正弦信号参数测量报告.doc

正弦波参数分析仪设计报告摘 要本作品以MSP430单片机为控制核心，由波形变换电路、峰值检测电路、显示电路、单片机自带AD转换电路组成。将信号变为方波后可直接由单片机测出其的频率，其峰值由峰值检测电路转换为直流信号并被单片机测量。关键字：正弦信号;频率;峰值;MSP430单片机;AbstractThis design take MSP430 MCU as control core, Provided by the waveform conversion circuit, the Peak detection circuit,the display circuit, AD conversion circuit in MCU. The frequency of Signal can be directly measured by the microcontroller when it is transformed as square wave , its peak by the peak detector circuit is converted into a DC signal and SCM measurements.Keyword:sinusoidal signal;frequency;Peak;MSP430 microcontroller;一、系统方案论证与比较1、 频率测量方案选择方案一：采用计数器芯片74LS161和8253。该计数器芯片可以精确地对矩形波信号进行计数并直接与单片机交换数据，但其测量频率很有限，外围电路复杂，价格较贵。方案二：利用MSP430单片机内部含有两个定时/中断计数器，且每个定时/计数器均含有16位，可以通过定时器实现测频与测周,能够很好的满足测量频率为高频或是低频时的测量要求。最终选择方案二，同时为了提高频率计的量程，分别对高频和低频信号采用测频和测周的测量方法。且由此设计的频率计具有精度高、测量时间短，耗能少，使用方便等优点。2、 峰值测量方案选择方案一：以运放、二极管以及电容器组成精密峰值保持电路，并通过ADC对保持电路幅度进行测量，同时电路中引入反馈电路，实现方便对输出进行调试。方案二：模拟直接运算变换法。根据有效值数学定义用集成组件乘法器、开方器等一次对被测信号进行平方、平均值和开方等计算，直接得出输入信号的有效值。在这种电路设计中，当输入信号幅度变小时，平方器输出电压的平均值下降很快，输出很小，往往与失调和漂移电压混淆，因此该电路的动态范围很窄，且精度不高。最终采用方案一，其电路实现简单，价格低廉，调试方便，加入反馈电路能对输入信号进行更加准确的测量。 3、数模转换方案选择方案一：8位A/D转换器ADC0809，将电压值通过ADC0809转换为数字量，但其为并行借口，占用MCU芯片管脚较多，同时工作频率受外部频率影响较大，且精度不够高。方案二：MSP430自带10位精度的AD转换功能。最终采用方案二，其精度更高，转换效率更快，不额外占用MCU管脚，电路简洁。4、主控芯片选择方案一：选用STC89C52RC做主控芯片，STC89C52RC是最常用的单片机之一，其优点是价格便宜，容易使用，但其指令运算速度相对较慢，片上资源较少，增加硬件和软件负担。方案二：选用MSP430单片机做主控芯片，MSP430自带10位精度的AD转换功能。硬件结构适合C语言编程，功能齐全，不容易解密，抗干扰能力强。最终采用方案二，考虑到单片机的性能指标以及对外围电路的要求，MSP430可以灵活的实现设计要求。6、显示电路选择方案一：采用数码管显示，数码管显示电路需要实时扫描，显示内容局限于0-9数字和少数字母，显示内容单一，且功耗较大。方案二：采用LCD12864液晶显示，其功耗低、体积小、显示内容丰富，可以显示阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和中文等。其显示内容全面，更为人性化。综合考虑，选用方案二。二、理论分析1.频率测量分析测频法（M法）。对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其频率为：fs=N1/f测为标准闸门宽度，N1是计数器计出的脉冲个数，设在TG期间，计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N1的绝对误差是N1=N1,N1的相对误差为：&N1=(N1-N)/N=(N1-N)/N=1/N由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f已确定的条件下，为减小N1的相对误差，可通过增大TG的方法来降低测量误差。但是，增大TG会使频率测量的响应时间长。当TG为确定值时(TG=1s)，则有f=N，固有f1的相对误差： &f1=(f1-f)/f=(f1-f)/f=1/f由上式可知，f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。测周期法（T法）。首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数。若在T时间内的计数值为N2,则有T2=N2Toscf2=1/T2=1/N2Tosc=fobs/N2N2的绝对误差为N=1，N2的相对误差为：&N2=(N2-N)/N=(N1-N)/N=1/N从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频你标准计数信号的频率成反比。当fosc为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。 T/M法。T/M法测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频信号进行计数，T/M法的测量 在确定的检测时间内，若对被测信号f的计数值为N1，而对高频信号fosc的计数值为N2。但对fosc信号的计数，必须直到f信号在第一个计数器停止计数后的一个完整的f信号周期。由此可得，N1个f信号周期的时间为T2=N2Tosc，故每个f信号周期的时间为T3=N2Tosc/N1则有：f3=1/T=N1/N2Tosc=N1fosc/N2由T3的相对误差可知，T/M法测量的误差与信号频率成正比，与高频标准信号的频率成反比，但随f的增大，N1也在增大（在一定的检测时间内）。由上式还可以看出，T3的相对误差实际上是由M法误差f/fosc两部分组成。选择测频法与测周法同时测量，分别适用于高频和低频信号的频率测量，提高了频率计的量程。当正弦信号为高频时可直接用测频法得出信号频率，当其为低频时经过波形变换将其变换成方波后可用测周法得出信号的周期从而算出其频率。2.峰值测量分析由于设计要求频率范围为（1HZ1MHz），峰值范围为（50mV2V），且不能采用集成芯片。故只能采用基于电容充放电原理的峰值保持电路。二极管电容型峰值检测电路，其采用FET运放提高直流特性，减小偏置电流OPA128的偏置电流低至75fA；将场效应管当二极管用，可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力；小电容应该是防止自激的。实际应用中可以用TL082双运放和1N4148来代替场效应管，性能价格比较高图4二极管电容型峰值检测电路三、电路与程序设计 1、系统整体框图1 系统总体设计框图2、模块电路设计（1）波形转换图2 波形转换电路为了避免对原始信号产生干扰，此电路引入了一级跟随。同时由于单片机不能有效的识别正弦信号，所以需将正弦信号转换为频率相同的方波，故将正弦信号经LM311电压比较器转换为方波信号，从而使单片机准确的判断信号。（2） 峰值测量电路图3 峰值保持电路4、 系统软件设计图5 软件流程图五、测试方案与测试结果1.测试数据表一 数据记录实际值测量值频 率峰 值有效值平均值频 率峰 值有效值平均值12517.715.91.00025.418.016.212000141412731.0001992.21408.71268.31002517.715.999.99525.117.816.010020001414127399.9951987.71405.51265.41k2517.715.91.000k24.917.615.91k2000141412731.000k1988.11405.81265.710k2517.715.99.898k23.316.414.810k2000141412739.898k1977.01398.01258.6100k2517.715.9100.4k21.215.013.5100k200014141273100.4k2013.61423.81281.9500k2517.715.9501.2k22.615.914.3500k200014141273501.2k2015.21424.91282.91M2517.715.91.002M24.417.015.21M1000707636.61.002M983.6695.5626.22、测量结果分析由测试结果可以看出，频率最大误差小于0.5%完全满足指标要求；峰值测量最大误差基本满足指标要求；分析误差产生的原因，除去电路元器件自身特性导致的误差，电路板布局走线也会产生干扰影响测量结果，同时采用充放电的方法测量峰值，充放电时间的控制对于结果有很大的影响，会导致不精确性。3、方法改进合理选取峰值检测中