电信号测量仪的设计与实现

1、电信号测量仪的设计与实现 指导老师：王庆春 报告人：孙新 本系统以单片机为核心设计了一种用于测量频率、周期、脉宽、占空比、峰峰值的简易信号测 量仪，其中还可分辩正弦波与方波，利用单片机的数学运算和控制功能，结合部分中规模数字电路，实现测量中的功能自动切换。各项实测表明，设计原理正确合理，指标符合设计要求。但目前市场上各式各样的LCD数字电子钟大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂，功率损耗大等缺点。因此有必要对数字电子钟进行改进。 选题的意义Page 3基本测量原理n 1、 频率、周期测量 频率的测量按照频率的定义进行：在某个已知的标准时间间隔 T（如 1s）内，测出被测信号重复的次数 N，f=

2、N/T 就是信号频率。基本原理框图如图 1 所示被测信号放大整形时间闸门计数器译码显示晶振分频信号门控信号Page 4图中晶振提供测量的时间基准，经分频后产生准确地时间间隔 T，作为门控信号去开启与关闭时间闸门。闸门开启时，被测信号经过放大整形后，进入计数器进行计数，闸门关闭时，停止计数。若在时间间隔 T 内，计数值为 N，则被测信号的频率 f=N/T。 由于单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，测的频率值，即可通过运算得到周2、 脉宽测量 测量电路在检测到脉冲的上升沿时打开计数器，在下降沿时关闭计数器，所测脉冲宽度为 TW = N / fs ，其中 N 为计数值，fs 为计数器的工作频

3、率。3、 峰值测量 测量正弦信号 VPP 的原理框图如下图所示被测信号峰值电压保持滤波显示Page 5 峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片和一块电压比较器构成。 采样保持器的输出电压和输入电压通过电压比较器进行比较，当 ViV0 时，电压比较器输出高电平，送到采样保持器的逻辑控制端 8 脚，使之处于采样状态；当 Vi 达到峰值而下降时，ViV0，电压比较器输出低电平，采样保持器的逻辑控制端置低电平，使之处于峰值保持状态。4、 相位测量 相位指两个同频率正弦信号间的相位角之差。Page 6三、 系统设计 硬件部分设计 1. 电源部分由于被测信号易受干扰而发生失真，使测量精 确度下降，故自制

4、稳压电源供电电路图如下：Page 7双 12V 的交流电经四个二极管整流、电容滤波后经两个三端稳压管稳压得到 8V 后给系统的运放等供电，再经 7805 稳压管为单片机提供工作电压+5V。 2. 信号整形电路 单片机很难直接对正弦信号进行频率的测量，当正弦波和方波在同一输入端时就更难直接测量，两正弦波的相差也无法直接测量，因而使用整形电路把正弦波变成占空比为 50%，频率不变的方波，便于进行频率和相差的测量。图中，正弦信号用电压比较器 LM393 和 0.1V 的电压作比较，便可得到同频的方波，用于测量其频率。和负 0.1V 比较可得负半波对应的负脉冲，进入单片机后可识别是否是正弦波，原信号和

5、相移后的信号经过零比较后可得到同频的两路方波信号。稳压管用于电平的转换。Page 83. Vpp 测量电路 电路原理图如下：Page 9 由采样保持集成电路 LF398 和电压比较器 LM393、场管等组成峰值电压采样保持电路，其原理是：输入的电压进入采样集成，对电容充电，电压达到最大值（峰值）之后，输出的电压和输入的电压作比较，电压达到最大后，由于输出电压大于圆锥形入电压，比较器的输出使采样集成禁止电压的输入而保持峰值不变。运放 OP07 用于对信号进行两倍的电压放大，满足 A/D 转换器ADC0832 的最大电压分辩条件。ADC0832 是一个 8 位串行 A/D 转换器，用于采集正弦信号

6、的 Vpp 值。4. 系统控制电路 此部分是系统的主要控制部分，要完成信号的选通和计数脉冲的分频，及显示数值功能，两个模拟电子开关集成 CD4052 作为信号的选通开关，8253 作为计数脉冲的分频，LCD1602 作为系统的显示器件。Page 10二、软件部分设计 系统程序流程开始初始化否则检测信号输入信号指示是否为方波是则测量脉宽、占空比否则测量相位差、峰峰值显示NPage 11四、 系统指标测测1、指标测测 频率、周期测测： 用函数信号发生器产生频率范围为 1Hz10KHz 的方波信号（TTL 电平，占空比 50%，用标准频率计测的标准频率，再用设计的测量仪测出频率，求出误差。 脉宽测测：用函数信号发生器产生频率范围为 1Hz10KHz 的方波信号，用标准周期测量仪测出周期，再除以 2，得到标准脉宽，再用设计的测量仪测出脉宽，求出误差。 占空比测测：用函数信号发生器产生频率范围为 1Hz10KHz 的方波信号，用标准周期测量仪测出周期，用标准数字频率计测出脉宽，两者相除，得到标准占空比，再用设计的测量仪测出占空比，求出误差。 峰值测量：用用函数信号发生器产生频率范围为 1Hz10KHz 的正弦波信号，用标准交流毫伏表测出有效值，通过运算得到标准峰值，再用设计的测量仪测出占空比，求出误差。 Pag