低频信号分析仪 电子设计报告.doc

2012年春季西南交通大学大学生电子设计竞赛设计报告低频信号分析仪2012年5月3日低频信号分析仪摘要 本文介绍了一种基于单片机的低频信号分析仪的设计。该设计主要由四个模块组成：飞思卡尔单片机控制芯片，tft彩频显示及触摸选择，信号放大比较以及电源模块。信号经由op37过零比较器中断部分，mc9s12xs128内部a/d转换把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块，经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示。该系统的低频信号分析仪电路简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。此低频信号分析仪可以测量分析电压峰峰值vpp为10mv-10v，频率为10hz-400khz的交流信号，并可分辨显示正弦波，三角波，方波的频率和幅值，频率误差小于1%，峰值误差小于0.5%，具有较高的准确性。 关键词 飞思卡尔单片机；ad采样；过零比较器；tft显示（触摸屏）引言单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机因为体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，被广泛应用于仪器仪表中。目前市场上的便携式仪表大多都是以单片机为核心。 显示部分采用tft彩频显示，以触屏代替按键，简单方便，与时俱进。1设计总体方案1.1设计要求 在输入交流信号电压峰峰值vpp为500m v5v，频率范围为50hz50khz条件下，完成以下参数测试；（1） 正弦波，三角波和方波频率测试，测量误差小于1%；（2） 正弦波，三角波和方波幅度测试，测量误差小于3%；（3） 具有数字显示功能（如信号频率、峰值等）。1.2 设计思路（1）根据设计要求，选择飞思卡尔mc9s12x128单片机为核心控制器件。（2）信号的放大整形用op37进行过零比较（3）显示采用触摸式的tft彩频显示。1.3 设计方案硬件电路设计由4个部分组成; 放大比较电路，ms12x128单片机系统，tft显示系统、电压输入电路。硬件电路设计框图如图1所示。 电源模块液晶显示信号放大和比较mc9s12x128单片机图1从图中可以看出，单片机控制的有低频信号分析仪的主要功能模块分为4类：l 液晶显示：是指在单片机的控制下，液晶模块显示被测信号的频率与有效值。l 电源模块：为单片机和液晶显示器提供工作电源。l 放大比较：对信号进行整波并将微小交流电压量放大。l 放大模块：。单片机电路主要是通过编写程序来控制硬件电路。因此，可以通过改变程序，提高测量精度。二、硬件电路设计2.1 单片机系统2.1.1 mc9s12x128单片机采用飞思卡尔单片机嵌入式开发系统。mc9s12xs128具有59个i/o口，能满足各部分对i/o口的需求 mc9s12x128功能性能:总线宽度：16位指令集结构：hcs12系列：s12xs可编程输入输出端口：91程序存储类型：flash程序存储量：128kbeeprom：其它数据ram大小：8kb时钟频率max：40mhz接口类型：can/sci/spi计时器数：12片内adc：8x12位片内dac：其它电压：其它工作温度：-40125封装：pqfp-802.1.2 mc9s12x128各引脚图5 mc9s12x128的引脚图2.2 tft显示系统设计2.2.1 tft基本结构tft屏幕：tft（thin film transistor薄膜晶体管）是有源矩阵类型液晶显示器（am-lcd）中的一种， tft在液晶的背部设置特殊光管，可以“主动”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这也就是所谓 的主动矩阵tft（active matrix tft）的来历，这样可以大大提高反应时间，一般tft的反应时间比 较快，约80ms，而stn则为200ms。如果要提高就会有闪烁现象发生。而且由于tft是主动式矩阵lcd可 让液晶的排列方式具有记忆性，不会在电流消失后马上恢复原状。tft还改善了stn 会闪烁（水波纹） 模糊的现象，有效地提高了播放动态画面的能力。与stn相比tft有出色的色彩饱和度、还原能力和更 高的对比度，但是缺点就是比较耗电，而且成本也比较高。2.3放大和比较模块op37芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于op07具有非常低的输入失调电压（对于op07a最大为25v），所以op07在很多应用场合不需要额外的调零措施。op07同时具有输入偏置电流低（op07a为2na）和开环增益高（对于op07a为300v/mv）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得op07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。 op07管脚图op37特点： 超低偏移： 150v最大。 低输入偏置电流： 1.8na 。低失调电压漂移： 0.5v/ 。 超稳定，时间： 2v/month最大高电源电压范围： 3v至22v op07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+ absolute maximum ratings 最大额定值三、系统的软件设计软件调试主要是编写相应的程序，在电路仿真软件上仿真，直至到预期效果。1.程序框图主程序及各子程序的框图见图。开始初始化 被测信号输入测量电压和频率显示结束 主程序框图 lcd程序流程图2.程序清单根据程序流程图，编写相应的子程序和主程序。程序清单见附录3。四测试数据正弦波20hz50hz幅值有效值频率幅值有效值频率10mv50100mv20200mv204000.19370.1569200.19370.1563505000.23450.1736200.23450.1738506000.29960.1956200.29560.1974501v0.50980.3598200.50980.3602502v1.01020.7003201.01010.70015031.51021.0491201.50911.05015042.03071.4108202.03051.41055052.49961.7483202.49961.74985063.03142.1121203.03052.11055073.52042.4701203.52012.47015084.03092.8213204.03052.82055094.54033.1721204.54053.1705501053.432053.4750500hz10k100k幅值有效值频率幅值有效值频率幅值有效值频率0.05090.03095000.05090.0305100000.05090.030899.99k0.09170.05175000.09170.0517100000.09170.051699.99k0.19370.15455000.19370.1437100000.19380.143999.99k0.23490.17495000.23490.1749100000.23470.17599.99k0.29960.19565000.29960.1956100000.29970.195999.99k0.50980.35985000.50980.3598100000.50980.359899.99k10.685001.010.68100001.03010.69599.99k1.49961.03965001.49941.0398100001.50421.040599.99k21.41015002.0051.41100002.01131.410499.99k2.49961.72965002.47921.7292100002.48981.732199.99k32.095003.00212.0895100003.01072.100399.99k3.49962.43965003.49952.4394100003.49952.439499.99k42.785003.98922.781000042.7999.99k4.49963.15985004.48993.1586100004.5013.159899.9953.4950053.491000053.4999.99k100k200k幅值有效值频率幅值有效值频率0.05090.030899.99k1999870.09170.051699.99k0.09170.05171999870.19380.143999.99k0.1958023470.17599.99k0.2367029970.195999.99k0.29980.19591999870.50980.359899.99k0.50980.35981999871.03010.69599.99k0.10310.6971999871.50421.040599.99k1.50211.04031999872.01131.410499.99k2.01241.41021999872.48981.732199.99k2.49591.73041999873.01072.100399.99k3.01022.98171999873.49952.439499.99k3.49952.439419998742.7999.99k4.00112.791999874.5013.159899.994.49983.159419998753.4999.99k53.49199987方波20hz50hz幅值有效值频率幅值有效值频率10mv50mv2050400mv0.19370.1937200.19380.193850500mv0.25490.2549200.25490.2549501v0.50980.5098200.50980.5098505v2.45882.4588202.45882.45885010v4.9284.928204.91274.912750500hz10k幅值有效值频率幅值有效值频率999050099900.19370.19375000.19370.193799900.25490.25495000.25490.254999900.50980.50985000.50980.509899902.45882.45885002.45882.458899904.91134.91135004.90764.90769990100k200k幅值有效值频率幅值有效值频率999901998600.19370.1937999900.19860.19861998600.25490.2549999900.2510.2511998600.50980.5098999900.54050.54051998602.45882.4588999901.48761.48761998604.90374.9037999904.98254.9825199860三角波20hz50hz幅值有效值频率幅值有效值频率10mv50mv2050100mv0.05090.0105*200.050950400mv200.19370.113750500mv0.25490.1749200.25490.1749501v0.49960.3598200.49960.2998505v2.4588202.45881.49965010v4.98923.4172204.98922.906450100k200k幅值有效值频率幅值有效值频率0.05090.0309999300.05090.03091998750.19370.1137999300.19370.11371998750.25490.1749999300.2549049960.2996999300.49960.29961998752.45881.4788999302.45881.47921998754.70372.8237999304.88292.9033199875500hz10k幅值有效值频率幅值有效值频率50099905000.05090.030999900.19370.11375000.19370.113799900.25490.17495000.25490.174999900.50980.29985000.49960.299699902.45881.47885002.45881.473699904.94842.96885004.94842.96849990五心得体会在这次电子设计竞赛中我们使用了mc9s12x128单片机。这让我对于单片机有了更多的了解。同时在找资料的过程中学到了许多单片机课本上没有讲到的知识。在这次电子设计竞赛过程中，我们通过在原有的输入系统进行了改进，使之测量频率和电压有效值精度更高，使之成为一个更加适用，功能更加完备的属于自己的一个系统。在这个过程中让我对于c语言的编写有了更深入的体会。在这次电子设计竞赛中，虽然花费了大量的时间和精力，但我却学到了许多在理论课程中无法学到的知识。最重要的是让我懂得了合作的重要性，学会了如何与人更好的合作。六、参考文献1李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19942阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，1989 1版 3张毅刚等编著.单片机原理及应用. 北京：高等教育出版社.2004年1月第1版附录1 电路简图电压电路图附录2 元器件清单 元器件描述数量 mc9s12x128单片机1液晶显示器tft1电阻1003电容47uf4晶振11.0592mhz1电路板210mm铜柱10mm12op37比较器1电位器103，1046拨码开关6合11指示灯红色1二极管in40074附录3 程序清单：#include /* common defines and macros */#include derivative.h /* derivative-specific definitio */#include lcd.h #includepanel.h /* lcd color */#define white 0xffff#define black 0x0000#define blue 0x001f#define blue2 0x051f#define red 0xf800#define magenta 0xf81f#define green 0x07e0#define cyan 0x7fff#define yellow 0xffe0extern unsigned int tp_x,tp_y; /当前触控坐标unsigned int g_speed;unsigned int count=0,duibi=0; long caiyang; void setbusclk_80m(void) clksel=0x00; /disengage pll to system pllctl_pllon=1; /turn on pll synr =0xc0 | 0x05; refdv=0x80 | 0x01; postdiv=0x00; /pllclock=2*osc*(1+synr)/(1+refdv)=96mhz; _asm(nop); /bus clock=48m _asm(nop); while(!(crgflg_lock=1); /when pll is steady ,then use it; clksel_pllsel =1; /engage pll to system; void tim_init(void) /脉冲pt7初始化 pactl = 0x40; /脉冲计数 下降沿 pacnt = 0x0000; / pulse accumulators count registers (pacnt) pitcflmt_pite=0; pitce_pce0=1; pitmtld0=480-1; /10us pitld0=100; /1ms pitmux=0x00; pitinte_pinte0=1; pitcflmt_pite=1; tflg1=0xff;/清中断标志位 void init(void) ddre = 0xff; ddrb = 0xff; ddra = 0x0f; setbusclk_80m();cs=1;delayms(5);res=0;delayms(5);res=1;delayms(5);ili9325_initial();spistar(); /模拟spi初始化 void ad_init(void) atd0ctl1=0x00; /7:1-外部触发,65:00-8位精度,4:放电,3210:ch atd0ctl2=0x40; /禁止外部触发, 中断禁止 atd0ctl3=0xa0; /右对齐无符号,每次转换4个序列, no fifo, freeze模式下继续转 atd0ctl4=0x01; /765:采样时间为4个ad时钟周期,atdclock=busclock*0.5/prs+1 atd0ctl5=0x30; /6:0特殊通道禁止,5:1连续转换 ,4:1多通道轮流采样 atd0dien=0x00; /禁止数字输入 /- void dly_ms(int ms) int ii,jj; if (ms1) ms=1; for(ii=0;iims;ii+) for(jj=0;jj2670;jj+); /busclk:16mhz-1ms byte readatd(byte ch) byte ad=0; while(!atd0stat0_scf); switch(ch) default: case 0: ad= atd0dr0l; break; case 1: ad= atd0dr1l; break; case 2: ad= atd0dr2l; break; case 3: ad= atd0dr3l; break; case 4: ad= atd0dr4l; break; case 5: ad= atd0dr5l; break; case 6: ad= atd0dr6l; break; case 7: ad= atd0dr7l; break; return ad; void main(void) unsigned char ss6; unsigned int lx,ly,k,h; unsigned int ad_val; unsigned int gewei,xiao1,xiao2,xiao3,xiao4; unsigned int ygewei,yxiao1,yxiao2,yxiao3,yxiao4; unsigned char tempdata6; unsigned int caizh=0; unsigned char i=0; long fraq; enableinterrupts; init(); tim_init(); ad_init(); clearscreen(blue); lcd_putstring(10,20,低频信号分析仪,red,blue); dly_ms(20); lcd_putstring(0,100,频率,red,blue); dly_ms(20); lcd_putstring(200,100,hz ,red,blue); dly_ms(20); lcd_putstring(0,140,幅度,red,blue); dly_ms(20); lcd_putstring(200,140,v,red,blue); dly_ms(20); lcd_putstring(0,180,有效值,red,blue); dly_ms(20); lcd_putstring(200,180,v,red,blue); dly_ms(20); lcd_putstring(0,220,信号类型,red,blue); dly_ms(20); lcd_putstring(140,220,正弦波,green,blue); dly_ms(20); / dispicture(10,10,70,90); while(1) fraq=g_speed; fraq = fraq*10; tempdata0=0+fraq/100000; tempdata1=0+(fraq/10000)%10; tempdata2=0+(fraq/1000)%10; tempdata3=0+(fraq/100)%10; tempdata4=0+(fraq/10)%10; tempdata5=0+fraq%10; lcd_putstring(80,100,tempdata,red,blue); duibi = 0; for(i=0;iduibi) duibi = ad_val; / if(ad_val5) ad_val=3; gewei = (ad_val)/51; xiao1 = (ad_val%51)*100/51)/10; xiao2 = (ad_val%51)*100/51)%10; xiao3 = (ad_val%51)*100/51)%51)*100/51)/10; xiao4 = (ad_val%51)*100/51)%51)*100/51)%10; tempdata0=0+gewei; tempdata1=.; tempdata2=0+xiao1; tempdata3=0+xiao2; tempdata4=0+xiao3; tempdata5=0+xiao4; lcd_putstring(80,140,tempdata,red,blue); dly_ms(100); caiyang = 0; for(caizh=0;caizh10000;caizh+) caiyang+=readatd(0); / dly_ms(2); caiyang = caiyang/10000; ad_val = duibi; if(duibi*40/100)caiyang) lcd_putstring(140,220,三角波,green,blue); dly_ms(1000); ygewei = (ad_val*6/10)/