)方面系統(tǒng)都達(dá)到了很好的指標(biāo)。擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)：1. 正弦波幅度，頻率測(cè)量，圖像顯示結(jié)果