正弦信号参数测量报告

正弦波参数分析仪

设计报告

摘要

本作品以MSP430单片机为控制核心，由波形变换电路、峰值检测电路、显示电路、单片机自带AD转换电路组成。将信号变为方波后可直接由单片机测出其的频率，其峰值由峰值检测电路转换为直流信号并被单片机测量。

关键字：正弦信号;频率;峰值;MSP430单片机;

Abstract

This design take MSP430 MCU as control core, Provided by the waveform conversion circuit, the Peak detection circuit,the display circuit, AD conversion circuit in MCU. The frequency of Signal can be directly measured by the microcontroller when it is transformed as square wave , its peak by the peak detector circuit is converted into a DC signal and SCM measurements.

Keyword:sinusoidal signal;frequency;Peak;MSP430 microcontroller;

一、系统方案论证与比较

1、频率测量方案选择

方案一：采用计数器芯片74LS161和8253。该计数器芯片可以精确地对矩形波信号进行计数并直接与单片机交换数据，但其测量频率很有限，外围电路复杂，价格较贵。

方案二：利用MSP430单片机内部含有两个定时/中断计数器，且每个定时/计数器均含有16位，可以通过定时器实现测频与测周,能够很好的满足测量频率为高频或是低频时的测量要求。

最终选择方案二，同时为了提高频率计的量程，分别对高频和低频信号采用测频和测周的测量方法。且由此设计的频率计具有精度高、测量时间短，耗能少，使用方便等优点。

2、峰值测量方案选择

方案一：以运放、二极管以及电容器组成精密峰值保持电路，并通过ADC 对保持电路幅度进行测量，同时电路中引入反馈电路，实现方便对输出进行调试。

方案二：模拟直接运算变换法。根据有效值数学定义用集成组件乘法器、开方器等一次对被测信号进行平方、平均值和开方等计算，直接得出输入信号的有效值。在这种电路设计中，当输入信号幅度变小时，平方器输出电压的平均值下降很快，输出很小，往往与失调和漂移电压混淆，因此该电路的动态范围很窄，且精度不高。

最终采用方案一，其电路实现简单，价格低廉，调试方便，加入反馈电路能对输入信号进行更加准确的测量。

3、数模转换方案选择

方案一：8位A/D转换器ADC0809，将电压值通过ADC0809转换为数字量，但其为并行借口，占用MCU芯片管脚较多，同时工作频率受外部频率影响较大，且精度不够高。

方案二：MSP430自带10位精度的AD转换功能。

最终采用方案二，其精度更高，转换效率更快，不额外占用MCU管脚，电路简洁。

4、主控芯片选择

方案一：选用STC89C52RC做主控芯片，STC89C52RC是最常用的单片机之一，其优点是价格便宜，容易使用，但其指令运算速度相对较慢，片上资源较少，增加硬件和软件负担。

方案二：选用MSP430单片机做主控芯片，MSP430自带10位精度的AD 转换功能。硬件结构适合C语言编程，功能齐全，不容易解密，抗干扰能力强。

最终采用方案二，考虑到单片机的性能指标以及对外围电路的要求，MSP430可以灵活的实现设计要求。

6、显示电路选择

方案一：采用数码管显示，数码管显示电路需要实时扫描，显示内容局限于0-9数字和少数字母，显示内容单一，且功耗较大。

方案二：采用LCD12864液晶显示，其功耗低、体积小、显示内容丰富，可以显示阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和中文等。其显示内容全面，更为人性化。

综合考虑，选用方案二。

二、理论分析

1.频率测量分析

测频法（M法）。对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其频率

为：fs=N

1/f测为标准闸门宽度，N

1

是计数器计出的脉冲个数，设在TG期间，

计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N

1

的绝对误差是△

N 1=N〒1,N

1

的相对误差为：

&N

1

=(N

1

-N)/N=(N〒1-N)/N=〒1/N

由N

1

的相对误差可知，N（或N

1

）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关

系。因此，在f已确定的条件下，为减小N

1

的相对误差，可通过增大TG的

方法来降低测量误差。但是，增大TG会使频率测量的响应时间长。当TG为

确定值时(TG=1s)，则有f=N，固有f

1

的相对误差：

&f

1=(f

1

-f)/f=(f〒1-f)/f=〒1/f

由上式可知，f

1

的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

测周期法（T法）。首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方