简易信号测量说仪论文.docVIP

PAGE PAGE 4 简易信号测量仪（C1题） 摘 要 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。 Abstract A simple signal instrument base on a microcontroller can measure frequency, period, pulse width , duty cycle and Vpp, and can differentiate sine wave from square wave .By taking full use of the microcontroller and by combining some middle scale IC, can switch automatically among different function. The test shown that the theory is correct and reasonable, and index satisfy the requirement of design. 方案比较及论证 方案比较 方案一：系统测频部分采用中小规模数字集成电路，对输入信号作分频整形处理后，再与1s脉宽的标准信号相与，其输出作为计数脉冲，由计数器计数，然后锁存、译码输出到数码管显示。该方案的特点是硬件电路简单，但工作速度低，精度差，难以达到设计要求，而且不能测量周期与占空比。 方案二：系统采用可编程逻辑器件作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。该方案集成度高，但可编程逻辑器件价格较高，在本题中使用，将导致系统性能价格比降低。 方案三：系统采用MCS-51单片机AT89C52作为控制核心，由于单片机自带计数器的计数频率上限较低，输入时钟的频率通常只能是系统时钟频率的几分之一甚至几十分之一，因此采用外部计数器对输入信号进行计数，计数值再由单片机读取，单片机只完成运算、控制及显示功能。该方案由于采用单片机技术，使其具有智能化的特点，简化了硬件电路， 提高了测量精度， 同时也能利用软件对测量误差进行补偿，并能方便地对系统进行功能扩展与改进。 方案确定 分析以上三种方案的优缺点，方案三具有更大的优越性、灵活性，因此我们采用方案三作为具体实施的方案。 基本测量原理 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=N/T就是信号频率。基本原理框图如图1所示 放大整形 放大整形 时间闸门 计数器 译码显示 门控信号 晶振 分频电路 被测信号 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期数。 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 ，其中N为计数值，fs 为计数器的工作频率。 峰值测量 测量正弦信号VPP的原理框图如下图所示 被测信号峰值电压采样保持 被测信号 峰值电压采样保持 滤波 显示 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。 相位测量 相位指两个同频率正弦信号间的相位角之差，测量方法如图4 所示， 放大整形 放大整形 时间闸门 计数器 译码显示 门控信号 晶振rdfe振 振RDFR振 被测信号1 被测信号2 放大整形 相位差Φ=3600（Tφ/T），Tφ为两方波前沿的时间差，T为正弦信号周期。 系统设计 = 1 \* GB4 ㈠ 硬件部分设计 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，故自制稳压电源供电，其原理图如下： 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。 信号整形电路 电路原理图如下 单片机很难直接对正弦信号进行频率