正弦信号发生器

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姜蔡
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1 福建师范大学协和学院电子系统设计指导书设计题目 : 正弦交流信号压频测量仪年级 : 2012 指导教师 : 蔡银河陈清华协和学院信息技术系二零一五年四月

2 目录 1 课程设计目的任务及要求课程设计目的课程设计任务课程设计要求说明评分标准总体设计方案总体设计框图总体设计方案硬件设计交直流电压转换电路正弦波 - 方波变换电路单片机及其外围电路软件设计频率测量 A/D 转换程序流程图性能测试与分析测试设备与型号性能测试...11 参考文献...11 附录 1 代码

3 1 课程设计目的任务及要求 1.1 课程设计目的 1 掌握电子系统设计的方法和步聚 2 理解掌握利用单片机进行正弦交流信号电压和频率测量的软硬件设计 3 掌握单片机为核心的系统的实际调试技巧 1.2 课程设计任务设计制作一个可测量单一频率正弦交流信号电压和频率的仪器电压频率测量电路显示电路 1.3 课程设计要求基本要求 (1) 输入阻抗 :>1kΩ (2) 输入信号电压范围 ( 峰 - 峰值 ):0~5V (3) 输入信号的频率范围 :50Hz~400Hz (4) 数字显示测量结果 ( 电压有效值或峰峰值信号频率 ) 电压显示分辨率: 小于 1V( 峰 - 峰值 ) 时, 显示精度高于 10mV; 大于等于 1V 时, 显示精度高于 0.1V, 可根据输入电压的大小手动控制或自动控制显示精度频率显示分辨率 :1Hz (5) 测量误差 : 电压测量误差 : 输入信号小于 1V( 峰 - 峰值 ) 时, 误差 ±20mV, 输入信号大于等于 1V 时, 误差 ±0.1V 频率测量的相对误差的绝对值小于 5% (6) 分析时间 :<=5 秒应以小于或等于 5 秒的周期刷新测量数据扩展要求 (1) 扩大输入信号电压范围 0~30V (2) 输入信号的频率成分范围 :20Hz~2kHz (3) 全自动测量, 无需手动控制 3

4 (6) 其他 1.4 说明 1. 电源可用成品, 必须自备, 亦可自制 ( 可酌情加分 ) 2. 设计报告正文中应包括系统总体框图核心电路原理图主要流程图主要的测试结果完整的电路原理图重要的源程序和完整的测试结果用附件给出 1.5 评分标准出勤 10%, 设计报告 30%, 基本功能 50%, 发挥部分 10% 4

5 2 总体设计方案 2.1 总体设计框图如图 2-1 所示, 系统包含六个模块 : 供电电路交直流电压转换电路正弦波 - 方波变换电路液晶显示电路集成 ADC 的单片机按键电路供电电路液晶显示电路 Vi (AC) 交直流电压转换电路 ( 有效值 ) 正弦波 - 方波变换电路集成 ADC 的单片机按键电路图 2-1 总体设计框图 2.2 总体设计方案输入的交流电压信号分成两路, 一路经过交直流电压转换电路, 将其变换成电压值为输入信号有效值 ( 或成比例关系 ) 的直流电压信号, 转换后的信号经过单片机的 ADC 电路进行 AD 转换, 变成单片机能处理的数字信号 ; 另一路经过正弦波 - 方波变换电路, 将输入的交流电压信号转换成 TTL 电平的方波信号, 便于单片机进行频率测量单片机将所测得的交流电压有效值和频率值显示在液晶显示屏上, 如有需要可通过按键切换量程 5

6 3 硬件设计 3.1 交直流电压转换电路 RV1(2) +5V RV1 10k R1 10k V D2 U1:A 1 TL062 D1 + 1N4148 C1 10uF R2 1M U1:B 7 TL062 R4 10k C2 10uF To MCU + 1N R3 20k 图 3-1 交直流电压转换电路图 3-1 所示电路为交直流电压转换电路, 其本质上为一个峰值电压检测电路, 该电路可输出一个大小与输入电压成正比关系的直流电压信号 UO=k1*uip 或 UO=k2*uirms, 可通过调节电们 RV1, 改变 k1 k2 的值该电路工作原理如下 : U1B 构成一个电压跟随器, 其输出电压 UO 始终等于电容 C1 两端的电压设输入的交流电压信号 ui 经电位器 RV1 分压后, 送到 R1 的电压信号为 ui C1 的初始电压 UC1 为 0V, 电路的输出电压 UO=UC1=0V (1) 当 ui 为正半周时,ui 大于 UO,U1A 构成一个同相开环放大器 ( 此时 D2 截止 ),U1A 输出端饱和导通, 通过 D1 给 C1 充电, 直至达到 ui (2) 当 ui 处于正半周但小于 C1 两端的电压时, 或者 ui 为负半周时,ui 小于 UO,U1A 近似为一个电压跟随器 (D2 导通,D1 截止 ),U1A 的输出电压小于电容 C1 两端的电压,D1 截止,C1 两端的电压通过 R2 缓慢放电但由于 R2 很大, 直到下次充电前,C1 两端的电压基本不变 (3) 当 ui 再次为正半周, 且大于 UO 时,U1A 再次构成一个同相开环放大器 ( 此时 D2 截止 ), U1A 输出端饱和导通, 通过 D1 给 C1 充电, 直至达到 ui (4) 经过几个周期即可使电容两端的电压达到 ui 的峰值, 输出电压 UO 也达到 ui 的峰值

7 3.2 正弦波 - 方波变换电路 R12 510k +5V C7(1) C7 RV2 1k R13 1k R14 10k U2:A 1 TLC393 R15 4.7k 100nF C8 10uF 图 3-2 交流电压信号转换成方波信号图 3-2 所示电路构成一个过零电压比较器, 将输入的交流电压信号转换成同频反相 TTL 电平的方波信号图中,R13 R12 和 U2 构成滞回比较器 ( 施密特触发器 ), 上下门限电压由 RV2 的中间抽头以及 R12 和 R13 的比例决定 C8 为滤波电容 R14 为反相输入端提供静态偏置电压当输入信号正半周时, 使比较器的反相输入端电压高于上门限电压, 比较器输出低电平 ; 当输入信号负半周时, 使比较器的反相输入端电压低于下门限电压, 比较器输出高电平因 LM393 输出端为集电极开路方式, 因此需接上拉电阻 R15 7

8 3.3 单片机及其外围电路图 3-3 单片机及外围电路单片机系统时钟采用外部晶振 4MHZ 交流信号经转换后的直流信号从 AD0(P0.0) 输入, 经转换后的方波信号从 T0 输入,T0 用于计数,T2 用于定时 1S 测量频率 8

9 4 软件设计 4.1 频率测量一般待测的频率低时用测周法, 待测的频率高时用测频法本设计可以采用测频法, 即在 1 秒内检测到输入脉冲的个数, 即为频率 4.2 A/D 转换采用 ATMEGA16 内部的 A/D 转换器进行转换, 结果取 10 位, 结果右对齐, 基准电压为 VCC(+5V) 则转换结果为 : ADC(10 位 )=ADC_RES*256+ADC_RESL 对应的输入电压为 :Vin= ADC(10 位 )*5V/1024 9

10 4.3 程序流程图开始 LCD 初始化中断入口定时 / 计数器初始化次数 =20? A/D 初始化并开始一次转换次数清 0 次数加 1 中断入口处理 A/D 转换结果读 T0 的值 (TH0,TL0) 读 A/D 转换结果和频率值 TH0 和 TL0 清 0 开始新的 A/D 转换 LCD 显示频率值和电压值中断返回中断返回主程序流程图 T1 中断服务程序流程图 A/D 转换中断程序流程图图 4-1 流程图 10

11 5 性能测试与分析 5.1 测试设备与型号函数信号发生器示波器 5.2 性能测试基本要求扩展要求标称频率 (HZ) 测量频率 (HZ) 标称电压 (V) 测量电压 (V) 标称频率 (HZ) 测量频率 (HZ) 标称电压 (V) 测量电压 (V) 误差 (Hz) 相对误差误差 (Hz) 相对误差最长响应时间 ( 秒 ) 最长响应时间 ( 秒 ) 参考文献 [1] 马潮.AVR 单片机嵌入式系统原理与应用实践 ( 第 2 版 ), 北京航空航天大学出版社, 2011 年 8 月. [2] 康华光. 电子技术基础 : 模拟部分 ( 第五版 ), 高等教育出版社, 2010 年 10 月. [3] 郭天祥. 新概念 51 单片机 C 语言教程, 电子工业出版社. [4] 童诗白. 模拟电子技术基础, 高等教育出版社. 11

12 附录 1 代码 #include <mega16.h> #include <lcd.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #asm.equ lcd_port=0x12 //PD 口 #endasm uchar dis_buff[6]=0,0,0,0,'h','z'; long freq=0; uint a=0; long count=0; bit time_1s_ok; uchar dis_buf[]="0.000v"; unsigned int adcdata; long v; void freq_to_disbuff() dis_buff[0]=freq/1000%10+0x30; dis_buff[1]=freq/100%10+0x30; dis_buff[2]=freq/10%10+0x30; dis_buff[3]=freq%10+0x30; if(dis_buff[0]==0x30) dis_buff[0]=' '; if(dis_buff[1]==0x30) 12

13 dis_buff[1]=' '; if(dis_buff[2]==0x30) dis_buff[2]=' '; interrupt [TIM2_COMP] void timer2_comp_isr(void) a++; if(a==500) a=0; time_1s_ok=1; interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) count++; interrupt [ADC_INT] void adc_server() adcdata=adcw; v=(long)(adcdata)*5000/1024; //adc 值换算为对应电压值 ADCSRA = 0X40; // 启动下一次转换 void adc_to_str() dis_buf[0]=v/1000+0x30; dis_buf[2]=v/100%10+0x30; dis_buf[3]=v/10%10+0x30; // 显示缓冲区 // 显示缓冲区 // 显示缓冲区 13

14 dis_buf[4]=v%10+0x30; // 显示缓冲区 void main(void) DDRA = 0X00; PORTA = 0X00; PORTC=0x3F; DDRC=0x3F; PORTB=0x01; DDRB=0x00; lcd_init(16);//16 列 lcd_clear(); lcd_putsf("vm:"); lcd_gotoxy(0,1);// 显示位置第 0 列, 第 1 行 lcd_putsf("freq:"); //ADC ADMUX=0x40; // ADCSRA=0x8F;// ADEN=1; 分频系数 128 SREG =0X80; ADCSRA = 0X40; // 启动转换 TCCR0=0X06; TCNT0= 0; TCCR2=0x0C; // TCNT2=0; OCR2=124; //125*16us=2ms SREG =0X80; TIMSK=0x81; while (1) 14

15 lcd_gotoxy(3,0);// 显示位置第 3 列, 第 1 行 adc_to_str(); lcd_puts(dis_buf); if(time_1s_ok) time_1s_ok=0; freq=count*256+tcnt0; count=0;tcnt0=0; freq_to_disbuff(); freq=0; lcd_gotoxy(5,1);// 显示位置第 5 列, 第 1 行 lcd_puts(dis_buff); ; 15

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路