信号参数测量仪-安徽理工大学校电子设计竞赛

第四届大学生电子设计大赛（论文）题目：信号参数测量仪参赛学院：电气与信息工程学院参赛队号：参赛队员：张亚运祁辉汪星星信号参数测量仪1目录摘要。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2引言。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2一设计方案及初步论证。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。21.1频率测量方案1.2幅值测量方案1.3方案确定二方案实现。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。42.1信号发生器及波形控制电路设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。42.2信号频率测量电路设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。42.2.1信号频率测量原理及误差分析2.2.2信号频率测量框图2.2.3电路原理图2.2.4软件流程图2.3信号幅值测量电路设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。72.3.1信号幅值测量原理及误差分析2.3.2信号幅度测量框图2.3.3电路原理图2.3.4软件流程图2.4数字显示模块实现。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。92.5附加功能。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10三电路元器件、系统总电路图及源程序。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10四总结。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17信号参数测量仪2摘要本设计是基于单片机AT89C51的信号发生器及频率和幅值测量仪的设计和实现。信号发生器基于ILC8038芯片及外围电路设计的通过控制电阻的大小可以改变频率及幅值。对于幅值测量，先将信号通过峰值保持电路之后再通过单片机处理。频率测量采用低频和高频分段测量，对于低频段采用直接测频法可以满足误差的要求，对于高频段采用分频测量法能满足高精度测量。A/D转换采用LTC1865(16位A/D转换芯片)能够完成模数转换任务。LED显示模块采用1602LCD完成显示任务。关键字：AT89C51、ILC8038、LTC1865、LCT1602引言目前方波，三角波，正弦波的使用越来越广泛，在通信、计量、测量技术和仪器等领域扮演重要较色，对信号参数的控制及测量也显得极其重要，其中，对其参数(幅值、周期、频率)测试尤其重要。基于ILC8038芯片的函数信号发生器结构简单易于控制其幅值，周期，频率等参数。以单片机为核心的脉冲信号参数测试仪和控制装置，小巧方便，便于携带，且易于扩展和技术更新，鉴于此，设计开发了基于单片机的信号参数测试仪。测试仪的主控器件采用AT89C51单片机，它具有强大的数据采集、存储、运算和控制功能。由设计误差要求可以看出这是一个对精度要求很高的系统，需要选择合适的算法。设计思路为，对于低频信号单片机可以直接测量，而对于高频信号单片机无法直接测量，信号必须经分频处理才能测量。对幅值的测量，可以将信号先经过峰值保持电路处理然后再经A/D转换成数字信号交由单片机处理。一：设计方案及初步论证1.1频率测量方案方案一(传统方法)：此方案对输入信号做分频整形后，再与1s的脉宽的信号共同输入与门，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。该方案硬件结构简单，但工作速度低、精度差不能满足设计要求，所以此方案不理想。方案二（分频测量法）：采用功能较强、兼容性较好、性价比高的89C2051单片机，将欲测量的输入信号（1HZ~10MHZ）分为三个频段，1HZ~50KHZ、50KHZ~1MHZ、1MHZ~10MHZ。接着对信号进行整形、分频，利用单片机进行直接测频法。在阀门时间T内，被计数的脉冲送到计数器中进行计数。设计数器的值为N，可得f=N/T这种方案采用单片机技术，使得其具有智能化的优点，简化了硬件电路，提高了测量精度，同时也能用软件对测量误差进行补偿，这给调试维护及功能的扩展信号参数测量仪3带来了极大的方便。此方案很理想，可以满足设计要求，所以频率测量选择此方案。1.2幅值测量方案方案一（取样法）:此方案采用取样法，设在时间间隔t内对待测的信号进行取样1次，设在时间T内对信号进行了N次取样，然后经单片机及相关软件处理数据并比较大小，取最大得值即是是所测峰值，此方案在低频段精度较高，但在高频段，取样的时间间隔不能满足高频率的要求，所测结果误差较大，方案不理想。方案二（变直流测量法）:此方案先将信号经峰值保持电路整流成与原信号幅值相等的直流电信号再进行测量，用单片机采集由ad转换器转换得到的电压信号，在进行运算，显示。可以实现对峰值的准确测量，能满足设计要求。1.3方案确定综合比较以上各种方案的优缺点，考虑各方面原因，对于频率测量选择频率测量方案三，而对于信号幅值测量选择幅值测量方案二。根据所选方案确定系统结构框图如图1所示。高频信号信号发生器低频信号分频处理信号预处理（方波转换、电平转换电路）经1602LCD显示T0、T1计数阀值时间内脉冲数信号经峰值保持电路LTC1865(16位串行A/D)转换）分压电路T0、T1计数阀值时间内脉冲数单片机系统图1系统结构框图信号参数测量仪4二：方案实现2.1信号发生器及控制电路的设计信号发生器是基于芯片ILC8083设计的，其电路原理图如图2所示。其中端口9发出方波信号，端口2发生正弦信号，端口3发生三角波信号，控制电路如图中所示，通过改变滑动变阻器RV1、RV2、RV3的阻值可以控制信号的频率及幅值的大小产生满足设计要求的信号。图2信号发生器（用proteus绘制）2.2信号频率测量电路设计2.2.1信号频率测量原理及误差分析由于设计要求的被测频率范围较宽为了便于信号的测量把整个频率测量范围分为三个频段：1Hz~50KHz段：该频段内由定时器T1定时50ms，循环20次得到1s的闸门时间，并由其控制计数器T0计数脉冲个数计得脉冲数即为信号频率。设计数脉冲个数为N，则。频率值:F=N50KHz~1MHz段：该频段内信号先经16分频，使其频率降为3125HZ~6250HZ，闸门时间设为1s，由T1作闸门时间计数器，由T0计数被测脉冲个数，则T1中的数值乘以16即为被测信号频率，其绝对误差为±16HZ.最大相对误差:δ=16HZ/50KHZ=0.0325%〈1%频率值:F=N*16信号参数测量仪51MHz~10MHz段：该频段内信号先经512分频，闸门时间为1s，由定时器T1提供闸门时间，T0计数被测脉冲个数，则信号频率为T1计数值乘以512。这样测量的绝对误差为±512HZ.最大相对误差:δ=512HZ/1MHZ=0.512%〈1%频率:F=N*5122.2.2信号频率测量方框图端口Input1可输入被测信号的范围是1MHZ~10MHZ，信号需经512分频才能测量。端口Input2可输入被测信号的范围50KHZ~1MHZ，信号需经16分频才能测量。端口Input3可输入被测信号的范围是1HZ~50KHZ。图3信号频率测量方框图2.2.3电路原理图信号整形放大及分频电路，如图4所示，将信号经整形电路转换为方波信号，经芯片max232处理变为TTL电平信号.16分频电路由一块74HC161组成，由Q3端输出，完成2^4=16分频。512分频电路由三块74HC161串联组成，分别接在Q3，Q3，Q0，完成2^（4+4+1）=512的分频。完成经分频处理，使高频信号成为可以满足测量要求的方波信号。Input216分频Input1低频输入512分频单片机基本系统Input3P3.5/T1P2.2P2.3P2.4INPUT1输入检测INPUT2输入检测INPUT3输入检测中频输入高频输入信号参数测量仪6图4整形放大及分频电路（proteus绘制）2.2.4软件流程图如图5所示频率测量子程序1HZ~50KHZ50KHZ~1MHZ闸门时间1s信号16分频T1定时时间50ms闸门时间1sT1定时50ms频率乘以16循环20次1MHZ~10MHZT0同时计数被测脉冲个数信号512分频闸门时间1sT1定时50ms频率乘以512返回循环20次循环20次T0同时计数被测脉冲个数T0同时计数被测脉冲个数信号输入端口检测1mhz-10mhz子程序1hz-50khz子程序50khz-1mhz子程序数据采集、处理、显示结束开始图5频率测量软件流程图信号参数测量仪72.3信号幅值测量电路设计2.3.1信号幅值测量原理及误差分析对于交变的信号测量幅值可以先将信号经峰值保持电路处理得到和原号幅值大小相等的直流信号，由于A/D模数转换采用5v参考电压，所以测量范围是0~5v不能满足0.1~10v的要求，所以必须对进行被测信号分压处理，取被测信号电压的一半即可满足要求，分压后将直流信号经LTC1865(16A/D转换芯片)转换为数字信号之后送给单片机处理，再经显示模块显示被测信号幅值。其最大绝对误差为±5/2^16V,最大相对误差:δ=（5/2^16）V/0.1V=0.076%＜1%2.3.2信号幅值测量方框图如图6所示Input1/2分压电路LTC1865(16位串行A/D转换)单片机系统峰值保持电路P1.0P1.1P1.2P1.3输入图6幅值测量方框图2.3.3幅值测量电路原理图峰值保持电路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。（效果如右图所示）分压电路：由于ad转换器要求输入的电压范围是5v，而输入电压的范围是0.1v~10v。所以在峰值保持电路的末端串两个大小相等的电阻，完成1/2的分压，满足ad转换器的输入要求。AD转换电路：ad转换采用的是LTC1865芯片（16位串行ad转换），模拟信号由vch0输入，数字信号由sdo串行输出，clk为控制时钟，conv为转换标志位信号参数测量仪8图7峰值保持、分压电路图8A/D转换电路信号参数测量仪92.3.4软件流程图如图9所示图9幅值测量流程图2.4数字显示模块实现数字显示模块基于LCD1602芯片（型号LM016L）实现的，能够同时显示16x02即32个字符,VSS为电源地,VDD接5V电源正极,RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。E(或EN)端为使能(enable)端。D0～D7为8位双向数据端。电路连接图如图10所示。图10数字显示模块连线图读A/D转换数据返回开始i=0，voltage=0SDO是否为1Voltage=voltage+1Voltage=voltage*2YESi=i+1i16YES开始从LTC1865A/D转换器中依次读入16位电压值数据处理、数据显示结束信号参数测量仪102.5附加功能单片机具有将采集到的电压信号和电流信号传输给PC的功能。如图11所示，单片机通过串行端口RS232与PC通信。图11单片机与PC串行通信图三电路元器件、系统总电路图及源程序电路元器件：如下表所示主要器件生产厂商单片机AT89C51芯片中图誉嘉兴电子ILC8038芯片北京同芯电子科技有限公司16位A/D转换芯片LTC1865深圳宝富电子有限公司LCD显示1602LCD芯片LM016L深圳市卓鸿光电科技有限公司电平转换芯片MAX232杰布朗电子科技有限公司放大器TLC372放大器LM358三极管2N3392电阻若干电容若干信号参数测量仪11总电路原理图信号参数测量仪12源代码：#includereg51.h#includemath.h#includeabsacc.h#includeintrins.h//*********宏定义方便使用*******#defineucharunsignedchar