信號參數(shù)測量儀-安徽理工大學校電子設計競賽

1、信號參數(shù)測量儀第四屆大學生電子設計大賽（論 文）題目：信號參數(shù)測量儀參 賽 學 院： 電氣與信息工程學院 參 賽 隊 號： 參 賽 隊 員： 張亞運 祁輝 汪星星 目錄摘要。2引言 。2一 設計方案及初步論證。21.1 頻率測量方案1.2 幅值測量方案1.3 方案確定二 方案實現(xiàn) 。42.1 信號發(fā)生器及波形控制電路設計。42.2 信號頻率測量電路設計。42.2.1 信號頻率測量原理及誤差分析2.2.2信號頻率測量框圖2.2.3電路原理圖2.2.4 軟件流程圖2.3 信號幅值測量電路設計。7 2.3.1 信號幅值測量原理及誤差分析 2.3.2信號幅度測量框圖2.3.3電路原理圖2.3.4軟件流

2、程圖2.4 數(shù)字顯示模塊實現(xiàn)。92.5 附加功能。10三 電路元器件、系統(tǒng)總電路圖及源程序。10四 總結。17 摘要本設計是基于單片機AT89C51的信號發(fā)生器及頻率和幅值測量儀的設計和實現(xiàn)。信號發(fā)生器基于ILC8038芯片及外圍電路設計的通過控制電阻的大小可以改變頻率及幅值。對于幅值測量，先將信號通過峰值保持電路之后再通過單片機處理。頻率測量采用低頻和高頻分段測量，對于低頻段采用直接測頻法可以滿足誤差的要求，對于高頻段采用分頻測量法能滿足高精度測量。A/D轉換采用LTC1865(16位A/D轉換芯片)能夠完成模數(shù)轉換任務。LED顯示模塊采用1602LCD完成顯示任務。 關鍵字：AT89C51

3、、ILC8038、LTC1865、LCT1602引言目前方波，三角波，正弦波的使用越來越廣泛，在通信、計量、測量技術和儀器等領域扮演重要較色，對信號參數(shù)的控制及測量也顯得極其重要，其中，對其參數(shù)(幅值、周期、頻率)測試尤其重要?；贗LC8038芯片的函數(shù)信號發(fā)生器結構簡單易于控制其幅值，周期，頻率等參數(shù)。以單片機為核心的脈沖信號參數(shù)測試儀和控制裝置，小巧方便，便于攜帶，且易于擴展和技術更新，鑒于此，設計開發(fā)了基于單片機的信號參數(shù)測試儀。測試儀的主控器件采用AT89C51單片機，它具有強大的數(shù)據(jù)采集、存儲、運算和控制功能。由設計誤差要求可以看出這是一個對精度要求很高的系統(tǒng)，需要選擇合適的算法。

4、設計思路為，對于低頻信號單片機可以直接測量，而對于高頻信號單片機無法直接測量，信號必須經分頻處理才能測量。對幅值的測量，可以將信號先經過峰值保持電路處理然后再經A/D轉換成數(shù)字信號交由單片機處理。 一：設計方案及初步論證1.1 頻率測量方案方案一(傳統(tǒng)方法)：此方案對輸入信號做分頻整形后，再與1s的脈寬的信號共同輸入與門，其輸出作為計數(shù)脈沖，由計數(shù)器計數(shù)然后鎖存譯碼輸出到數(shù)碼管顯示。該方案硬件結構簡單，但工作速度低、精度差不能滿足設計要求，所以此方案不理想。方案二（分頻測量法）：采用功能較強、兼容性較好、性價比高的89C2051單片機，將欲測量的輸入信號（1HZ10MHZ）分為三個頻段，1HZ

5、50KHZ、50KHZ1MHZ、1MHZ10MHZ。接著對信號進行整形、分頻，利用單片機進行直接測頻法。在閥門時間T內，被計數(shù)的脈沖送到計數(shù)器中進行計數(shù)。設計數(shù)器的值為N，可得f = N / T這種方案采用單片機技術，使得其具有智能化的優(yōu)點，簡化了硬件電路，提高了測量精度，同時也能用軟件對測量誤差進行補償，這給調試維護及功能的擴展帶來了極大的方便。此方案很理想，可以滿足設計要求，所以頻率測量選擇此方案。1.2 幅值測量方案方案一（取樣法）: 此方案采用取樣法，設在時間間隔t內對待測的信號進行取樣1次，設在時間T內對信號進行了N次取樣，然后經單片機及相關軟件處理數(shù)據(jù)并比較大小，取最大得值即是是所

6、測峰值，此方案在低頻段精度較高，但在高頻段，取樣的時間間隔不能滿足高頻率的要求，所測結果誤差較大，方案不理想。方案二（變直流測量法）: 此方案先將信號經峰值保持電路整流成與原信號幅值相等的直流電信號再進行測量，用單片機采集由ad轉換器轉換得到的電壓信號，在進行運算，顯示?？梢詫崿F(xiàn)對峰值的準確測量，能滿足設計要求。1.3方案確定 綜合比較以上各種方案的優(yōu)缺點，考慮各方面原因，對于頻率測量選擇頻率測量方案三，而對于信號幅值測量選擇幅值測量方案二。根據(jù)所選方案確定系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結構框圖二： 方案實現(xiàn)2.1信號發(fā)生器及控制電路的設計 信號發(fā)生器是基于芯片ILC8083設計的，其電路

7、原理圖如圖2所示。其中端口9發(fā)出方波信號，端口2發(fā)生正弦信號，端口3發(fā)生三角波信號，控制電路如圖中所示，通過改變滑動變阻器RV1、RV2、RV3的阻值可以控制信號的頻率及幅值的大小產生滿足設計要求的信號。 圖2 信號發(fā)生器（用proteus繪制） 2.2信號頻率測量電路設計2.2.1信號頻率測量原理及誤差分析由于設計要求的被測頻率范圍較寬為了便于信號的測量把整個頻率測量范圍分為三個頻段：1Hz50KHz段：該頻段內由定時器T1定時50ms，循環(huán)20次得到1s的閘門時間，并由其控制計數(shù)器T0計數(shù)脈沖個數(shù)計得脈沖數(shù)即為信號頻率。設計數(shù)脈沖個數(shù)為N，則 。頻率值: F=N50KHz1MHz段：該頻段

8、內信號先經16分頻，使其頻率降為3125HZ6250HZ，閘門時間設為1s，由T1作閘門時間計數(shù)器，由T0計數(shù)被測脈沖個數(shù)，則T1中的數(shù)值乘以16即為被測信號頻率，其絕對誤差為16HZ. 最大相對誤差: = 16HZ/50KHZ=0.0325% 1%頻率值: F=N*161MHz10MHz段： 該頻段內信號先經512分頻，閘門時間為1s，由定時器T1提供閘門時間，T0計數(shù)被測脈沖個數(shù)，則信號頻率為T1計數(shù)值乘以512。這樣測量的絕對誤差為512HZ.最大相對誤差: = 512HZ/1MHZ = 0.512% 1%頻率: F=N*512 2.2.2 信號頻率測量方框圖 端口Input1可輸入被測

9、信號的范圍是1MHZ10MHZ，信號需經512分頻才能測量。端口Input2可輸入被測信號的范圍50KHZ1MHZ，信號需經16分頻才能測量。端口Input3可輸入被測信號的范圍是1HZ50KHZ。 圖3 信號頻率測量方框圖 2.2.3 電路原理圖信號整形放大及分頻電路 ，如圖4所示，將信號經整形電路轉換為方波信號，經芯片max232處理變?yōu)門TL電平信號.16分頻電路由一塊74HC161組成，由Q3端輸出，完成24 = 16分頻。512分頻電路由三塊74HC161串聯(lián)組成，分別接在Q3，Q3，Q0，完成2（4+4+1）= 512的分頻。完成經分頻處理，使高頻信號成為可以滿足測量要求的方波信號

10、。圖4 整形放大及分頻電路（proteus繪制）2.2.4軟件流程圖如圖5所示 圖5 頻率測量軟件流程圖 2.3 信號幅值測量電路設計2.3.1 信號幅值測量原理及誤差分析 對于交變的信號測量幅值可以先將信號經峰值保持電路處理得到和原號幅值大小相等的直流信號，由于A/D模數(shù)轉換采用5v參考電壓，所以測量范圍是05v不能滿足0.110v的要求，所以必須對進行被測信號分壓處理，取被測信號電壓的一半即可滿足要求，分壓后將直流信號經LTC1865(16A/D轉換芯片)轉換為數(shù)字信號之后送給單片機處理，再經顯示模塊顯示被測信號幅值。其最大絕對誤差為5/216V,最大相對誤差: =（5/216）V / 0

11、.1V = 0.076% 1%2.3.2 信號幅值測量方框圖如圖6所示 圖6 幅值測量方框圖 2.3.3 幅值測量電路原理圖峰值保持電路的作用是對輸入信號的峰值進行提取，產生輸出Vo = Vpeak，為了實現(xiàn)這樣的目標，電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復位。（效果如右圖所示） 分壓電路：由于ad轉換器要求輸入的電壓范圍是5v，而輸入電壓的范圍是0.1v10v 。所以在峰值保持電路的末端串兩個大小相等的電阻，完成1/2的分壓，滿足ad轉換器的輸入要求。AD轉換電路：ad轉換采用的是LTC1865芯片（16位串行ad轉換），模擬信號由vch0輸入，數(shù)字信號由sdo串行輸出，c

12、lk為控制時鐘，conv為轉換標志位 圖7 峰值保持、分壓電路圖8 A/D轉換電路2.3.4 軟件流程圖如圖9所示 圖9 幅值測量流程圖2.4 數(shù)字顯示模塊實現(xiàn)數(shù)字顯示模塊基于LCD1602芯片（型號LM016L） 實現(xiàn)的，能夠同時顯示16x02即32個字符,VSS為電源地,VDD接5V電源正極,RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。E(或EN)端為使能(enable)端。D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 電路連接圖如圖10所示。圖10 數(shù)字顯示模塊連線圖2.5 附加功能單片機具有將采集到的電壓信號

13、和電流信號傳輸給PC的功能。如圖11所示，單片機通過串行端口RS232與PC通信。 圖11 單片機與PC串行通信圖三 電路元器件、系統(tǒng)總電路圖及源程序 電路元器件：如下表所示主要器件生產廠商單片機AT89C51芯片中圖譽嘉興電子ILC8038芯片 北京同芯電子科技有限公司16位A/D轉換芯片LTC1865深圳寶富電子有限公司LCD顯示1602LCD芯片LM016L深圳市卓鴻光電科技有限公司電平轉換芯片MAX232杰布朗電子科技有限公司放大器TLC372 放大器LM358 三極管2N3392 電阻若干 電容若干總電路原理圖源代碼：#include#include#include #include

14、/*宏定義方便使用*#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*定義變量區(qū)*sbit lcden = P20; /LCD使能信號sbit lcdrs = P21; /LCD數(shù)據(jù)/命令選擇信號sbit INPUT1 = P22;/INPUT1檢測口sbit INPUT2 = P23;/INPUT2檢測口sbit INPUT3 = P24;/INPUT3檢測口sbit SDI = P13;sbit CONV = P12;sbit SCK = P11;sbit SDO = P10;uchar count,k;uchar code tab

15、_1=Freq:uchar tab_freq=0,0,0,0,0,0,0; /頻率數(shù)組unsigned char voltage16 = voltage： 0.000V；/第二行電壓顯示uint beishuo;/*函數(shù)聲明區(qū)* void int_time1(); /定時器0void int_count0(); /計數(shù)器1void trans_count(); /轉換為10進制unsigned int ltc1865_ch0(); /讀LTC1865通道0的AD值void disp_voltage(); /AD轉換數(shù)據(jù)計算void lcd_dis(); /lcd顯示函數(shù)void lcd_ini

16、t(); /LCD初始化函數(shù)void write_com(uchar); /寫命令函數(shù)void write_data(uchar); /寫數(shù)據(jù)函數(shù)void delay(uint); /延時函數(shù)/*主函數(shù)開始*void main()TMOD = 0x11; /T0為計數(shù)模式:方式1 T1為定時模式:方式1 TH0 = 0; /T0計數(shù)初始值TL0 = 0;TH1 = 0x4c; /T1定時初始值TL1 = 0x00; /50MSEA = 1;ET1 = 1; /允許T1定時中斷ET0 = 1; /允許T0計數(shù)中斷l(xiāng)cd_init(); write_com(1);while(1)if(INPUT1

17、 = 1)beishuo = 512; TR0=1; TR1=1;break; if(INPUT2 = 1)beishuo = 16;TR0=1; TR1=1;break;if(INPUT3 = 1)beishuo = 1; TR0=1; TR1=1; break;trans_count(); /讀取頻率值 disp_voltage(); /讀取電壓值lcd_dis(); /顯示電壓和頻率值/*T0計數(shù)函數(shù)開始*void int_count0() interrupt 1k+;/*T1定時中斷函數(shù)開始*void int_time1() interrupt 3TH1=0x4c;TL1=0x00;

18、/50MScount+;if(count=20) count=0; TR0=0; /到1秒T0停止計數(shù) TR1=0; /T1停止定時/*數(shù)據(jù)轉換函數(shù)開始*void trans_count()unsigned long int z;z = k * 65536 + TH0 * 256 + TL0; /計算出一秒鐘收到的脈沖數(shù)量z = z * beishuo; /乘以分頻倍數(shù)還原原始頻率 if(z10000000) /最大量程為999999z=9999999;tab_freq0=z/1000000; /百萬位tab_freq1=(z-tab_freq0*1000000)/100000 ; /十萬位t

19、ab_freq2=(z-tab_freq0*1000000-tab_freq1*100000)/10000; /萬位tab_freq3=(z-tab_freq0*1000000-tab_freq1*100000-tab_freq2*10000)/1000; /千位tab_freq4=(z-tab_freq0*1000000-tab_freq1*100000-tab_freq2*10000-tab_freq3*1000)%100; /百位; tab_freq5=(z-tab_freq0*1000000-tab_freq1*100000-tab_freq2*10000-tab_freq3*1000-tab_freq4*100)%10; /十位 tab_freq6=z-tab_freq0*1000000-tab_freq1*100000-tab_freq2*10000-tab_freq3*1000-tab_freq4*100-tab_freq5; /個位/*讀LTC1865通道0的AD值*/unsigned int ltc1865_ch0()unsigned char i;unsigned int voltage;SDO = 1;SCK = 1;CONV = 0;for(i=0;i16;i+)SCK = 0;voltage=1;if(SDO=1)voltage+=1; SCK =