低频交流信号测量系统.docx
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低频交流信号测量系统
摘要：
本设计以C8051F020单片机为核心控制芯片，由信号发生器输出被测信号，一路信号经过放大器后，再由单片机处理是否转换档位。
然后由C8051自带的12位ADC测量电压最大值，经过单片机处理，算出峰峰值。
另一路经过TLV3501进行整形后，由单片机测量此信号频率，当频率大于200kHz时，转换档位进行分频测量。
当频率小于200kHz时，直接测量被测信号频率。
然后由单片机控制LCD-12864显示出被测信号的频率、峰峰值和波形。
关键词：
C8051F020放大器整形分频ADC
Abstract:
ThedesignwithC8051F020SCMasthecorecontrolchip,wasfirstmeasuredsignalinputtothesignalgeneratorcircuitdesignbymanualshift,adjustthemeasuredsignalmeasurementrangesothatmoreaccuratemeasureofthemeasuredsignalfrequency,whenmeasuredsignalvoltagerangeis1Vto10V,astheOPA2228voltagemeasurementrangeisthebiggestV,sosignalattenuationcircuitwouldbepassing,andthensentintoMCUADCmeasureofthemeasuredsignalvoltage,andafterTLV3501isshapedbytherelayforprogram,aftertreatment,whenthefrequencyshiftlessthan200KHz/sdirectlytotheMCUisprocessingthefinalfrequency,whenfrequencymorethan200KHz/sneedthroughtheCD4518splitfrequencyprocessingandthensenttothemicrocontrollergettestedfrequencyofthesignal,andthenthesingle-chipcomputercontrolinLCD1602testedshowedonthefrequencyofthesignalandwaveform.
Keyword:
C8051F020plasticsurgerytoenlargepointsfrequency
1系统设计
设计思路
低频交流信号测量系统最后要测的是输入信号的频率和峰峰值，为了更精确的测量被测信号，首先将输入信号进行放大或衰减，然后送往单片机进行峰峰值的测量，另外频率的测量可以在放大后进行整形然后进行程控换挡，然后经单片机A/D转换处理通过液晶显示屏可以看到被测信号的频率和峰峰值。
方案论证与选择
1.2.1主控芯片的选择与论证
方案一：
使用普遍的AT系列单片机，优点是便宜，易于操作，但是处理速度慢。
方案二：
采用C8051F020，C8051F020处理速度快，自带有12位ADC转换器，外部集成度高，抗干扰能力强，从而能够提高精度。
综合考虑选择方案二。
1.2.2信号放大部分的选择与论证
方案一：
采用TI公司芯片OPA2228，该系列芯片噪音低、宽带宽、精度高、转换速度快、失调电压小，放大倍数可任意调节。
方案二：
采用集成运放芯片OP07对电压信号进行放大处理，选择不同的阻值就可以得到不同的放大倍数，但是这种放大处理转换速度慢，精度低。
综合考虑选择方案一。
1.2.3整形部分电路的选择与论证
方案一：
为了避免过零点多次触发的现象，使用施密特触发器组成的整形电路。
施密特触发器在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。
由于正反馈的作用，它的门限电压随着输出电压叽的变化而改变，因此提高了抗干扰能力。
本系统中我们使用两个施密特触发器对两路信号进行整形，比较器LM393连接成施密特触发器，为了保证输入电路对相位差测量不带来误差，必须保证两个施密特触发器的门限电平相等，但是此方案精度达不到要求。
方案二：
采用低功耗，低静态电流的TLV3501。
综合考虑选择方案二。
1.2.4A/D转换方案选择与论证
方案一：
利用LTC549芯片采样速率和转换率较慢，稳定性较差。
方案二：
我们选择的主控芯片C8051F020它本身自带了12位ADC，所以可以直接使用C8051F020的ADC功能，这样不仅可以简化电路还可以减小误差。
综合考虑选择方案二
系统整体框图
图4系统整体框图
2系统硬件电路设计
主控电路部分
该系统的主控芯片采用的是C8051F020来控制量程转换电路和频率测量电路。
从而能够快速测量出频率和峰峰值，提高精度。
整形部分
整形部分采用的是TI公司的TLV3501,该TLV3501是一种低功耗，漏极开路输出比较器，能够整出较好的TTL电平。
图6整形部分电路
放大部分
放大部分采用的是TI公司的OPA2228，OPA227和OPA228系列放大器低噪音、增益带宽很宽、精度高、压摆率高（us），精度高。
图7为放大部分电路。
被测信号由信号发生器输入到系统电路时根据被测信号的电压范围进行程控换挡处理，当被测信号频率电压范围在10mV到100mV时经过OPA2228的第一个放大器进行放大20倍，当被测信号频率电压范围在100mV到1V时经过OPA2228的第二个放大器进行放大2倍，当被测信号频率电压范围在1V到10V时经过衰减电路进行衰减5倍。
显示部分
显示部分采用的是12864液晶显示屏，这种显示方式非常直观，用户可以从显示器上看到很友好的界面，液晶显示屏上直接显示被测信号的频率和波形，该设计简单、直观。
显示部分电路如图8所示。
图8显示部分电路
3系统软件设计
4系统的测试和误差分析
系统硬件调试
电路板焊接完毕后，使用万用表测量电路是否有短路，断路，元器件焊反等情况。
经检查无误后，将单片机接上，检查所有电路连线是否连接上，然后接通电源，此时应注意以下几点：
1指示灯是否点亮
2单片机是否有电
3晶振是否工作
4被测信号是否稳定
测量方法:
1使用万用表查看电源是否有电。
2使用万用表测量单片机的电源和地的引脚，看是否有电压。
3使用示波器查看晶振是否有波形。
系统软件调试
提高测量精度
系统整体测试
首先利用信号发生器提供系统一个频率范围为100Hz~5KHz峰峰值Vpp为20mV～5V的被测信号，经放大或衰减后看单片机是否检测到然后得到被测信号的频率，然后通过整形得到被测信号的频率。
系统测试仪器
1数字万用表
2数字示波器
3函数信号发生器
系统测量和误差分析
经过所有的调试步骤完成后，对该系统进行实际的数据测量过程。
由于测量过程中存在着许多外界因素的干扰，再次进行数据和误差的分析。
数据测量与分析
预测值
10Hz
100Hz
1k
5k
10k
20k
50k
100k
150k
200k
实测值
Hz
Hz
预测值
10mV
50mV
100mV
500mV
1V
2V
4V
6V
8V
10V
实测值
47mV
96mV
489mV
由于实际测量工作的局限性，最后在测量中选取了一组数据
从表中的数据可以看出，测量值一般都比实际值要大一点，但对于连续测量的准确性还是比较高的。
针对测量过程，对每组数据进行多次测量，再求平均值，用来作为最终的测量数据，最后进行比较分析。
这样处理数据也具有一定的科学性和合理性。
从表中数据可以看出，测量比较大的频率时误差相对较大一些。
但从全部测量结果看，本设计的绝对误差都比较小，也比较稳定。
本设计基本符合设计要求。
误差分析
测量误差主要来源于一下几个方面：
1由于工具简陋，实际测量也有误差。
2影响测量误差的因素很多，还包括现场环境干扰。
3AD转换器的采样速度和转换率的大小也影响测量精度。
5参考文献
（1）《模拟电子技术基础》童诗白著，高等教育出版社2001；
（2）《C程序设计》谭浩强著，清华大学出版社，2005；
（3）《单片机微型计算机》李群芳著，电子工业出版社，2008；
（4）《SOC单片机原理与应用》鲍可进著，清华大学出版社，2011；
附录
附录1：
元器件明细表
Description
Designator
Footprint
Quantity
CD4518
CD4518
1
LM117
LM117
DSO-G3
1
Switch
S1
DPST-4
1
OPA2228
U6
1
C8051F020
U7
Quad100
1
LCD-12864
U8
LCD-12864
1
TLV3501
U9
TLV3501
1
CrystalOscillator
Y1
附录2：
系统整体框图
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