单片机产生准确频率正弦波的新方法_图文

1、一种用单片机产生准确频率正弦波的新方法刘根据,等一种用单片机产生准确频率正弦波的新方法New MCUbased Method of Generating Sine Wave with Precise Frequency纠根据1饧廷孝12旅艳阳2侯勤宏3(延安大学西安创新学院1.陕西西安710100:西北大学光子学与光子技术研究所2,陕西西安7l0069;铁道部产品质量监督检验中心信号产品检验站3。陕西西安710048摘要:介绍了单片机产生正弦波的原理,误差分析表明低速单片机产生正弦渡时频率会产生比较大的累积误差。提出了一种利用低速单片机产生准确频率正弦波的方法,并与传统方法产生的误差做了比较,

2、结果表明这种方法大大提高了正弦波频率的准确度,最后给出了软件流程图。该方法在铁路轨道电路测试系统的应用中取得了很好的效果。关键词:单片机正弦波准确度稳定度失真度中图分类号:TP31l文献标志码:AAbstract:The prineiple of generating sine wave by using single chip computer is introduced.From ell'or analysis-it is indicated that accumulated error of the frequency of sine wave generated by low

3、speed single chip computer is bigger,thus the method of generating sine wave with accurate frequency is proposed with still using low speed single chip computer.Comparing with the traditional method,the accuracy of frequency of sine wave is greatly enhanced.The flowchart of￥oftware is given finally.

4、The proposed method has been used in circuit teat system for railway tracks. Keywords:MCU Sine wave Accuracy Stability Distortion factor0引言正弦波作为信号源在实验与工程技术中有着广泛的应用,频率的稳定度和准确度是正弦波信号的两个重要技术指标。由单片机产生的正弦波频率的稳定度和单片机时钟晶体振荡器的稳定度相同,远远高于由RC或Lc产生的正弦波频率的稳定度,很多单片机内部都有DAC,不用外接DAC就可以方便地产生正弦波,具有频率调整方便、灵活以及价格低廉等优势。

5、因此,采用单片机产生正弦波成了很多工程技术人员的首选。然而,由于普通单片机的速度较低,这种方法产生的正弦波的频率准确度往往不够高,一般采用高速单片机来解决这个问题,但高速单片机价格相对较高。本文采用一种新方法,用较低速度的单片机产生了较高频率准确度的正弦波。1单片机产生正弦波的原理及误差分析1.1单片机产生正弦波的原理波形产生原理如图1所示。西安市创新基全资助项目(编号:XAAM-200712。修改稿收到日期:200804一II。第一作者刘根据,男,1957年生,1982毕业于成都电讯工程擘院(现电子科技大学测量及电子仪器专业,获学士学位.高级工程师;主要从事单片杌、测量与控啻j技术等方面的研

6、究。自动化仪表第30卷第2期2009年2月“I噶图1正弦波产生示意图Fig.1The schematic diagram of sine wave geaeration单片机产生正弦波的具体过程是:根据所要产生的正弦波频率六求出正弦波的周期死,然后根据所产生的频率高低及单片机的速度确定J7、r口3。为了方便编程,一般取32、64、128、256、512等数值。依据上述条件可得:rn=骨(1固定周期%用单片机的定时器实现时是由若干计数脉冲组成,计数脉冲周期%一般又是单片机时钟周期t。的若干倍,对于51系列来说计数脉冲周期一般为时钟周期的12倍。目前,一些新的以5l为核的芯片速度更快,像PHILI

7、PS P89PLC900系列机器周期等于时钟周期的2倍,有的甚至可以达到计数脉冲周期(或机器周期等于时钟周期,即:%=to一旦时钟确定,n也就固定了。一个固定周期n 内的计数脉冲数就可以通过下式计算出来:63一种用单片机产生准确频率正弦波的新方法刘根据,等肚int(等(21.2单片机产生正弦波的误差分析由前面分析知,产生的正弦波周期为:瓦=N×n=N×M×%(3一个疋周期内相对误差为:y=篙NM岛=LM号T1,=一=一=一l.J 7××r.,、7用16MHz时钟的PHILIPS P89PLC935单片机产生正弦波,其定时器输入脉冲周期为时钟周期

8、的2倍,所以%计算如下:乙2玄×22赤×2=¨25(壮s若要产生2300Hz的正弦波,其周期为:疋:丢:上:434.783(斗s 230015一f一一p叫取N=128,则:孔:量:业:3.97(斗s N1281撑一一一Jp。,M=每=器翊.M只能取整数,于是取值为27,则最大相对误差为:y=古=古以7%y2面2万纠%由此可见,要减小误差,只能通过减小%,即采用高速单片机(时钟周期。小的单片机,但这样会增加成本。2解决方法113方案中整个疋内n的周期是相等的,一般在计算M时只能取整数(M等于TN/%后取整,TN小于实际需要值,于是就产生了量化误差,经过N次累积,误差

9、就增加了N倍。这里可以采用一种新的方法来解决这个问题。在N个固定周期中,将J7、分成1与2两部分,】的周期和原计算的值相同,而让2的周期比v.的周期大L个%,这样由N2所增加的%就弥补了由于取整所减小的时间,通过计算合理的2就可以抵消累积误差。相关参数计算如下:N=N。+2(5瓦=Nl×z名×M+r2×7k×(M+1(6心n惜int阱int(矗(7卟int高山tTs炉在整个周期疋内最多只有一个L误差,这样相对误差就变成为:TMT7咒Nl×毛×膨+鸩×乙(M+1一=一一Nl×M+N2×M+N2NM+N2NM

10、(9可见,误差比原来小了倍,从而提高了输出正弦波频率的准确度。仍以上述例子参数进行分析,采用这种方法时,最大相对误差为:y=击=击=0.0289%12827V=一=.NM x可见,相对误差已经很小了,实际提高了128倍。这种方法基本上能满足一般的工程技术要求。若采用速度较快的单片机,精度就更高了,在保证定准确度的前提下。可以适当地取较大的/v值以减小正弦波的波形失真。3结束语单片机产生正弦波时正弦波的准确度和失真度是一对矛盾,对于正弦波失真度要求不高的场所可以采用低速单片机产生较高频率准确度的正弦波,对于失真度要求较高的情况下可采用在输出端连接简单的RC电路进行滤波平滑处理,以减小量化带来的波

11、形失真。在铁路轨道电路测试系统中,要求信号频率准确度很高,我们采用这种方法在PHILIPS P89LPC935单片机上产生了一组正弦波(频率为2600Hz、2300Hz、2000Hz、1700Hz,圆满地完成了任务。参考文献1周立功.LPC900系列Flash单片机应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社.2004:2325.2曾志海,陈欣卓,胡瑞华.基于C8051F005的数字正弦函数发生器的设计J.自动化仪表,2006,27(5:52-53.3冯建雨.单片机控制的函数发生器设计与实现J.机床电器,2005。32(5:4549.4何香玲,郑钢,范秋华.数字化波形发生器的设计J.电子技术应用,

12、2007(3:6-7.5牛卫华,马飞,一种高精度正弦波信号电路的设计与实现J.电子工程师,2005,30(5:1920.6陈忧先.基于单片机技术的正弦波波形失真度控制J.仪表技术,2004(3:4546.7王宝库.基于单片机、EDA技术的波形发生器的设计J,微计算机信息.2005,21(10:111112.64PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVoL 30No.2February 2009 一种用单片机产生准确频率正弦波的新方法作者:刘根据, 杨延宁, 张艳阳, 侯勤宏作者单位:刘根据(延安大学西安创新学院,陕西,西安,710100, 杨延宁(延安大学西安创新学院

13、,陕西,西安,710100;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西,西安,710069, 张艳阳(西北大学光子学与光子技术研究所,陕西,西安,710069, 侯勤宏(铁道部产品质量监督检验中心信号产品检验站,陕西,西安,710048刊名: 自动化仪表英文刊名:PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION年,卷(期:2009,30(2被引用次数:0次参考文献(7条1.周立功LPC900系列Flash单片机应用技术 20043.冯建雨单片机控制的函数发生器设计与实现期刊论文-机床电器 2005(056.陈忧先基于单片机技术的正弦波波形失真度控制期刊论文-仪表技术 2004(0

14、37.王宝库基于单片机、EDA技术的波形发生器的设计期刊论文-微计算机信息 2005(10相似文献(10条Jianping基于Mega8单片机和AD9833的正弦波信号发生器-石油仪器2007,21(6正弦波信号作为一种基准信号广泛应用于各种电路中,产生正弦波信号的方法有很多种,DDS(Direct Digital Frequency Synthesis直接数字频率合成器作为一种新型技术,具有相对带宽宽,频率转换时间短,频率分辨率高,控制灵活方便等优点,成为现代频率合成技术中的佼佼者.AD公司生产的AD9833是一款低功耗、可编程波形发生器,在Mega8单片机的控制下可生成012.5 MHz的

15、正弦波,还可以生成三角波和方波.经现场验证,基于Mega8单片机和AD9833的正弦波信号发生器,可以非常方便地生成各种频率的正弦波.2.学位论文王俭电磁流量计低频正弦波励磁方法的研究2006电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的速度式流量计。电磁流量计的励磁方式很多,也各有各的优缺点。目前,国内外厂家普遍采用低频矩形波励磁方式,但正弦波励磁方式也有应用。然而在正弦波励磁方式下,电磁感应产生的微分干扰(又称为变压器效应,其干扰幅值与频率成正比,相位比流量信号滞后900,而且实际中一般又远远大于流量信号,所以如何克服微分干扰电势的影响是正弦波励磁技术的主要难题。现有的正弦波励磁下的抗干扰技术复杂且

16、并不可靠,难以保证流量计的零点稳定性和精度,这也正是正弦波励磁技术退出主流行列的原因。针对这一情况,为提高正弦波励磁下的抗干扰技术,提高仪表性能,作者采用了新型的信号处理方法,即把线圈内的励磁电流信号与两电极输出的流量信号相乘,所得乘积的直流成分和流量呈正比。采用这样的处理手段,在任何流速下(包括零点,微分干扰与励磁电流信号相乘后都会被作为交流量滤去,它将不再影响测量结果,这就减小了微分干扰的影响,提高了流量计零点稳定性和测量准确度。本文基于以上的认识,研制了基于低频正弦波的励磁方式的电磁流量计样机。具体进行了以下工作:(1通过查阅国内外相关文献,详细了解电磁流量计的基本原理、发展历史及现状的

17、基础上提出了正弦波励磁方式下的新型的信号处理方法;(2把作者设计的信号处理方法在电路上得以实现,研制了采用低频正弦波作为励磁方式的基于MSP430单片机的电磁流量计样机;(3对低频正弦波励磁方式进行了试验比较,通过低频正弦波励磁方式的不同励磁频率之间和不同采样方式之间的瞬时流量和累计流量的对比,研究并验证了低频正弦波励磁方式的优越性。介绍利用51单片机的内部定时器输出的脉宽调制(PWM波来实现高精度低频正弦波的方法,并给出对应的硬件电路和C51语言源程序及正弦数据计算方法.4.学位论文孟克其劳正弦波逆变器的智能化设计2003该研究开发工作分为四部分:1,理论上通过傅里叶(Fourier级数分析

18、不同逆变电路所应用的不同SPWM波的谐波分量,并结合实际逆变电路进行仿真分析,充分了解SPWM技术的谐波抑制特性.2,硬件电路设计及仿真调试.将单片机技术、自动控制技术及电力电子技术应用于DC/AC电源逆变器的设计中,开发出灵活可靠的单相正弦波逆变器硬件电路.为了防止串扰和控制可靠,我们采用了光耦和隔离变压器严格隔离控制电路与其它逆变器电路.3,软件设计及仿真调试.该户用风光互补逆变电源装置以ATmega8单片机为核心,使用汇编语言开发实现逆变桥所要求的SPWM触发波形,同时在各种故障情况下软件迅速保护处理,体现逆变电源的灵活性和可靠性.4,通过实验证实和评估所开发的正弦波逆变器.我们坚信,不久的将来太阳光伏发电、风力发电或其它清洁能源的发电已逐渐从解决特殊领域供电(如通讯、边远地区民用生活用电转向和常规能源一样,进入电力市场.大功率逆变器将成为电站的核心部件.介绍了采用PIC单片机来实现SPWM数字化调制控制的逆变电源设计方法,给出了该逆变器的硬件电路工作原理、SPWM波形的产生方法以及PI控制算法,并通过PIC单片机完成了正弦波逆