正弦电压信号的产生与有效值测量.doc

第四届电子设计竞赛复试实验报告正弦电压信号的产生与有效值测量 *复试题目：设计一个频率为1000Hz的正弦波信号发生器，输出幅值为1V左右。用单片机搭建一个系统，精确地测量该信号的有效值。并通过串口送到PC机中，通过串口调试助手软件显示该有效值。 题目要求：1、设计一个1000Hz的正弦波振荡器，输出幅度转换为1V。2、用单片机自带10位AD作为模数转换芯片，不允许扩展其它AD。3、串口以9.6K波特率向PC机传输数据，在串行调试助手中，以10进制格式显示该正弦波的有效值。* *摘要：通过一RC振荡电路，产生1KHz的正弦波，然后经过峰值检波电路，得到其峰值送入Atmega16单片机，由其内部自带ADC处理，并在软件中得到其有效值，经串口发给PC机，并在串口调试助手上显示电压有效值。 关键字：峰值检波 有效值 ADC 串口* *论文正文* 一、正弦波发生电路正弦波发生电路需要四部分：放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。正反馈网络：引入正反馈，作用是使输入信号等于反馈信号。稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。在电路中，可将选频网络和正反馈网络“合二为一”；而且，一般电路中也没有另加稳幅环节，而是依靠运放等的非线性起到稳幅作用。振荡电路可以有以下三种方案：方案一：RC桥式正弦波振荡电路实用的RC正弦波振荡电路有多种多样，我们选择了最典型的RC桥式正弦波振荡电路。此方法简单实用，容易选择器件和电路的调试。它适用于低频振荡，一般用于生产1Hz1MHz的低频信号。易于起振，成本低廉。我们考虑到题目的要求，所以采用了此方法。方案二：LC并联谐振回路采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，它主要用来生产高频正弦振荡信号，一般在1MHz以上。根据反馈形式的不同，LC振荡电路可分为变压器反馈式和三点式振荡电路。它产生的是高频信号，我们不予考虑。方案三：石英晶体正弦波振荡电路当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感。考虑题目要求，我们在这里就不讨论了。综上所述，我们的振荡电路选择了RC桥式正弦波振荡电路。 RC桥式正弦波振荡电路： 本电路中，C1、C2、R3、R4组成选频网络和正反馈网络，正弦波振荡频率1/（2*PI*R*C）,33K电阻和4700pF电容均为标准值。振荡出的峰值由VCC的不同而不同，然后靠R5和R6两者适当的分压来得到1V的1000Hz的正弦信号。R1和(R2+R7)组成放大电路，放大倍 数Au=1+(R2+R7)/R1，通过调节R7，可以满足振荡电路放大要求。 二、信号处理电路要得到正弦信号的有效值可以有以下三种方案：方案一：得到其峰值，由单片机对其进行处理，即可得到其有效值：方案二：对正弦波进行整流、滤波处理，使其变成直流，送入单片机自带的A/D进行处理，得到其有效值。由于本题目中的信号幅值较小，仅为1V，因此不能用普通的整流桥电路。但整流后的的直流与有效值的关系难以确定。方案三：直接把正弦信号送入单片机进行处理。本题目中信号为1KHz，一个周期内采128个点，则AD采样速率须达到128K，单片机内部AD速度达不到。 综上所述，采用峰值检波电路。峰值检波电路：如图所示，Ui为1KHz的1V正弦波电压信号输入。电路原理如下：输出初始值为0，当待测信号幅度高于0时，前级的运放输出高（相当于比较器），二极管导通。后级运放相当于跟随器，输出跟随输入的增大，同时电容充电。当待测信号幅度大于输出时，二极管导通，输出跟随输入，电路工作在“跟随状态”。当待测信号幅度小于输出时，二极管截止，但由于电容之前充电，存储的能量是之前最大幅度时的，因此后级跟随器依然保持之前的最大幅度，电路工作在“保持状态”。实际中要注意的问题：1、由于二极管导通电压的存在，最后的峰值要加上导通电压才准确；2、运算放大器的带宽决定了输入信号的最大频率；3、由于电容在此处起电能储存的作用，因此要求电容贮能好，简易使用CBB电容，而不应采用像电解电容之类漏电较大的，或者至少采用瓷片电容等。4、要在外反馈环加电阻R1，否则有时候会产生问题。5、为了能够进行放电，故并入电阻R2，但选值时要慎重，权衡时间常数。 三、单片机电路 本单片机系统采用外部晶振，使用ISP下载方式，配有具有上电复位和手动复位的复们电路。一般来说，微处理器的电源接入处都加一滤波电容以去除干扰。由于单片机所用为TTL电平，而PC机为RS232电平，因些需用一SP232（或MAX232）电平转换芯片将mega16的串口与PC机的串口相连。 四、软件编程处理1、Atmega16内部ADC特点：10位精度；0.5 LSB的非线性度；2 LSB的绝对精度；65 - 260 s的转换时间；最高分辨率时采样率高达15 kSPS；8路复用的单端输入通道；7路差分输入通道；2路可选增益为10x与200x的差分输入通道；可选的左对齐ADC读数；0 - VCC的ADC输入电压范围；可选的2.56V ADC参考电压；连续转换或单次转换模式；通过自动触发中断源启动ADC转换；ADC转换结束中断；基于睡眠模式的噪声抑制器。 2、由于本次处理数据为峰值为1V的电压信号，故可考虑使用ADC内部基准，但有一点要注意，为了增加内部VREF的稳定性，就在32管脚VREF处接一电容，如单片机电路图。 以下是采用ADC0通道进行A/D转换的功能函数：unsigned int mega16_ad() unsigned int addata; DDRA&=BIT(PA0);/设PA0口为输入 PORTA&=BIT(PA0);/不带上拉 ADMUX=0XC0;/使用片内基准电压源，右对齐，选用ADC0通道 ADCSRA=0X80;/ ADCSRA|=BIT(ADSC);/启动AD while(!(ADCSRA&(BIT(ADIF);/等待AD转换结束 /读数据寄存器的值 addata=ADCL; addata=addata+ADCH*256;/0000 00 00 0000 0000 return addata; 3、串口发送有两种方式，一种是轮询，一种是中断；考虑到本题目的实际情况和实时性的要求，可采用轮询发送，每隔1秒单片机向PC机发一次数据。串口初始化的程序可以使用用ICCAVR开发环境自带的编程向导完成。 4、考虑到题目对实时性要求不强，因此可以每隔1秒单片机向PC机发一次数据；可以采取两种方案：1）在程序中加1000ms的延时函数，但这样占用太多的CPU资源；2）在程序中，采用单片机的定时器1进行数据发送的控制，这样虽然占用中断资源，但不影响CPU的工作，程序中我们采用此方案。 5、程序流程大致辞如下：单片机ADC接收外部电压信号并进行处理，为了更加精确将多个数据进行平均，当到1秒时产生定时器中断，在Timer1中断服务程序里将ADC处理得到的数据能过串口发送程序发送。具体程序详见附录。五、误差分析1、正弦波信号振荡频率和幅值（1）本电路中正弦波信号频率由公式：1/（2*PI*R*C）决定，电阻电容本身的不准确性将会使振荡频率有误差，但考虑到本题目对精度的要求，频率误差可以不予考虑。（2）由于振荡电路产生的幅值与运算放大器所加的电源电压有关（运放电源为5V或12V，故振荡出的正弦波幅值肯定大于1V，所以应该降压），因此我们用一简单而实用的电阻分压电路对其进行处理得到1V的正弦波。在实际电路中，图一中的R5为1K电阻，R6为1K的滑线变阻器。2、在峰值检波电路中，二极管会造成一定的电压损耗，这一点可以在软件编程时进行补偿；而在硬件中，也加入了R1反馈回路以减小误差。3、如图二中，R2和C1构成一放电回路，电路中R2=10K，C1=10F，其时间常数=R2*C1=0.1S。4、由于检波电路所得电压仍有一定的脉动，因此在软件中进行了多次采样，求平均值以减小波动的思想。由前所述，内部ADC的转换时间为65 - 260 s，而所采信号是1KHz的正弦信号进行峰值检波得到了，脉动的周期也应为1KHz，即周期为1ms，我们可以采100次后求期平均（100次连续转换时间为6.5ms-26ms），得到较为稳定的输出，然后再由串口发送。5、实际电路中，图二中的C1用的是10uF的电解电容，电解电容泄露较大，会给峰值检波结果带来影响。 六、方案的改进电路如图所示：我们在前级运放的输出端加一个二极管，与运放的负输入端相连，1、由于A2是跟随器，正负两个输入端电位是相等的，Rf等于把被充在C1上的电压反馈回了A1的负输入端，跟Ui做比较。2、当Ui过了峰值，低于C1电压时，D2导通让A1成了跟随器。没有D2的话 A1就成了纯粹的比较器，当Ui低于峰值时输出负电压，给D1造成很大的反压，而D1会在反压下增加漏电流，使得C1的峰值保持性能下降。3、D1截止时（Ui不一定是负，只是低于峰值而已）C1上的电荷因无处释放，峰值电压将被保持，通过跟随器A2对外输出。所谓“减小D1的非线性误差”想必是相对于把Rf从A1输出引入的做法而言的，这时C1上的电压值比Ui少了D1的正向压降，而且这个压降是非线性的。如果不接D2，也就是A1开环后，当Ui低于峰值时A1输出为负饱和，一则给D1造成很大的反压造成漏电流，对C1保持峰值不利，二则当Ui再度上升至峰值时运算退出饱和状态需有个恢复时间，动作上会产生瞬间脱节。 七、测试数据分析我们首先对峰值进行了AD采样测试，实际峰值(V)0820.901.011.101.22串口显示(V)0710.810.920.991.12差值(V)0.110.090.090.110.10 由上表可以看出，AD采到的峰值比实际峰值小0.1V左右，因此在最终我们编写程序计算有效值时人为的对峰值加了0.1进行了软件修订，以使结果更加准确。 【参考文献】1Atmel Corp.Atmega16 Data Book. 2童诗白、华成英.模拟电子技术基础（第三版）.北京：高等教育出版社，20013马潮.高档8位单片机Atmega128原理与开发应用指南（上）.北京：北京航空航天大学出版社，20044百度搜索引擎： 【附：原程序】/ICC-AVR application builder : 2009-5-26 9:52:27/ Target : M16/ Crystal: 11.059Mhz #include #include #include unsigned char table=0123456789;float adc0;/保存有效值 void delay_1ms(void) unsigned int i; for (i=0;i1580;i+);/143*crystal-2 void delay(unsigned int n) unsigned int i=0; for (i=0;in;i+) delay_1ms(); void port_init(void) PORTA = 0x00; DDRA = 0x00; PORTB = 0x00; DDRB = 0x00; PORTC = 0x00; /m103 output only DDRC = 0x00; PORTD = 0x00; DDRD = 0x03; /UART0 initialize/ desired baud rate: 9600/ actual: baud rate:9600 (0.0%)/ char size: 8 bit/ parity: Disabledvoid uart0_init(void) UCSRB = 0x00; /disable while setting baud rate UCSRA = 0x00; UCSRC = BIT(URSEL) | 0x06; UBRRL = 0x47; /set baud rate lo UBRRH = 0x00; /set baud rate hi UCSRB = 0x18; void uart_sendB(unsigned char data)/发送数据程序 while(!(UCSRA&(BIT(UDRE) ;/查询寄存器是否为空 UDR=data; while(!(UCSRA&(BIT(TXC);/查询发送是否结束 UCSRA|=BIT(TXC);/清零unsigned int mega16_ad() unsigned int addata; DDRA&=BIT(PA0);/设PA0口为输入 PORTA&=BIT(PA0);/不带上拉 ADMUX=0XC0;/使用片内基准电压源，右对齐，选用ADC0通道0100 0000 ADCSRA=0X80;/ ADCSRA|=BIT(ADSC);/启动AD while(!(ADCSRA&(BIT(ADIF);/等待AD转换结束 /读数据寄存器的值 addata=ADCL; addata=addata+ADCH*256;/0000 00 00 0000 0000 return addata;/TIMER1 initialize - prescale:256/ WGM: 0) Normal, TOP=0xFFFF/ desired value: 1Hz/ actual value: 1.000Hz (0.0%)void timer1_init(void) TCCR1B = 0x00; /stop TCNT1H = 0x57; /setup TCNT1L = 0x41; OCR1AH = 0xA8; OCR1AL = 0xBF; OCR1BH = 0xA8; OCR1BL = 0xBF; ICR1H = 0xA8; ICR1L = 0xBF; TCCR1A = 0x00; TCCR1B = 0x04; /start Timer #pragma interrupt_handler timer1_ovf_isr:9void timer1_ovf_isr(void) unsigned int adc5,i,k1,k2,k3; /TIMER1 has overflowed TCNT1H = 0x57; /reload counter high value TCNT1L = 0x41; /reload counter low value /发送实际的电压 k1=(int)adc0; adc0=tablek1; adc1=.; k2=(int)(adc0-k1)*10); adc2=tablek2; k3=(int)(adc0-k1-k2*0.1)*100); adc3=table