簡(jiǎn)易信號(hào)測(cè)量?jī)x論

1、.簡(jiǎn)易信號(hào)測(cè)量?jī)x（C1題） 摘 要本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量頻率、周期、脈寬、占空比、峰峰值的簡(jiǎn)易信號(hào)測(cè)量?jī)x，其中還可分辯正弦波與方波，利用單片機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，結(jié)合部分中規(guī)模數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)測(cè)量中的功能自動(dòng)切換。各項(xiàng)實(shí)測(cè)表明，設(shè)計(jì)原理正確合理，指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。Abstract A simple signal instrument base on a microcontroller can measure frequency, period, pulse width , duty cycle and Vpp, and can differentiate sine wave f

2、rom square wave .By taking full use of the microcontroller and by combining some middle scale IC, can switch automatically among different function. The test shown that the theory is correct and reasonable, and index satisfy the requirement of design. 一、 方案比較及論證1、 方案比較方案一：系統(tǒng)測(cè)頻部分采用中小規(guī)模數(shù)字集成電路，對(duì)輸入信號(hào)作分頻

3、整形處理后，再與1s脈寬的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相與，其輸出作為計(jì)數(shù)脈沖，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，然后鎖存、譯碼輸出到數(shù)碼管顯示。該方案的特點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)單，但工作速度低，精度差，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且不能測(cè)量周期與占空比。方案二：系統(tǒng)采用可編程邏輯器件作為信號(hào)處理及系統(tǒng)控制核心，完成包括計(jì)數(shù)、門控、顯示等一系列工作。該方案集成度高，但可編程邏輯器件價(jià)格較高，在本題中使用，將導(dǎo)致系統(tǒng)性能價(jià)格比降低。方案三：系統(tǒng)采用MCS-51單片機(jī)AT89C52作為控制核心，由于單片機(jī)自帶計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率上限較低，輸入時(shí)鐘的頻率通常只能是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的幾分之一甚至幾十分之一，因此采用外部計(jì)數(shù)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值再由單片機(jī)讀取

4、，單片機(jī)只完成運(yùn)算、控制及顯示功能。該方案由于采用單片機(jī)技術(shù)，使其具有智能化的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了硬件電路， 提高了測(cè)量精度， 同時(shí)也能利用軟件對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展與改進(jìn)。2、 方案確定分析以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案三具有更大的優(yōu)越性、靈活性，因此我們采用方案三作為具體實(shí)施的方案。二、 基本測(cè)量原理1、 頻率、周期測(cè)量頻率的測(cè)量按照頻率的定義進(jìn)行：在某個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔T（如1s）內(nèi)，測(cè)出被測(cè)信號(hào)重復(fù)的次數(shù)N，f=N/T就是信號(hào)頻率?；驹砜驁D如圖1所示放大整形時(shí)間閘門計(jì)數(shù)器譯碼顯示門控信號(hào)晶振分頻電路被測(cè)信號(hào)圖中晶振提供測(cè)量的時(shí)間基準(zhǔn)，經(jīng)分頻后產(chǎn)生準(zhǔn)確地時(shí)間間隔T，作

5、為門控信號(hào)去開啟與關(guān)閉時(shí)間閘門。閘門開啟時(shí)，被測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形后，進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，閘門關(guān)閉時(shí)，停止計(jì)數(shù)。若在時(shí)間間隔T內(nèi)，計(jì)數(shù)值為N，則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。 由于單片機(jī)具有程序運(yùn)算功能，且頻率為周期的倒數(shù)，測(cè)的頻率值，即可通過運(yùn)算得到周期數(shù)。2、 脈寬測(cè)量 測(cè)量電路在檢測(cè)到脈沖的上升沿時(shí)打開計(jì)數(shù)器，在下降沿時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器，所測(cè)脈沖寬度為 ，其中N為計(jì)數(shù)值，fs 為計(jì)數(shù)器的工作頻率。3、 峰值測(cè)量 測(cè)量正弦信號(hào)VPP的原理框圖如下圖所示被測(cè)信號(hào)峰值電壓采樣保持濾波顯示 峰值電壓采樣保持電路由一片采樣保持器芯片和一塊電壓比較器構(gòu)成。采樣保持器的輸出電壓和輸入電壓通過電壓比較器進(jìn)行比較，當(dāng)

6、Vi>V0時(shí)，電壓比較器輸出高電平，送到采樣保持器的邏輯控制端8腳，使之處于采樣狀態(tài)；當(dāng)Vi達(dá)到峰值而下降時(shí)，Vi<V0，電壓比較器輸出低電平，采樣保持器的邏輯控制端置低電平，使之處于峰值保持狀態(tài)。 4、 相位測(cè)量 相位指兩個(gè)同頻率正弦信號(hào)間的相位角之差，測(cè)量方法如圖4 所示，放大整形時(shí)間閘門計(jì)數(shù)器譯碼顯示門控信號(hào)晶振rdfe振 振RDFR振被測(cè)信號(hào)1被測(cè)信號(hào)2放大整形相位差=3600（T/T），T為兩方波前沿的時(shí)間差，T為正弦信號(hào)周期。三、 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件部分設(shè)計(jì)1. 電源部分由于被測(cè)信號(hào)易受干擾而發(fā)生失真，使測(cè)量精確度下降，故自制穩(wěn)壓電源供電，其原理圖如下：雙12V的交流電經(jīng)四

7、個(gè)二極管整流、電容濾波后經(jīng)兩個(gè)三端穩(wěn)壓管穩(wěn)壓得到8V后給系統(tǒng)的運(yùn)放等供電，再經(jīng)7805穩(wěn)壓管為單片機(jī)提供工作電壓+5V。2. 信號(hào)整形電路電路原理圖如下單片機(jī)很難直接對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行頻率的測(cè)量，當(dāng)正弦波和方波在同一輸入端時(shí)就更難直接測(cè)量，兩正弦波的相差也無法直接測(cè)量，因而使用整形電路把正弦波變成占空比為50%，頻率不變的方波，便于進(jìn)行頻率和相差的測(cè)量。圖中，正弦信號(hào)用電壓比較器LM393和0.1V的電壓作比較，便可得到同頻的方波，用于測(cè)量其頻率。和負(fù)0.1V比較可得負(fù)半波對(duì)應(yīng)的負(fù)脈沖，進(jìn)入單片機(jī)后可識(shí)別是否是正弦波，原信號(hào)和相移后的信號(hào)經(jīng)過零比較后可得到同頻的兩路方波信號(hào)。穩(wěn)壓管用于電平的轉(zhuǎn)換。

8、3. Vpp測(cè)量電路電路原理圖如下：由采樣保持集成電路LF398和電壓比較器LM393、場(chǎng)管等組成峰值電壓采樣保持電路，其原理是：輸入的電壓進(jìn)入采樣集成，對(duì)電容充電，電壓達(dá)到最大值（峰值）之后，輸出的電壓和輸入的電壓作比較，電壓達(dá)到最大值（峰值）之后，由于輸出電壓大于圓錐形入電壓，比較器的輸出使采樣集成禁止電壓的輸入而保持峰值不變。運(yùn)放OP07用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩倍的電壓放大，滿足A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832的最大電壓分辯條件。ADC0832是一個(gè)8位串行A/D轉(zhuǎn)換器，用于采集正弦信號(hào)的Vpp值。4. 系統(tǒng)控制電路 其電路原理圖如下：此部分是系統(tǒng)的主要控制部分，要完成信號(hào)的選通和計(jì)數(shù)脈沖的分頻，及顯

9、示數(shù)值功能，兩個(gè)模擬電子開關(guān)集成CD4052作為信號(hào)的選通開關(guān)，8253作為計(jì)數(shù)脈沖的分頻，LCD1602作為系統(tǒng)的顯示器件。 軟件部分設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序流程 開始初始化開始初始化開始初始化YYN測(cè)量脈寬、占空比信號(hào)指示測(cè)量相位差、峰峰值檢測(cè)信號(hào)輸入是否為方波?顯示N測(cè)量頻率、周期四、 系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試1、 指標(biāo)測(cè)試 頻率、周期測(cè)試： 用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍為1Hz10KHz的方波信號(hào)（TTL電平，占空比50%，），用標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)頻率，再用設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x測(cè)出頻率，求出誤差。脈寬測(cè)試：用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍為1Hz10KHz的方波信號(hào)，用標(biāo)準(zhǔn)周期測(cè)量?jī)x測(cè)出周期，再除以2，得到標(biāo)準(zhǔn)脈寬，再用

10、設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x測(cè)出脈寬，求出誤差。占空比測(cè)試：用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍為1Hz10KHz的方波信號(hào)，用標(biāo)準(zhǔn)周期測(cè)量?jī)x測(cè)出周期，用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字頻率計(jì)測(cè)出脈寬，兩者相除，得到標(biāo)準(zhǔn)占空比，再用設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x測(cè)出占空比，求出誤差。峰值測(cè)量：用用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍為1Hz10KHz的正弦波信號(hào)，用標(biāo)準(zhǔn)交流毫伏表測(cè)出有效值，通過運(yùn)算得到標(biāo)準(zhǔn)峰值，再用設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x測(cè)出占空比，求出誤差。2、 設(shè)計(jì)與測(cè)試使用的儀器EM32501DDS任意波形發(fā)生器 HM1004-3雙蹤示波器（100M） HC-F1000L頻率計(jì) VC9801A數(shù)字萬用表 WYK-303B2直流穩(wěn)壓源 微型計(jì)算機(jī)3、 測(cè)試數(shù)據(jù)表1 頻率測(cè)量

11、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入頻率（Hz）本儀器測(cè)量值（Hz）本儀器測(cè)量誤差1Hz1Hz0%1000Hz1000Hz0%5000Hz5000Hz0%7000Hz7000Hz0%10000Hz10000Hz0%表2 周期測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入周期（ms）本儀器測(cè)量值（ms）本儀器測(cè)量誤差0.1000.1000%0.2000.2000%1.0001.0000%2.0002.0000%10.0010.000%表3 脈寬測(cè)量數(shù)據(jù)（1K）標(biāo)準(zhǔn)輸入脈寬（ms）本儀器測(cè)量值（ms）本儀器測(cè)量誤差0.2000.1924.0%0.3000.3206.7%0.4000.4123%0.5000.5000%0.6000.5862.3%表5

12、占空比測(cè)量數(shù)據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)輸入頻率（Hz）標(biāo)準(zhǔn)占空比（%）本儀器測(cè)量值（%）本儀器測(cè)量誤差1K20195.0%1K30326.7%1K70682.8%1K80800%1K60566.7%標(biāo)6 峰值測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入頻率（Hz）標(biāo)準(zhǔn)峰值（mV）本儀器測(cè)量值（mV）本儀器測(cè)量誤差50400041203%500400042205.5%3K400041604.0%5K400040802%10K400040802%4、 誤差分析及措施由于硬件的性能不夠理想，信號(hào)經(jīng)過器件時(shí)會(huì)有一些無法消除的遲延，這些遲延在高頻率下引起的誤差就尤為突出，系統(tǒng)使用的邊沿觸發(fā)器，其上升沿時(shí)間和其下降沿時(shí)間不相等，這信號(hào)的脈寬發(fā)生了一些變化，但這樣的誤