三角波信号参数分析仪

1、TITITI 校内选拨赛校内选拨赛校内选拨赛- - -简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪1目目目目 录录录录 一一 总体方总体方案案11.总体设计框图2.方案论证与比较二理论分析与计算二理论分析与计算21.频率测量理论误差分析2.三角波斜率变换测量理论以及 pwm 调制输出四主要电路设计四主要电路设计.32 1.三角波幅值测量电路2.三角波方波变换电路3.斜率脉冲宽度转换电路五软件设计流程五软件设计流程.141.软件流程介绍2.软件流程图六系统测试与误差分六系统测试与误差分析析.151.测量仪器与环境2.测量数据3.误差分析七经验和心得七经验和心得.16八

2、参考文献八参考文献.16 TITITI 校内选拨赛校内选拨赛校内选拨赛- - -简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪2简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪电子科技大学电子科技大学 白云碎了白云碎了【摘要摘要】本系统采用 SOC 单片机 C8051F020 为数据处理核心，以波形变换、PWM 脉冲宽度调制为测量前端处理思想，由三角波波形发生、三角波方波转换、频率测量、幅度测量、液晶显示部分组成。系统使用 T 法并引用等精度的思路来实现对频率的测量。前端通过比较器构成的峰值检波电路实现对幅度的测量。斜率的测量则采用将三角波变换为一定占空比的方波，再采

3、用 PWM脉冲宽度调制输出一定的电压值，从而将三角波斜率转化为不同的电压值来测量。整体系统架构集中在单片机和模拟前端上实现了题目要求的各种功能。【关键词键词】C8051F020 波形变换 等精度测频 脉冲宽度调制【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、 总体方案设计总体方案设计1.1. 总体设计框图总体设计框图TITITI 校内选拨赛校内选拨赛校内选拨赛- - -简易三角波信号参数分析仪简

7、易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪3三角波发生电路三角波方波转换电路频率测量C8051F020 单片机斜率占空比转换电路PWM 调制直流输出(幅度测量)三角波幅度检波电路幅度测量电路液晶显示 图 1 系统设计框图2.2. 方案论证与比较方案论证与比较1)1) 三角波发生三角波发生方案一：使用模拟运放典型的三角波产生电路原理是将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到三角波电压，在实用电路中，将方波发生电路中的 RC 充、放电回路用积分运算电路来取代，滞回比较器和积分电路的输出互为另一个电路的输入，滞回比较器输出为方波，经积分运算电路后变换为三角波。方案二：使用 M

8、AX038MAX038 是一种高频精密函数发生器 ,它可以使用最少外部元件而产生三角波、 正弦波、方波。占空比和频率独立可调，输出频率范围为 0. 1Hz20MHz ，占空比调节范围为 10%90%。由于本题目三角波的频率动态范围较大（1K300K） ，如果用方案一则对积分器要求较高，频率稳定度很难做高且电路较复杂工作量大。2)2) 频率测量频率测量方案一：使用 FPGA 进行计频，使用等精度测频的思路，来进行频率测量，这种方式测量频率准确。不过对于此题的指标来说，使用 FPGA 使得系统构架整体在数字电路上实现，系统更庞大昂贵，没有必要。方案二：利用 T 法测频的思想，使用单位时间内数脉冲数

9、方法，并且时间间隔以信号下降沿触发中断来实现，这种方式运用了等精度测量的思想，并且实现简单，很容易移植在各种单片机上。3)3) 幅度测量幅度测量方案一：使用高速比较器结合峰值检波的方式来得到三角波分峰值，利用C8051 单片机的内部 AD 直接测量。方案二：使用 FPGA 结合内部 AD 进行采集三角波信号，然后通过最小二乘拟合计算来恢复三角波的波形，来计算三角波的幅值。4)4) 斜率测量斜率测量方案一：采用高速 AD 高速采样方式或者低速 AD 等效采样的方式来对三角波进行波形采样，然后使用最小二乘法进行波形恢复，高速 AD 可以使用 FPGA 来控制。这种方式比较直接简单，但是高速 AD

10、价格比较高，等效采样的精确不利于TITITI 校内选拨赛校内选拨赛校内选拨赛- - -简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪4提高系统总体性价比。方案二：使用 PWM 解调的思路，先将三角波整形为方波，后面使用低通滤波器解调出一定幅度的直流波形，对直流的幅度进行测量即可得到三角波的斜率。最终选择方案：最终选择方案：本题如果使用 FPGA 可以达到比较优异的指标，然而电子设计大赛贵在对基本电路的认识和理解，FPGA 和高速 AD 也会使得系统整体造价上升。故综上，我们选择使用传统的单片机+模拟电路的信号变换的手段，而且也能很好地达到题目要求指标。所以选择利用单片

11、机测量频率，峰值检波获得三角波的幅值，斜率测量则利用三角波斜率到方波占空比的变换，再利用 PWM 调制的思路，利用低通滤波器来获得定量的直流电压，最后使用单片机一定计算来得到三角波斜率。三角波发生模块由于是一个测试的前端，用芯片 MAX038 即可方便实现。二、理论分析与计算二、理论分析与计算1.1.频率测量频率测量单片机 T 法测频：测量固定数目脉冲的时间，将脉冲数处以时间即为所测频率。为了防止漏掉脉冲，系统吸收了等精度测频的思想，以脉冲下降沿触发从而计数脉冲以消去第一个脉冲的不确定起始时间。测量 N 个脉冲数以后触发计数器停止工作。频率计算公式推导： （1）TpulsemVNF （2）TN

12、TFTV 式中：为计时器 T 的定时时间，为测量得到的脉冲数，为测量对TVpulseNmF象的频率，为程序中定时器的定时全局变量，为定时器的记时频率。记时NTTF频率为系统时钟在本程序中即等于外部晶振频率。在本系统中，使用的晶振为22.1184MHz，误差范围在 50PPM100PPM 之间，若不采用等精度测量的思路（会漏掉一个脉冲数） ，则忽略晶振误差（在此我们一个测量周期的脉冲数为1000 来算） ，最大理论误差:（3）%10. 0%1001000/11000/1999/1在此若用脉冲触发来开始计数，则误差主要来源为单片机程序中不可避免的程序操作时延和中断时延造成，如果忽略这部分误差，系统

13、测频的误差为晶振误差（按最大 100 10）引起。为了抵消这部分操作延时，在程序中进行了补6偿。也就是说单片机 T 法测频的最大理论误差（忽略中断程序延时）为：1000（100 10）/10000.00045%（4）610 22.118416这个误差完全可以忽略，所以误差来源基本上时操作延时误差和计算时的截断误差。操作延时在汇编中进行观察，并在程序的计数时间中进行补偿，可以基TITITI 校内选拨赛校内选拨赛校内选拨赛- - -简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪5本抵消。最后程序测试单脉冲测量在 0.1%以下，已经满足题目要求。三、主要电路设计三、主要电路

14、设计1.1.三角波幅度测量电路三角波幅度测量电路峰值检测电路（PKD，Peak Detector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出 Vo = Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。本题的峰值检测电路如图 2： 图 2 三角波峰值检测电路3.3. 三角波斜率测量的波形变换三角波斜率测量的波形变换此模块的主要功能是将三角波的占空比转换成方波的占空比，其原理是利用已检测出来的峰值经过电位器分压（分压比 4/5 左右）后，与输入三角波进行比较，产生正峰值脉冲，同理将三角波峰值反向后与输入三角波进行比较，则产生负峰值脉，在讲两个峰值脉冲相或

15、，产生峰值脉冲，最后通过 D 触发器产生与三角波占空比相同的方波，电路图如图 1： 图 3 三角波斜率方波占空比变换电路信号流图如图 4：TITITI 校内选拨赛校内选拨赛校内选拨赛- - -简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪6图 4 信号流图4.PWM4.PWM 脉冲调制电路脉冲调制电路PWM 脉冲调制电路是将方波占空比转化成直流电平，便于测量。电路图如图 3，串联电感 L1 和并联电容 C1 形成一个低通滤波器该滤波器用来恢复方波的直流放量，二极管D1 用来一直有电感产生的瞬时负电压，称这个二极管为捕捉器二极管或续流二极管。图 6 低通滤波电路四、软件

16、流程四、软件流程测量频率按键状态改变？变？改变测量模式测量电压显示数据测量占空比比比检查按键，改变按键状态开始TITITI 校内选拨赛校内选拨赛校内选拨赛- - -简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪简易三角波信号参数分析仪7图 6 软件流程图五、系统测试与误差分析五、系统测试与误差分析1.1.测试仪器与环境测试仪器与环境Textronics 示波器一台F40DDS 信号源一台SP1643B 信号源一台地点：电子科技大学科研 A3042.2.测量数据测量数据三角波幅度测量：测量方法： 频率（HZ）幅度标准值400Hz1000Hz100KHz300KHz标准值 500mv标准值 1V标准值 5V三角波频率测量测量方法：三角波斜率测量测量方法：其他数据如方波幅度测量结果，图形显示三角波结果，由于篇幅原因，放在附录。在题目要求的各个方面系统都达到了很好的指标。扩展功能实现：1. 正弦波幅度，频率测量，图像显示结果