正弦电压信号的产生与有效值测量

第四届电子设计竞赛复试实验报告

正弦电压信号的产生与有效值测量

*********************************************************************复试题目：

设计一个频率为1000Hz的正弦波信号发生器，输出幅值为1V左右。用单片机搭建一个系统，精确地测量该信号的有效值。并通过串口送到PC机中，通过串口调试助手软件显示该有效值。

题目要求：

1、设计一个1000Hz的正弦波振荡器，输出幅度转换为1V。

2、用单片机自带10位AD作为模数转换芯片，不允许扩展其它AD。

3、串口以9.6K波特率向PC机传输数据，在串行调试助手中，以10进制格式显示该正弦波的有效值。

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********************************************************************摘要：通过一RC振荡电路，产生1KHz的正弦波，然后经过峰值检波电路，得到其峰值送入Atmega16单片机，由其内部自带ADC处理，并在软件中得到其有效值，经串口发给PC机，并在串口调试助手上显示电压有效值。

关键字：峰值检波有效值ADC 串口

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一、正弦波发生电路

正弦波发生电路需要四部分：

放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。

选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。

正反馈网络：引入正反馈，作用是使输入信号等于反馈信号。

稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。

在电路中，可将选频网络和正反馈网络“合二为一”；而且，一般电路中也没有另加稳幅环节，而是依靠运放等的非线性起到稳幅作用。

振荡电路可以有以下三种方案：

方案一：RC桥式正弦波振荡电路

实用的RC正弦波振荡电路有多种多样，我们选择了最典型的RC桥式正弦波振荡电路。此方法简单实用，容易选择器件和电路的调试。它适用于低频振荡，一般用于生产1Hz~1MHz的低频信号。易于起振，成本低廉。我们考虑到题目的要求，所以采用了此方法。

方案二：LC并联谐振回路

采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，它主要用来生产高频正弦振荡信号，一般在1MHz以上。根据反馈形式的不同，LC振荡电路可分为变压器反馈式和三点式振荡电路。它产生的是高频信号，我们不予考虑。

方案三：石英晶体正弦波振荡电路

当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感。考虑题目要求，我们在这里就不讨论了。

综上所述，我们的振荡电路选择了RC桥式正弦波振荡电路。

RC桥式正弦波振荡电路：

本电路中，C1、C2、R3、R4组成选频网络和正反馈网络，正弦波振荡频率1/（2*PI*R*C）,33K电阻和4700pF电容均为标准值。振荡出的峰值由VCC的不同而不同，然后靠R5和R6两者适当的分压来得到1V的1000Hz的正弦信号。R1和(R2+R7)组成放大电路，放大倍数Au=1+(R2+R7)/R1，通过调节R7，可以满足振荡电路放大要求。

二、信号处理电路

要得到正弦信号的有效值可以有以下三种方案：

方案一：得到其峰值，由单片机对其进行处理，即可得到其有效值：

方案二：对正弦波进行整流、滤波处理，使其变成直流，送入单片机自带的A/D 进行处理，得到其有效值。由于本题目中的信号幅值较小，仅为1V，因此不能用普通的整流桥电路。但整流后的的直流与有效值的关系难以确定。

方案三：直接把正弦信号送入单片机进行处理。本题目中信号为1KHz，一个周

期内采128个点，则AD采样速率须达到128K，单片机内部AD速度达不到。

综上所述，采用峰值检波电路。

峰值检波电路：

如图所示，Ui为1KHz的1V正弦波电压信号输入。电路原理如下：

输出初始值为0，当待测信号幅度高于0时，前级的运放输出高（相当于比较器），二极管导通。后级运放相当于跟随器，输出跟随输入的增大，同时电容充电。当待测信号幅度大于输出时，二极管导通，输出跟随输入，电路工作在“跟随状态”。当待测信号幅度小于输出时，二极管截止，但由于电容之前充电，存储的能量是之前最大幅度时的，因此后级跟随器依然保持之前的最大幅度，电路工作在“保持状态”。

实际中要注意的问题：

1、由于二极管导通电压的存在，最后的峰值要加上导通电压才准确；

2、运算放大器的带宽决定了输入信号的最大频率；

3、由于电容在此处起电能储存的作用，因此要求电容贮能好，简易使用CBB电容，而不应采用像电解电容之类漏电较大的，或者至少采用瓷片电容等。

4、要在外反馈环加电阻R1，否则有时候会产生问题。

5、为了能够进行放电，故并入电阻R2，但选值时要慎重，权衡时间常数。

三、单片机电路

本单片机系统采用外部晶振，使用ISP下载方式，配有具有上电复位和手动复位的复们电路。一般来说，微处理器的电源接入处都加一滤波电容以去除干扰。由于单片机所用为TTL电平，而PC机为RS232电平，因些需用一SP232（或MAX232）电平转换芯片将mega16的串口与PC机的串口相连。

四、软件编程处理