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1、 泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 数字电信号测量仪的设计与制作 物理与信息工程 学 院 电子信息科学与技术 专 业07级 1 班学生姓名 学 号 指导教师 职 称 教授 完成日期 2011年04月16日 教务处 制数字电信号测量仪的设计与制作070303017物理与信息工程学院 电子信息科学与技术专业1班 指导教师 教授 【摘要】：本系统设计了一个用于测量频率和峰峰值的电信号测量仪，以高精度，宽频带的真有效值转换芯片AD637，以及NE555为核心，其外围电路简单可靠。AD637的输出即为真有效值，再经C8051F410单片机内部A/D采集数据，由程序进行真有效值峰峰值转换处理，
2、实现峰值测量。同时，信号经555构成的施密特触发器整形，送至C8051F410单片机进行测频,实现频率测量。 【关键词】C8051F410；AD637；NE555;峰值；频率1. 引言 随着社会科学技术的进步，电子电力技术也迅猛发展，对于电信号的测量也越来越重要。在信号测量领域中，电压，频率是信号测量的两个主要参数，如何获得这一正确的数据已经在信息领域显得越来越重要了。本系统利用真有效值芯片AD637，以及整形电路，通过C8051F410采集，数据处理。其中AD637具有高精度，受温度影响小的特点，误差小。2. 总体方案设计本系统主要由单片机最小系统、直流稳压电源、峰值测量电路、整形电路和显示
3、五个模块组成。其中，直流稳压电源模块给峰值测量电路、C8051F410单片机、整形电路和显示模块提供稳定的工作电压；峰值测量模块的功能是函数信号发生器输入信号的峰峰值转换成对应的真有效值电压；整形电路将输入的信号整成同频率的脉冲信号；单片机系统模块主要是采样AD637输出的有效值电压，同时测量频率，并将结果显示在LCD显示屏上。系统框图如图2-1所示。函数信号发生器直流稳压电源峰值测量电路AD637整形电路C8051F410单片机LCD显示图2-1 系统框图3. 单元模块设计 3.1电源直流稳压电源由变压器、整流电路及稳压电路组成。采用线性稳压芯片LM7805和LM7905分别获得+5V电压和
4、-5V电压，+5V电压供给ASM1117-3.3V获得3.3V电压。其中有两路LM7805，一路与LM7905为峰值测量电路提供正负5V电源，另外一路7805为整形电路提供电源。ASM1117-3.3V为C8051F410单片机提供稳定电源。其原理图设计如图3-1所示。图3-1稳压电源原理图3.2 频率测量电路3.2.1 频率测量原理 频率是指单位时间内某信号的重复次数。根据频率的定义：在某个已知的确定的标准时间间隔T内，测出信号的重复次数N，那么即可得到频率f= N / T。其原理如图3-2-1所示如下：被测信号整形单片机定时并计数单片机处理及显示图3-2-1 频率测量原理框图3.2.2 5
5、55相关资料1 555内部原理框图如图3-2-2所示。图3-2-2 555内部结构框图 Vi1是比较器C1的输入端（也称阈值端，用TH标注），Vi2是比较器C2的输入端（也称触发端，用TR标注）。C1和C2的参考电压（电压比较的基准）Vr1和Vr2由Vcc经过三个5K电阻分压给出。在控制电压输入端Vco悬空时，Vr1=2/3Vcc，Vr2=1/3Vcc。如果Vco外接固定电压，则Vr1=Vco，Vr2=1/2Vco。 RD是置零输入端。只要在RD端加上低电平，输出端Vo便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使RD处于高电平。3.2.3 施密特触发器1将555定时器的Vi1
6、和Vi2两个输入端连在一起作为信号输入端，如图3-2-3所示，即可得到施密特触发器。由于比较器C1和C2的参考电压不同，因而SR锁存器的置0信号（Vc1=0）和置1信号（Vc2=0）必然发生在输入信号V1的不同电平。因此，输出电压Vo由高电平变为低电平和由低电平变为高电平所对应的Vi值也不相同，这样就形成了施密特触发特性。555构成的施密特触发器可将输入信号为正弦波，三角波等整成同频率的方波，符合本设计的要求，故采用施密特触发器作为整形电路。图3-2-3 555施密特触发器 3.3 峰值测量电路方案一：使用二极管峰值检波电路。将输入信号经固定放大后经过二极管和电容进行峰值检波，由单片机内部A/
7、D采集电压，并且进行处理，送至显示。但是，该方案的输出随着频率的变化而会产生较大波动，没有规律。方案二：采用真有效值转换芯片AD637。直接将待测量的交流信号取样，输出有效值，经单片机采用转化并显示。在400KHz内，AD637的工作状态基本上不变，符合本设计要求。综上，本系统采用方案二。峰值测量原理框图如图3-3所示。AD637真有效值转化信号源C8051F410单片机图3-3 峰值测量原理框图3.4 高精度宽带有效值/DC转换器AD637外围电路设计 3.4.1 AD637相关资料2 AD637的内部原理框图如图3-4-1所示。它主要由四个部分组成：有源整流器，平方/除法器，滤波放大器和缓
8、冲放大器。其中，输入电压可以是AC或者DC。输入电压通过有源整流器A1和A2转化为单极性电流I1。I1流入平方/除法器的一个输入端，平方除法器的输出电流为I4，I1与I4具有如下关系：I4=I12/I3; 平方除法器的输出电流I4驱动A4，并且与外部平均电容Cav构成了低通滤波器。如果低通滤波器的时间常数（RC）大于输入信号的最大周期，那么A4的输出电压将正比于平方/除法器的输出平均电流I4。滤波放大器的输出通过外围电路提供I3，这个I3等于I4的平均值。I3通过A3，返回平方/除法器，从而完成了真有效值的转换。其中：Vout=24K*I4; 如果没有接平均电容Cav，那么AD637将计算输入
9、信号的绝对值电压。但是为了确保输出的稳定，要接一个5pF的电容。此时,I3=I4;Vout=|Vin|; 5脚是片选段，高电平有效。通过该引脚可以是AD637工作在微功耗的备用模式。图3-4-1 AD637内部原理图 AD637具有高精度，宽频带的特点。其测量误差(+/-0.2%读数+0.5mv)。当输入信号有效值为100mv时，其频带宽度可达600KHz，当输入信号有效值为2V时，其频带宽度可达8MHz。 3.4.2 AD637外围电路设计图3-4-2 AD637外围电路图3.5 单片机系统 C8051F410单片机内部自带12位A/D，其最高转换速率可达200Ksps。ADC系统包含一个可
10、编程的模拟多路选择器，用于选择A/D的输入。C8051F410内部结构图如图3-5-1所示3。图3-5-1 C8051F410单片机内部结构图在该系统中，C8051F410单片机作为整个系统的控制核心，主要完成以下几个功能：1） 通过内部AD，采集AD637有效值输出端电压，并且对数据进行换算处理，并送LCD显示。2） 利用定时器0和定时器1，对整形后的信号测频。定时器0用于定时时间，既设定阀门时间，它关系到测量频率的范围。定时器1作为计数器使用，对脉冲进行计数。再由单片机计算处理，并送LCD显示。单片机最小系统如图3-5-2所示。 图3-5-2 单片机最小系统原理图 3.6 LCD1602显
11、示LCD1602是一种用于显示字母、数字、符号等的显示模块。它能显示的数据较多（字母和数字均可），满足本设计的要求。另外，LCD1602的控制电路简单，且能够达到一定的精度要求，同时它通过排针，易拔易插，便于使用。LCD1602的11条控制指令如下：序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志
12、或地址01BF计数器地址10写数据到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容LCD1602基本操作时序：读状态输入RS=L,R/W=H,E=H输出D0-D7=状态字写指令输入RS=L,R/W=L,D0-D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H,R/W=H,E=H输出D0-D7=数据写数据输入RS=H,R/W=L,D0-D7=数据，E=高脉冲输出无 其中，RS为数据/命令选择，RW为读/写选择，E为使能信号端。3.7 软件设计该系统的程序流程图如图3-7所示。图3-7 程序流程图4. 数据测量和数据分析 4.1 测试使用的仪器本设计测试主
13、要使用的仪器有四种，分别为：直流稳定电源、合成函数信号发生器、示波器、数字万用表。8 4.2 数据测量表格一：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为正弦波，频率f=10Hz）Uip-p (mV)Usp-p(mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1001051211615.23500534549152.810001040104000150015801576-40.25200021202117-30.1425002645264720.07630003145314940.127350037203688-320.86400042504227-230.54450047604746-14
14、0.29500053105281-290.546注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格二：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为正弦波，频率f=1KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1001051241918.0950054254530.5510001040104330.28815001580158000200021202118-20.0925002650265220.0763000315031
15、5660.19350037403696-441.17400042604236-240.56450048004756-440.91500053105294-160.30注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格三：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为正弦波，频率f=10KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1001051211615.23500536551152.79100010301043131.2
16、615001580158000200021202118-20.0925002645264940.15300031403153130.414350037303690-401.07400042504233-170.40450047604751-90.189500053105288-220.414注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格四：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为正弦波，频率f=100KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-
17、p (mV)U(mV)误差（%）1001041151110.5750053454281.4910001028103240.38915001565156610.06320002105210610.04725002630263880.304300031253136110.349350036803665-150.40740004200420220.04745004720472220.042500052405254140.267注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。1
18、9表格五：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为方波，频率f=10Hz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）10011011665.45500540546611.11100010801072-80.74150015851584-10.063200021052102-30.14250026202616-40.1530003100310220.0635003780378440.15400043204314-60.138450048404434（超出量程）50005360注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测
19、量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格六：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为方波，频率f=1KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1081201211.11510000538550122.23100010701080100.9315001590159660.3820002110211660.284250026202630100.382300031003114140.45235003800380440.105400043304326-40.092450048704434
20、（超出量程）50005360注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格七：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为方波，频率f=10KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1001081201211.11500540550101.85100010761076001500159015900020002110211440.18925002625262610.03830003105311050.16535003
21、800380220.053400043304324-60.139450048404434（超出量程）50005350注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格八：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为方波，频率f=100KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）10010811680.704500535546112.05100010601072121.1315001585158610.0632000210
22、0210440.185250026052616110.4230003100310000350037903788-20.053400043104308-20.046450047904434（超出量程）50005330注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格九：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为三角波，频率f=10Hz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1001101241412.72500555570
23、152.7210001088108910.092150016501643-70.42420002195220050.227250027502743-70.25930003260326990.276350038803861-190.489400044204418-20.045450049704958-120.241500055205511-90.163注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格十：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为三角波，频率f=1
24、KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1001101281816.36500557574173.05100010741089151.3915001645164610.0620002195220490.4125002745275490.327300032553273180.55350038903854-360.92400044504411-390.88450049704951-190.38500055105508-20.03注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LC
25、D1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格十一：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为三角波，频率f=10KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1001101281816.36500552574223.9100010661089232.1515001645164610.057200021852200150.68250027202754341.25300032303273431.33350038503847-30.07840004400440440.09450049504947-30.06500055105504-60.10
26、8注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格十二：AD637峰峰值测量（1）（测试条件：输入信号为三角波，频率f=80KHz）Uip-p (mV)Usp-p (mV)Uop-p (mV)U(mV)误差（%）1001061241816.9500536567315.78100010361082464.44150015851636-493.09200021202186663.11250026452740953.593000314032551153.663500372
27、038301102.954000426043801202.814500478049201402.925000530054731733.26注：表格中，Uip-p为函数信号发生器输出峰峰值电压，Usp-p为用示波器测量输入信号实际输出的峰峰值电压，Uop-p为LCD1602显示电压值，U=Uop-p-Usp-p。表格十三：频率测量（1）（测试条件：输入信号为正弦波,峰峰值1.5V）finfoutf误差（%）finfoutf误差（%）1Hz1Hz0 Hz05 KHz4.985KHz15Hz0.310 Hz11Hz1 Hz9.17 KHz6.979KHz21Hz0.330 Hz30Hz0 Hz010
28、 KHz9.971KHz29Hz0.2950 Hz49Hz1 Hz2.030 KHz29.916KHz84Hz0.2870 Hz70Hz0 Hz050 KHz50.027KHz27Hz0.054100Hz99Hz1 Hz1.060 KHz60.038KHz38Hz0.063300Hz299Hz1 Hz0.33470 KHz70.029KHz29Hz0.041500Hz498Hz2 Hz0.380 KHz80.031KHz31Hz0.039700 Hz697Hz3 Hz0.4390 KHz90.042KHz42Hz0.0471 KHz997Hz3 Hz0.3100 KHz100.033KHz33
29、Hz0.0333 KHz2992KHz8Hz0.267125 KHz125.031KHz31Hz0.025注：表格中，fin为函数信号发生器输出信号频率，fout为LCD1602显示频率值，f=|fout-fin|。表格十四：频率测量（1）（测试条件：输入信号为方波,峰峰值3V）finfoutf误差（%）finfoutf误差（%）1Hz1Hz0Hz05 KHz4.985KHz15Hz0.310 Hz10Hz0Hz07 KHz6.98KHz20Hz0.28630 Hz30Hz0Hz010 KHz9.97KHz20Hz0.250 Hz49Hz1Hz2.030 KHz30.014KHz14Hz0.0
30、4770 Hz69Hz1Hz1.450 KHz50.027KHz27Hz0.054100Hz99Hz1Hz1.070KHz70.017KHz17 Hz0.024300Hz299Hz1Hz0.334100 KHz99.98KHz20Hz0.02500Hz498Hz2Hz0.3300 KHz299.993KHz7 Hz0.002700 Hz698Hz2Hz0.286500 KHz500.006KHz6 Hz0.0121 KHz997Hz3Hz0.3700 KHz700.018KHz18 Hz0.0033 KHz2.991KHz9Hz0.31 MHz1000.012KHz12 Hz0.0012注：表
31、格中，fin为函数信号发生器输出信号频率，fout为LCD1602显示频率值，f=|fout-fin|。表格十五：频率测量（1）（测试条件：输入信号为三角波,峰峰值1.6V）finfoutf误差（%）finfoutf误差（%）1Hz1Hz0Hz05 KHz4.985KHz15Hz0.310 Hz10Hz0Hz07 KHz6.980KHz20Hz0.28630 Hz30Hz0Hz010 KHz9.970KHz30Hz0.350 Hz50Hz0Hz030 KHz30.014KHz14Hz0.04770 Hz69Hz1Hz1.4550 KHz50.027KHz27Hz0.054100Hz99Hz1H
32、z1.060 KHz60.028KHz28Hz0.047300Hz300Hz0Hz070 KHz70.04KHz40Hz0.057500Hz530Hz30Hz5.6680 KHz80.041KHz41Hz0.05700 Hz717Hz17Hz2.4290 KHz90.042KHz42Hz0.0461 KHz997Hz3Hz0.3100 KHz100.043KHz43Hz0.0433 KHz2991KHz9Hz0.3200 KHz无注：表格中，fin为函数信号发生器输出信号频率，fout为LCD1602显示频率值，f=|fout-fin|。4.3 数据分析表格一至十二数据分析：当输入信号为正弦波
33、和方波时，输出的有效值电压在0-400KHz范围内与输入信号峰值基本保持固定关系，但是输入信号为三角波时，当输入信号频率大于10KHz时，示波器的实际输出峰峰值随着输入信号频率的上升而下降。输入信号峰峰值为100mv时，输出信号有效值转换存在较大误差，这是由于转换芯片的输出有效值偏差大而造成。当输入信号为方波时，由于本系统采用的是C8051F410单片机，采用内部基准2.2V，故而最大只能测量2.2V电压，因而被测方波信号峰峰值为4.4V，故不能测量5V。当输入信号为三角波时，当信号频率较大时，存在较大测量误差。 表格十三至十五数据分析：本系统采用单片机直接测频，故而对于测量低频信号时，测量时
34、间相对较长，故需等待一段稳定时间。由于本系统的整形电路存在一些问题，测量频率与信号的输入幅度有关系，输入信号幅度大小与所能测量的频率范围成反比，即输入幅度越大，能测量的频率越低。对于小信号测频，应先将小信号放大整形后在测量频率。5. 总结5.1 电路设计在设计的初始阶段设计思路是采用LF398和电压比较器LM393、场管等组成峰值电压采样保持电路，输入信号对电容充电，电压达到最大值之后，输出的电压与输入的电压作比较。从而测得峰值。然而，这种方法对信号的频率有一定的限制，芯片的工作频率也无法达到要求。同时，测量的幅度受频率影响大。故此方法是不能采用的。5.2 电路调试在硬件调试过程中，刚开始使用
35、的AD637电路简单，没有精度调节外围电路。故峰值转换电路转化出来的真有效值与理论值存在较大误差，使精度降低。后来，查阅资料，对AD637的外围电路进行调整，进一步提高测量精度，减少有源整流器的非线性误差。在软件调试过程中，主要是对AD采集回来的数据进行转换，由于函数信号发生器理论输出电压值与实际输出值存在差异并且受频率的影响。同时， 由于定时时间有1s以及100ms,故对按键的扫描显得不灵敏，所以按键控制还有待解决。 5.3 心得体会本设计完成了对正弦、方波、三角波信号幅度和频率的测量，并给出了测试结果。本次设计的主要困难点是在硬件电路的设计上，由于自身知识量不足，了解的芯片也不多，对查找的
36、芯片的用法的了解也是模棱两可，所以在电路的设计上走了很长的弯路。不过，在这次的设计中，是我学到了很多东西，特别是在硬件的设计上，你在选择芯片时，应该全面考虑到你的设计要求，比如芯片的工作频率等。还有，在软件编程的过程中，应该做到有条有理，顺序井然，才能实现更好的控制。致谢在这次的毕业设计中，感觉电路的设计很困难，遇到了很多问题，一度很盲目，不过在袁老师的悉心指导和鼓励下，经过不断的探索和努力，毕业设计和论文最终顺利完成。在此，我衷心的感谢袁老师的帮助，感谢在设计过程中给予我帮助的同学。1阎石，数字电子计数基础M.北京：高等教育出版社，2008年.2沙占友.AD637型真有效值流转换器J.河北机
37、电学院，http:/ C8051F410/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册J. 沈阳航空工业学院，2006.Designed of the Signal Measurement Guodong SuSchool of Physics and Information Engineering Electronics information science and technology Class1 07Instructor Fangcheng ,Yuan Professor【Abstract】This system is designed a measurement which
38、 is used to measure the frequency and peak-to-peak value. Chocing AD637 and NE555 chip as the core device .The is the TURE RMS converter.The chip is high precision,wide bandwidth. Its peripheral circuit design is simple.The output of the AD637 is ture RMS.It acquisited by the C8051F410.Then it converters the ture RMS to the peak-to-peak value through the program.After the small signal is anplificated,and shaping by 555. The C8051F410 measure the frequency.【Keywords】C8051F410；AD637；NE555;peak-to-peak value;frequency; anplification附录：系统PCB图