单片机综合应用实验设计——低频信号幅频综合检测

单片机综合应用实验设计
——低频信号幅频综合检测
陈家栋
(桂林电子科技大学电子信息学院 广西北海 536000)
摘要：针对单片机综合应用实验设计，该文设计了低实验成本的低频信号幅频综合检测实验。

实验涉及了
单片机定时器、外部中断、AD接口技术以及电子测量技术等知识综合应用，知识考查面广。

该文提出的幅频
检测方案利用放大和整形电路将待测信号转换成单片机可识别的二值信号，再通过单片机利用测频法测出
信号频率；利用具有电压负反馈的峰值保持电路和AD转换器采集待测信号的幅值。

实验结果表明设计方案
可行。

通过实验可提高学生的创新实践能力，培养学生查找问题、分析问题和解决问题的能力。

关键词：单片机 综合实验 幅频检测 峰值保持电路
中图分类号：G642文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)12-0192-05 Design of the Experiment of the Comprehensive Application of
Single-chip Microcomputers
— The Amplitude-frequency Comprehensive Detection of Low-frequency Signals
CHEN Jiadong
(School of Electronic Information, Guilin University of Electronic Technology, Beihai, Guangxi Zhuang
Autonomous Region, 536000 China)
Abstract: Aiming at the design of the experiment of the comprehensive application of single-chip microcomputers, this paper designs the experiment of the amplitude-frequency comprehensive detection of low-Frequency signals with low experimental cost. The experiment involves the comprehensive application of knowledge such as the timer, external interrupt, AD interface technology and electronic measurement technology of single-chip micro‐computers, and it examines a wide range knowledge. The amplitude-frequency detection scheme proposed in this paper uses the amplification and waveshaping circuit to convert the signal to be measured into a binary signal that can be recognized by the single-chip microcomputer, then uses the frequency measurement method to measure the signal frequency through the single-chip microcomputer, and uses the peak-holding circuit with negative voltage feedback and AD converter to collect the amplitude of the signal to be measured. Experimental results show that the design scheme is feasible. Through experiments, students' innovative and practical ability can be improved, and their ability to find, analyze and solve problems can be cultivated.
Key Words：Single-chip microcomputer; Comprehensive experiment; Amplitude-frequency detection; Peak-holding circuit
单片机综合应用实验可加强学生运用所学专业知识综合分析和设计的应用能力，培养创新意识，培养初步的科学研究、科技开发能力和工程应用能力[1-2]。

通过单片机综合应用设计实验实训课程教学，培养学生
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2302-5042-0802
基金项目：2020年广西高等教育本科教学改革工程项目（项目编号：2020JGB186）。

作者简介： 陈家栋（1986—），男，硕士，讲师，研究方向为测试计量技术及仪器。

团队工作精神，追求真理的勇气、严谨求实的科学态度、刻苦钻研的作风和坚忍不拔的科学精神。

幅频综合检测实验涵盖了模拟电子技术基础、数字逻辑、单片机技术以及电子测量技术等教学内容，真正考查了学生对课程知识的掌握情况与学生综合应用
知识的能力。

鉴于针对学生学习的实验，目的是让学生通过实验掌握知识应用，学会分析问题和解决问题。

设计实验时需考虑成本，实验要经济可行。

文章设计了一个研究低频信号幅频检测的单片机综合应用实验，原理可行，知识应用性强，实现成本低。

下文将从幅频综合检测系统框图、电路设计、程序设计和测试数据误差分析等方面进行详细阐述。

1 低频信号幅频综合检测系统设计
1.1 设计任务与设计思路
测频思路：由于针对于低频信号的测量，可利用计数器直接测频法[3]，将待测信号整形为单片机可识别的脉冲信号，在闸门时间T s 内，计算脉冲周期数N ，则可得待测信号频率f ，如式（1）所示。

测频原理示意图如图1所示。

f =N T S （1）
测幅思路：利用峰值保持电路和A/D 转换电路采
集待测信号峰值。

系统框图如图2所示，为了减小测试电路对信号
的影响，前级加入了缓冲电路。

1.2 关键电路设计1.2.1 缓冲电路
缓冲电路采用电压跟随器，如图3所示，其特点[4]是
输入阻抗大，输出阻抗小，输出电压约等于输入电压，V o1≈V in 。

1.2.2 频率检测电路测频电路见图4，U3:C 构成放大电路，放大倍数为
1+R6/R5=11。

U5:A 构成比较电路，将输入信号整形为单片机能识别的二值信号。

为了使比较器输出电平为0 V 和+5 V，采用+5V 单电源供电，并将阈值电压U T 设定为电源电压的一半，选择R7=R10。

R8和R9用于抬高输入信号的直流电压分量，抬高的直流分量为2.5 V。

1.2.3 峰值检测电路
峰值检测电路见图5，主要由峰值保持电路和AD 转换电路组成。

其中，峰值保持电路由误差放大电路、峰值检波电路以及缓冲电路构成。

运放U4:A 构成误差放大电路，D1和C7 构成峰值检波电路，U3:B 构成缓冲电路，Q1为单片机控制电容放电的三极管。

峰值保持电路存在电压负反馈，可达到稳定输出电压的目的。

U2构成模数转换电路。

…
T s
N 个周期
图1 测频原理
图2 系统框图
图3 缓冲电路
峰值保持电路的工作原理：误差放大器将待测信号电压V o1与缓冲器输出电压V o4进行比较放大，V o3=A (V o1-V o 4)，A 为运放U4的开环增益。

当V o1>V o4时，由于A 较大（通常可达105以上），因此很快出现V o3>Vc ，二极管D1导通，电容C7充电；当V o1<V o4时，V o3输出为负电压，D1截止，电容C7通过由运放U3:B 构成的缓冲器放电，由于缓冲器输入阻抗非常大（通常可达兆欧以上），因此放电过程较为缓慢，电容C7也称为保持电容。

缓冲器输出V o4≈V c ，经误差放大器的不断比较放大，反复调整电容充放电过程，最终电容电压V c 保持在输入信号峰值附近。

为了实现对输入信号峰值的快速跟踪检测，在V c 端加入一个可控制保持电容快速放
电的三极管Q1，V c-reset 信号由单片机控制，V c-reset =0时，电容可快速放电。

电容电压V c 的如式（2）所示。

V c =V c (t 0)+
∫
t 0
t 0+t c A ()V o1-V o4-V c ()
t 0
C 7Z
d t （2）
式（2）中，t 0为电容充电起始时刻，t c 为充电时间长度，Z 为二极管D1级电容的等效总阻抗。

由于单片机每次进行峰值检测前，均先通过三极
管Q1将电容放电后再充电，因此可认为t 0初始时刻V c ≈0，则式（2）可写成式（3）。

V c =
∫
t 0
t 0+t c A ()
V o 1-V o 4
C 7Z
d t （3）
由于电压通过回路反馈到误差放大器输入端需要一定的时间，而运放的开环增益A 较大，充电阻抗Z 较小，由式（3）可知，在此段时间内，电容电压会存在过冲现象[5]，如图6所示。

因此，单片机在采集数据时，须等待电容电压恢复稳定之后再进行。

在选择器件时，需要注意几点。

（1）由于误差放大
器起到调整控制电路稳定输出的关键作用，要求构成误差放大器的运放U4压摆率要尽可能大，压摆率越大，则调整速度越快，输出就越稳定。

（2）D1检波二极管的响应时间和反向电流要小。

（3）针对低频信号，保持电容值要大一些；高频信号则要小容量即可。

（4）缓
冲器U3：
B 的输入阻抗要尽可能大。

1.3 程序设计程序流程见图7。

设计思路是：（1）使用定时器产
生1 s 的闸门时间，在这1 s 内，利用外部中断对整形电路输出的方波信号进行周期数累计[6]，即可得出信号频率值；（2）在主程序中，进行峰值电压采集、数据处理及数据显示。

初始化主要包括定时器、外部中断相关设置等。

数据处理的目的是对采集的峰值电压数据进行去噪声处理，减小测量误差。

方法是多次采集电压数据，并对数据进行排序，去掉最大值和最小值，取剩余数据的平均值。

2 系统仿真测试与结果分析
设计选用了常用且成本低廉的器件，并在Protues 上进行仿真实验。

常用且经济的运放中，NE5532的压
摆率相对较高，为
9 V/μ
s，选其作为峰值检测电路中的误差放大器；LM324的输入阻抗相对较高且价格低廉，选用它构成峰值检测电路的缓冲器。

由于研究的是低
图4 测频电路
图5 峰值检测电路
图6 保持电容电压过冲现象
频信号，其他电路对运放的要求不高，使用NE5532和LM324剩余的运放即可。

AD 转换器使用8位串行模数转换器TLC548。

图8为输入信号为频率1 kHz、峰峰值100 mV 的检测结果。

表1为幅值测量数据。

表中相对误差计算公式如式（4）所示。

相对误差=
测量值-实际值
实际值
´100% （4）
由表1数据可知，峰峰值为1~5 V 的测量误差基本在10%以内，对于低成本幅频测量设计方案而言，准确率较高。

0.5 V 以下时，由于信号较小，AD 分辨率低，导致了测量相对误差大，可通过将待测信号放大后再检测来提高测量精度。

另外，频率越大，测量误差也越大。

若要提高测量精度，需使用频率响应性能更好的器件。

表2为频率测量数据。

由表2数据可知，峰峰值为0.1~5 V 时，频率测量相对误差均小于1%，测量误差来源主要为±1误差和闸门时间误差[3]。

当然，此数据为仿真实验数据，部分实际噪声干扰或电路的不稳定等影响因素并未考虑到，因此与实际电路测试数据间会存在偏差。

3 教学过程设计
教学设计流程具体见图9。

3.1 任务发布
设计一个低频信号幅频综合检测系统。

要求：信号频率范围为10 Hz 至10 kHz，测量误差≤10%；峰峰值范围为0.5 mV 至5 V，测量误差≤20%。

3.2 设计原理讲解
（1）讲解检测系统框图的工作原理。

（2）电路设计难点为峰值保持电路，需着重讲解。

（3）讲解程序设计思路。

3.3 学生自主设计
学生理解原理之后，自行查阅相关文献，完成各个部分电路的设计，并进行仿真验证。

整个过程学生为主体，教师为主导。

3.4 作品制作与调试
绘制原理图及PCB，发厂家进行PCB 打样，焊接调试、测试，以及对测试结果进行误差分析，并鼓励学生
自行查找发现问题、解决问题，从而提高学生的创新实践能力[7-8]。

3.5 验收答辩
考查学生对作品工作原理的理解，作品制作流程的掌握，以及锻炼学生的沟通表达能力。

图8 仿真结果图
a 主程序流程
b 定时器中断程序流程
c 外部中断程序流程
图7 程序流程图
4 结语
综合考虑单片机综合应用设计实验的可行性、经济性，文章设计了低成本的低频信号幅频综合检测实验，并从系统设计方案、测频电路设计、峰值检测电路设计、程序设计和测试数据误差分析等方面进行了详细的阐述。

实验结果表明：设计方案经济可行，适用于测量误差要求不高的场合。

综合实验考查学生的知识面广，可锻炼学生知识综合应用的能力，可加强学生的创新能力和实践能力，可培养学生学会从问题分析、方案设计、成本考虑、方案实施、测试结果误差分析以及提出解决方案等多方面分析问题和解决问题的能力。

[4]童诗白,华成英.模拟电子技术[M].5版.北京:高等教
育出版社,2015.
[5]肖云凤,黄光明.宽输入动态范围峰值保持电路设
计[J].核电子学与探测技术,2020,40(2):359-363. [6]曹新建,施雷.便携式多功能频率计的设计与实现
[J].仪表技术与传感器,2022(6):35-39.
[7]刘晓红,赵丽清,于艳.单片机与电力电子技术课程
教学模式探索[J].科技资讯,2022,20(24):199-203. [8]柏艳红,李虹,赵志诚,等.自动化专业开设综合实验
课的探索与实践[J].实验技术与管理,2022,44(4): 187-190.
任务发布
设计原理
讲解
作品制作
验收答辩图9 教学设计表1 幅值测量数据
频率/Hz
10
1 000实际V
PP
/V
0.1
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.0
0.1
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.0
测量V
PP
/V
0.12
0.51
1.50
2.51
3.50
4.51
5.02
0.08
0.48
1.53
2.51
3.53
4.51
4.95
相对误差/%
20.00
2.00
0.00
0.40
0.00
0.22
0.40
-20.00
-4.00
2.00
0.40
0.86
0.22
-1.00
频率/Hz
5 000
10 000
实际V
PP
/V
0.1
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.0
0.1
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.0
测量V
PP
/V
0.08
0.44
1.42
2.59
3.69
4.44
4.83
0.04
0.40
1.34
2.51
3.42
4.32
4.67
相对误差/%
-20.00
-12.00
-5.33
3.60
5.43
-1.33
-3.40
-60.00
-20.00
-10.67
0.40
-2.29
-4.00
-6.60
表2 频率测量数据。