正弦信号参数分析仪

摘要

本系统以C8051F020MCU为核心，通过运算放大器以及比较器构成的外部电路对待测波进行处理后，由MCU自带的DA与比较器的综合应用测得正弦波幅值及频率，并通过MCU内部的12位ADC对波形采样以达到对波形的显示功能。通过对单片机程序的不断优化，本系统对正弦波幅值及频率的测量精度均能达到题目要求。为了方便观测波形，本系统还加入了波形绘制功能，使波形通过液晶12864显示，能够更直观的观测出待测波形的变化，这是本设计的一大特色之一。在正弦信号发生器方面，我们采用了精密波形发生集成电路ICL8038，能较好的产生频率100Hz到20KHz的正弦波。

关键词：数模转换（DA）模数转换（AD）波形绘制信号发生器

Abstract

The system is based on the MCU C8051F020. With the help of the operational amplifiers and comparators, the MCU can show precisely the amplitude and frequency of the iuput signal through LCD 12864. In order to make the signal visible, we add the drawing function to our system, which is one of the most distinguishing features in the system.

Keywords: DAC ADC waveform-drawing signal generator

一．系统方案设计与论证

本系统主要由五个部分组成：待测信号处理模块、幅度测量模块、频率测量模块、图形绘制模块以及正弦信号发生模块。

1.待测信号处理模块

由运算放大器构成的待测信号处理模块如图所示：

待测信号由Vi输入，VRef提供直流偏移，由运放的“虚短”、“虚断”可知输出信号为输入信号放大（或缩小）一定倍数，并加上直流偏移，偏移大小由VRef 决定。经过处理的输出信号电压为正值，方便后续比较器与单片机处理测得幅频大小以及AD采样的波形绘制。

2.幅度测量模块

【方案一】：

采用峰值保持电路

由高频性能良好的比较器LM311构成峰值保持电路：

由输出信号反馈到输入与待测信号作比较，当LM311输出信号低于待测信号时，比较器输出端出现低电平，PNP二极管导通，对电容进行充电，直到电压与待测电压最大值相同，比较器输出端出现高电平，二极管截止，电容充电停止，因为电容放电时间较长，电容电压可近似看做直线，达到峰值保持目的。

这种方法简单，但需占用MCU中12位ADC，且占用后不方便后续波形绘制。

仿真结果如下：

【方案二】：采用比较器与DAC的综合：

由MCU内部的DAC控制两片比较器LM311的基准电压，逐次逼近当基准电压小于待测信号时，通过DAC提高基准电压，当基准电压大于待测信号时，通过DAC降低基准电压，直至测量至最大或最小值，可得信号幅值。

此种方法外围电路简单，且大部分可在单片机内部编程实现。并将12位ADC留出，我们最终采用此种方法。

3.频率测量模块

频率测量模块先由比较器将正弦波变为同频率方波，再由MCU内部定时器、计数器实现，这里有两种测量方法。

【方案一】：定时时间一定

由定时器定时，再由计数器检测输入波形下降沿计数，从而计算出频率。此种方法虽程序实现简易，但由于定时时间一定，在定时停止时，不一定能刚好测到下降沿，导致在低频段误差较大。

【方案二】：测量整数个下降沿

由计数器在一定时间内检测整数个下降沿，检测完成后再计算周期。由于只有检测到最后一个下降沿，定时才会停止，故此种方法能大大提高测量精度。虽然程序较为复杂，但我们任选用此种方案。

4.图形绘制模块

由单片机内部12位ADC对信号进行采样，采样数值转换为12864液晶屏上的点，从而绘制出信号的大致波形图，能直观的从屏幕上读出信号类型。

5.正弦信号发生模块

【方案一】：文氏桥振荡电路

文氏桥振荡电路原理简单，电路简易，成本低，但是在低频和高频段波形失真较为严重，且调试复杂，受双联电位器自身影响大。

【方案二】：精密波形发生集成电路ICL8038

集成电路ICL8038能用最少的外部电路实现0.001Hz到300KHz的正弦波、方波及三角波输出，但成本较文氏桥高。考虑到其输出波形频率高、波形较好，故采用这种方案。

二．系统具体设计与实现

2.输入信号处理模块

由题目要求，所测信号幅值为0.5V到4.0V，为方便测量，选择输出信号幅度衰减为原来的0.28倍，加上直流偏移约2V。此处的VRef由可编程精密参考源TL431提供，选取R1=20K，再由关系式V0=2*VR*R2/(R4+R2)-R1/R3*Vi得出其余电阻及参考电压。

3.幅频测量及绘图模块

以上模块大部分功能可在单片机内通过程序实现，故此处不再叙述。

4.正弦信号发生模块

采用集成芯片ICL8038构成20Hz-20KHz的可变音频振荡电路，如图所示：

产生频率范围内的正弦波，后接反相放大器以调节幅度。。

1.

2.MATLAB分析

在输入信号处理模块，由于输出结果有误差，故使用MATLAB对输出结果与真实值进行拟合修正，改变信号发生器输出幅度，与测量值进行一次拟合，以得到更为精确的结果。

四．测试数据

五．设计小结

本系统以较高的精度完成待测波形参数的测量，并自行设计正弦波发生电路。在测量同时，单片机配以波形显示，直观显示出波形图，是本设计一大特色。

参考文献

【1】吴援明,唐军. 模拟电路分析与设计基础北京：科学出版社，2006年

【2】张俊谟. SoC单片机原理与应用北京：北京航空航天大学出版社，2007年