三角波信號參數(shù)分析儀

1、TITITI 校內選撥賽校內選撥賽校內選撥賽- - -簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀1目目目目 錄錄錄錄 一一 總體方總體方案案11.總體設計框圖2.方案論證與比較二理論分析與計算二理論分析與計算21.頻率測量理論誤差分析2.三角波斜率變換測量理論以及 pwm 調制輸出四主要電路設計四主要電路設計.32 1.三角波幅值測量電路2.三角波方波變換電路3.斜率脈沖寬度轉換電路五軟件設計流程五軟件設計流程.141.軟件流程介紹2.軟件流程圖六系統(tǒng)測試與誤差分六系統(tǒng)測試與誤差分析析.151.測量儀器與環(huán)境2.測量數(shù)據(jù)3.誤差分析七經(jīng)驗和心得七經(jīng)驗和心得.16八

2、參考文獻八參考文獻.16 TITITI 校內選撥賽校內選撥賽校內選撥賽- - -簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀2簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀電子科技大學電子科技大學 白云碎了白云碎了【摘要摘要】本系統(tǒng)采用 SOC 單片機 C8051F020 為數(shù)據(jù)處理核心，以波形變換、PWM 脈沖寬度調制為測量前端處理思想，由三角波波形發(fā)生、三角波方波轉換、頻率測量、幅度測量、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實現(xiàn)對頻率的測量。前端通過比較器構成的峰值檢波電路實現(xiàn)對幅度的測量。斜率的測量則采用將三角波變換為一定占空比的方波，再采

3、用 PWM脈沖寬度調制輸出一定的電壓值，從而將三角波斜率轉化為不同的電壓值來測量。整體系統(tǒng)架構集中在單片機和模擬前端上實現(xiàn)了題目要求的各種功能。【關鍵詞鍵詞】C8051F020 波形變換 等精度測頻 脈沖寬度調制【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、 總體方案設計總體方案設計1.1. 總體設計框圖總體設計框圖TITITI 校內選撥賽校內選撥賽校內選撥賽- - -簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡

7、易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀3三角波發(fā)生電路三角波方波轉換電路頻率測量C8051F020 單片機斜率占空比轉換電路PWM 調制直流輸出(幅度測量)三角波幅度檢波電路幅度測量電路液晶顯示 圖 1 系統(tǒng)設計框圖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算電路的輸入，在積分運算電路的輸出就得到三角波電壓，在實用電路中，將方波發(fā)生電路中的 RC 充、放電回路用積分運算電路來取代，滯回比較器和積分電路的輸出互為另一個電路的輸入，滯回比較器輸出為方波，經(jīng)積分運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。占空比和頻率獨立可調，輸出頻率范圍為 0. 1Hz20MHz ，占空比調節(jié)范圍為 10%90%。由于本題目三角波的頻率動態(tài)范圍較大（1K300K） ，如果用方案一則對積分器要求較高，頻率穩(wěn)定度很難做高且電路較復雜工作量大。2)2) 頻率測量頻率測量方案一：使用 FPGA 進行計頻，使用等精度測頻的思路，來進行頻率測量，這種方式測量頻率準確。不過對于此題的指標來說，使用 FPGA 使得系統(tǒng)構架整體在數(shù)字電路上實現(xiàn)，系統(tǒng)更龐大昂貴，沒有必要。方案二：利用 T 法測頻的思想，使用單位時間內數(shù)脈沖數(shù)

9、方法，并且時間間隔以信號下降沿觸發(fā)中斷來實現(xiàn)，這種方式運用了等精度測量的思想，并且實現(xiàn)簡單，很容易移植在各種單片機上。3)3) 幅度測量幅度測量方案一：使用高速比較器結合峰值檢波的方式來得到三角波分峰值，利用C8051 單片機的內部 AD 直接測量。方案二：使用 FPGA 結合內部 AD 進行采集三角波信號，然后通過最小二乘擬合計算來恢復三角波的波形，來計算三角波的幅值。4)4) 斜率測量斜率測量方案一：采用高速 AD 高速采樣方式或者低速 AD 等效采樣的方式來對三角波進行波形采樣，然后使用最小二乘法進行波形恢復，高速 AD 可以使用 FPGA 來控制。這種方式比較直接簡單，但是高速 AD

10、價格比較高，等效采樣的精確不利于TITITI 校內選撥賽校內選撥賽校內選撥賽- - -簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀4提高系統(tǒng)總體性價比。方案二：使用 PWM 解調的思路，先將三角波整形為方波，后面使用低通濾波器解調出一定幅度的直流波形，對直流的幅度進行測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 可以達到比較優(yōu)異的指標，然而電子設計大賽貴在對基本電路的認識和理解，F(xiàn)PGA 和高速 AD 也會使得系統(tǒng)整體造價上升。故綜上，我們選擇使用傳統(tǒng)的單片機+模擬電路的信號變換的手段，而且也能很好地達到題目要求指標。所以選擇利用單片

11、機測量頻率，峰值檢波獲得三角波的幅值，斜率測量則利用三角波斜率到方波占空比的變換，再利用 PWM 調制的思路，利用低通濾波器來獲得定量的直流電壓，最后使用單片機一定計算來得到三角波斜率。三角波發(fā)生模塊由于是一個測試的前端，用芯片 MAX038 即可方便實現(xiàn)。二、理論分析與計算二、理論分析與計算1.1.頻率測量頻率測量單片機 T 法測頻：測量固定數(shù)目脈沖的時間，將脈沖數(shù)處以時間即為所測頻率。為了防止漏掉脈沖，系統(tǒng)吸收了等精度測頻的思想，以脈沖下降沿觸發(fā)從而計數(shù)脈沖以消去第一個脈沖的不確定起始時間。測量 N 個脈沖數(shù)以后觸發(fā)計數(shù)器停止工作。頻率計算公式推導： （1）TpulsemVNF （2）TN

12、TFTV 式中：為計時器 T 的定時時間，為測量得到的脈沖數(shù)，為測量對TVpulseNmF象的頻率，為程序中定時器的定時全局變量，為定時器的記時頻率。記時NTTF頻率為系統(tǒng)時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，若不采用等精度測量的思路（會漏掉一個脈沖數(shù)） ，則忽略晶振誤差（在此我們一個測量周期的脈沖數(shù)為1000 來算） ，最大理論誤差:（3）%10. 0%1001000/11000/1999/1在此若用脈沖觸發(fā)來開始計數(shù)，則誤差主要來源為單片機程序中不可避免的程序操作時延和中斷時延造成，如果忽略這部分誤差，系統(tǒng)

13、測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，在程序中進行了補6償。也就是說單片機 T 法測頻的最大理論誤差（忽略中斷程序延時）為：1000（100 10）/10000.00045%（4）610 22.118416這個誤差完全可以忽略，所以誤差來源基本上時操作延時誤差和計算時的截斷誤差。操作延時在匯編中進行觀察，并在程序的計數(shù)時間中進行補償，可以基TITITI 校內選撥賽校內選撥賽校內選撥賽- - -簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀5本抵消。最后程序測試單脈沖測量在 0.1%以下，已經(jīng)滿足題目要求。三、主要電路設計三、主要電路

14、設計1.1.三角波幅度測量電路三角波幅度測量電路峰值檢測電路（PKD，Peak Detector）的作用是對輸入信號的峰值進行提取，產(chǎn)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。本題的峰值檢測電路如圖 2： 圖 2 三角波峰值檢測電路3.3. 三角波斜率測量的波形變換三角波斜率測量的波形變換此模塊的主要功能是將三角波的占空比轉換成方波的占空比，其原理是利用已檢測出來的峰值經(jīng)過電位器分壓（分壓比 4/5 左右）后，與輸入三角波進行比較，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行比較，則產(chǎn)生負峰值脈，在講兩個峰值脈沖相或

15、，產(chǎn)生峰值脈沖，最后通過 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流圖如圖 4：TITITI 校內選撥賽校內選撥賽校內選撥賽- - -簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀6圖 4 信號流圖4.PWM4.PWM 脈沖調制電路脈沖調制電路PWM 脈沖調制電路是將方波占空比轉化成直流電平，便于測量。電路圖如圖 3，串聯(lián)電感 L1 和并聯(lián)電容 C1 形成一個低通濾波器該濾波器用來恢復方波的直流放量，二極管D1 用來一直有電感產(chǎn)生的瞬時負電壓，稱這個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、軟件流程測量頻率按鍵狀態(tài)改變？變？改變測量模式測量電壓顯示數(shù)據(jù)測量占空比比比檢查按鍵，改變按鍵狀態(tài)開始TITITI 校內選撥賽校內選撥賽校內選撥賽- - -簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀簡易三角波信號參數(shù)分析儀7圖 6 軟件流程圖五、系統(tǒng)測試與誤差分析五、系統(tǒng)測試與誤差分析1.1.測試儀器與環(huán)境測試儀器與環(huán)境Textronics 示波器一臺F40DDS 信號源一臺SP1643B 信號源一臺地點：電子科技大學科研 A3042.2.測量數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)三角波幅度測量：測量方法： 頻率（HZ）幅度標準值400Hz1000Hz100KHz300KHz標準值 500mv標準值 1V標準值 5V三角波頻率測量測量方法：三角波斜率測量測量方法：其他數(shù)據(jù)如方波幅度測量結果，圖形顯示三角波結果，由于篇幅原因，放在附錄。在題目要求的各個方面系統(tǒng)都達到了很好的指標。擴展功能實現(xiàn)：1. 正弦波幅度，頻率測量，圖像顯示結果