低频信号分析仪

1 低频信号分析仪 摘要摘要 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 彩频显示及触摸输入 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 数据 处理则由芯片 AT89C51 来完成 其负责把 ADC0808 传送来的数字量经过一定的 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 1 关键词关键词 飞思卡尔单片机 过零比较器 TFT 显示 触摸屏 引言引言 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 2 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 V 5V 频率范围为 50Hz 50kHz 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 根据设计要求 选择飞思卡尔 MC9S12X128 单片机为核心控制器件 信号的放大整形用 OP37 进行过零比较 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 图 1 数字电压表系统硬件设计框图 单片机控制的数显频率计电路系统框图 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 MC9S12X128 单片机 信号 放大和 比较 液晶显示 电源模块 3 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 电源模块 为单片机和液晶显示器提供工作电源 放大比较 对信号进行整波并将微小交流电压量放大 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 4 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 40 125 封装 PQFP 80 2 1 2 MC9S12X128 各引脚功能 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 5 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 Op07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25 V 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 特特点点 超低偏移 150 V 最大 低输入偏置电流 1 8nA 低失调电压漂移 0 5 V 超稳定 时间 2 V 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 6 三 系统的软件设计三 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 1 程序框图 主程序及各子程序的框图见图 主程序框图 LCD 程序流程图 2 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 开始 初始化 被测信号输入 测量电压和频率 显示 结束 7 四 心得体会四 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 五五 参考文献 参考文献 2 李广弟 单片机基础 北京 北京航空航天大学出版社 1994 3 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 6 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 8 附录附录 1 1 电路简图电路简图 电压电路图电压电路图 9 附录附录 2 2 元器件清单元器件清单 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 2 10mm 铜柱 10mm12 OP37 比较器 1 电位器103 104 6 拨码开关6 合 1 1 指示灯红色 1 二极管 IN40074 附录附录 3 3 程序清单 程序清单 include common defines and macros include derivative h derivative specific definitio 10 include LCD h include Panel h LCD color define White 0 xFFFF define Black 0 x0000 define Blue 0 x001F define Blue2 0 x051F define Red 0 xF800 define Magenta 0 xF81F define Green 0 x07E0 define Cyan 0 x7FFF define Yellow 0 xFFE0 extern 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 0 xc0 0 x05 REFDV 0 x80 0 x01 POSTDIV 0 x00 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 0 x40 脉冲计数 下降沿 PACNT 0 x0000 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 11 TFLG1 0 xFF 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 0 x00 7 1 外部触发 65 00 8 位精度 4 放电 3210 ch ATD0CTL2 0 x40 禁止外部触发 中断禁止 ATD0CTL3 0 xa0 右对齐无符号 每次转换 4 个序列 No FIFO Freeze 模式下继续转 ATD0CTL4 0 x01 765 采样时间为 4 个 AD 时钟周期 ATDClock BusClock 0 5 PRS 1 ATD0CTL5 0 x30 6 0 特殊通道禁止 5 1 连续转换 4 1 多通道轮流采样 ATD0DIEN 0 x00 禁止数字输入 void Dly ms int ms int ii jj if ms 1 ms 1 for ii 0 ii ms ii for jj 0 jj 2670 jj busclk 16MHz 1ms 12 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 ss 6 unsigned int lx ly k h 13 unsigned int AD val unsigned int Gewei Xiao1 Xiao2 Xiao3 Xiao4 unsigned int YGewei YXiao1 YXiao2 YXiao3 YXiao4 unsigned char TempData 6 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 TempData 0 0 fraq 100000 14 TempData 1 0 fraq 10000 10 TempData 2 0 fraq 1000 10 TempData 3 0 fraq 100 10 TempData 4 0 fraq 10 10 TempData 5 0 fraq 10 LCD PutString 80 100 TempData Red Blue duibi 0 for i 0 iduibi duibi AD val if AD val 5 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 TempData 0 0 Gewei TempData 1 TempData 2 0 Xiao1 TempData 3 0 Xiao2 TempData 4 0 Xiao3 TempData 5 0 Xiao4 LCD PutString 80 140 TempData Red Blue Dly ms 100 Caiyang 0 for CaiZH 0 CaiZH 10000 CaiZH 15 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 51 YXiao1 AD val 6 10 51 100 51 10 YXiao2 AD val 6 10 51 100 51 10 YXiao3 AD val 51 100 51 51 100 51 10 YXiao4 AD val 51 100 51 51 100 51 10 TempData 0 0 YGewei TempData 1 16 TempData 2 0 YXiao1 Temp