基于单片机正弦波有效值的测量

基于单片机正弦波有效值的测量

一．简介

本作品以单片机STC12C5A60S2为主控芯片并以此为基础，通过二极管1N5819实现半波整流，使用单片机内部自带10位AD对整流后的输入信号进行采样，从而实现对峰值的检测；同时通过运放LM837对输入信号进行放大，之后通过施密特触发器，将原始信号整形成可被单片机识别的标准脉冲波形，之后配合内部计数器（定时器）达到测量其频率的目的；这样，整流和AD采样实现对输入信号峰值的检测；通过放大、整形实现对输入信号频率的检测。

二．基本功能与技术指标要求

（1）输入交流电压：1mV～50V,分五档：

①1mV~20mV，②20mV~200mV,③200mV~2V,④2V~20V,⑤20v~50V。

（2）正弦频率；1Hz~100kHz；

（3）检测误差：≤2%；

（4）具有检测启动按钮和停止按钮，按下启动按钮开始检测，按下停止按钮停止检测；

（5）显示方式：数字显示当前检测的有效是，在停止检测状态下，显示最后一次检测到的有效值；

（6）显示：LCD，显示分辨率：每档满量程的0.1%；

三．理论分析

本文要求输入交流信号，通过电路测量其峰值，频率，有效值以

及平均值，因为输入的交流信号为模拟信号，而一般处理数据使用的主控芯片单片机处理的是数字信号，所以我们选择使用数模转换器AD（Analog to Digital Converter）将输入的模拟信号转换为数字信号，并进行采样；由于要求输入交流信号电压峰峰值Vpp为

50mV~10V，所以如果我们采用AD为8位，则最小采样精度为

，因此会产生78.4%的误差，并且题目要求输入交流信号的频率范围为40Hz～50kHz，所以为了保证对高频率信号的单周期内采样个数，我们需要选择尽量高速度的AD；

因此我们选用使用单片机STC12C5A60S2，其内部自带AD为8路10位最高速度可达到250KHz，所以我们可以将最小采样精度缩小到

，并且在输入交流信号频率最大时（50KHz）在单个周期内可采集5个点，因此可保证测量精度。

由于该AD只能接受0~5V的模拟信号输入，所以当我们直接输入一个双极性信号时可能损坏AD，因此当信号进入AD之前我们要进行半波整流，为此我们设计了整流电路，在交流信号通过整流电路输入AD 后，由AD实时输出对应模拟信号大小的二进制数，并存入变量MAX 中，随着信号的不断输入MAX中只保存AD输出过的最大值，这样既可测出输入信号的峰值；由交流信号有效值表达式

可知检波器应当首先把输入的瞬时电压平方, 然后在一定平均时间内取平均值再开方。即可得到交流信号的有效值，然后通过比较峰值

和有效值的关系即可知道该交流信号的波形；由于要检测交流信号的频率，所以我们使用单片机内部定时器和计数器，而计数器只能由上升沿或是下降沿触发，所以我们想通过施密特触发器将输入交流信号变为高低电平，以便检测其频率，而施密特触发器CD40106在常温5V 供电下门限电压=1.4V，而输入交流信号的峰值最小时为25mV，所以不能保证输入信号为正的时候施密特触发器就能发生跳变，因此我们要对输入交流信号进行放大，为此我们设计了放大电路。

四.电路设计

1.电源电路的设计

本次实验我们采用+5V，—5V,+12V，—12V的电源，故采用了7805,7905,7812,7912这四块芯片组成电源电路对作品进行供电。如图一所示：

图一

经过测量实际输出电压为：+5.12V -5.06V +12.67V -12.02V

2．分档设计

由于直接对信号测量时，对小信号的测量产生很大的误差，为了更有效的利用单片机的资源，故要对待测信号进行分档处理,但在实际运行中，由于进入放大器之前存在大量电阻产生了很多的噪声干扰，使输出波形严重失真，不能有效的利用，故我们舍弃了该部分的电路。

3．整流电路的设计

我们使用整流二极管5819实现半波整流，但通过此电路输出波形会出现一个负电压，因此在此基础上，我们在二极管后加了一个上拉电阻，实现最大程度的消除输入波形的负电压，使其在单片机STC12C5A60S2内部AD的可接收信号范围内（0-5V）。输入信号经过整流后进入AD，由AD输出10位数字信号，再有单片机进行处理，得出信号的有效值。电路如图二所示：

图二

在实际的测试中，证明该方案可行，能够实现对信号的半波整流处理。

4．正弦波转方波电路设计

在该电路的设计中，我们一开始采用555芯片把正弦波转换为方波，但在实际的测试中发现555只能对高于6V的信号才能使正弦波转换为放波，与我们实习要求不符合，故舍弃了该方案。在老师的指导下，我们采用了滞回比较器来产生方波。本方案检测输入信号频率的核心电路，信号通过由三个运放LM324组成的运放电路后放大100倍，然后输入施密特触发器使其波形变为高低电平，将此波形输入到单片机主控芯片，利用单片机内部的计数器和定时器完成对频率的测量。大部分采用运放LM324构成放大100倍电路，位于图下方由5V电源供电的运放可以产生一个2.5V的直流电压，将此2.5V的直流电压输入到第一级运放后，会使输入的交流信号上偏2.5V，变为0-5V，再经过100000pF的电容C3滤掉被放大的噪声以及2.5V直流后，变为-2.5—+2.5的交流信号，之后进入二级放大；

如图所示第二级运放在加入+2.5V直流电压后输出为0—5V的交流信号，至此外加交流信号已被放大100倍；在外加交流信号被放大100倍之后进入施密特触发器CD40106,该触发器在常温5V供电下门限电压 =1.4V ，输出高电平，低电平，此部分电路输出即为这个高低电平。电路如图三所示：

图三

在实际的检测中发现放大器并不能将信号放大100倍，故幅值较小的信号不能正常显示频率，只要当信号的峰峰值大于1.5V时才能使单片机正常显示信号的频率。