1577.简易信号测量仪

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1、简易信号测量仪摘要本系统以单片机为核心设计了一种用于测量频率、周期、脉宽、占空比、峰峰值的简易信号测量仪，其中还可分辩正弦波与方波，利用单片机的数学运算和控制功能，结合部分中规模数字电路，实现测量中的功能自动切换。各项实测表明，设计原理正确合理，指标符合设计要求。AbstractAsimplesignalinstrumentbaseonamicrocontrollercanmeasurefrequency,period,pulsewidth,dutycycleandVpp,andcandifferenti

2、atesinewavefromsquarewave.BytakingfulluseofthemicrocontrollerandbycombiningsomemiddlescaleIC,canswitchautomaticallyamongdifferentfunction.Thetestshownthatthetheoryiscorrectandreasonable,andindexsatisfytherequirementofdesign.44一、方案比较及论证1、方案比较方案一：系统测频部分采用中小

3、规模数字集成电路，对输入信号作分频整形处理后，再与1s脉宽的标准信号相与，其输出作为计数脉冲，由计数器计数，然后锁存、译码输出到数码管显示。该方案的特点是硬件电路简单，但工作速度低，精度差，难以达到设计要求，而且不能测量周期与占空比。方案二：系统采用可编程逻辑器件作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。该方案集成度高，但可编程逻辑器件价格较高，在本题中使用，将导致系统性能价格比降低。方案三：系统采用MCS-51单片机AT89C52作为控制核心，由于单片机自带计数器的计数频率上限较

4、低，输入时钟的频率通常只能是系统时钟频率的几分之一甚至几十分之一，因此采用外部计数器对输入信号进行计数，计数值再由单片机读取，单片机只完成运算、控制及显示功能。该方案由于采用单片机技术，使其具有智能化的特点，简化了硬件电路，提高了测量精度，同时也能利用软件对测量误差进行补偿，并能方便地对系统进行功能扩展与改进。2、方案确定分析以上三种方案的优缺点，方案三具有更大的优越性、灵活性，因此我们采用方案三作为具体实施的方案。二、基本测量原理1、频率、周期测量频率的测量按照频率的定义进行：在某个已知的标准时间间隔T

5、（如1s）内，测出被测信号重复的次数N，f=N/T就是信号频率。基本原理框图如图1所示放大整形时间闸门计数器译码显示门控信号晶振分频电路被测信号图中晶振提供测量的时间基准，经分频后产生准确地时间间隔T，作为门控信号去开启与关闭时间闸门。闸门开启时，被测信号经过放大整形后，进入计数器进行计数，闸门关闭时，停止计数。若在时间间隔T内，计数值为N，则被测信号的频率f=N/T。44由于单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，测的频率值，即可通过运算得到周期数。1、脉宽测量测量电路在检测到脉冲的上升沿时打开计数

6、器，在下降沿时关闭计数器，所测脉冲宽度为，其中N为计数值，fs为计数器的工作频率。2、峰值测量测量正弦信号VPP的原理框图如下图所示被测信号峰值电压采样保持滤波显示峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片和一块电压比较器构成。采样保持器的输出电压和输入电压通过电压比较器进行比较，当Vi>V0时，电压比较器输出高电平，送到采样保持器的逻辑控制端8脚，使之处于采样状态；当Vi达到峰值而下降时，Vi

7、弦信号间的相位角之差，测量方法如图4所示，放大整形时间闸门计数器译码显示门控信号晶振rdfe振振RDFR振被测信号1被测信号2放大整形相位差Φ=3600（Tφ/T），Tφ为两方波前沿的时间差，T为正弦信号周期。44一、系统设计㈠硬件部分设计1.电源部分由于被测信号易受干扰而发生失真，使测量精确度下降，故自制稳压电源供电，其原理图如下：双12V的交流电经四个二极管整流、电容滤波后经两个三端稳压管稳压得到8V后给系统的运放等供电，再经7805稳压管为单片机提供工作电压+5V。2.信号整形电路电路原理图如下单片

8、机很难直接对正弦信号进行频率的测量，当正弦波和方波在同一输入端时就更难直接测量，两正弦波的相差也无法直接测量，因而使用整形电路把正弦波变成占空比为50%，频率不变的方波，便于进行频率和相差的测量。图中，正弦信号用电压比较器LM393和0.1V的电压作比较，便可得到同频的方波，用于测量其频率。和负0.1V比较可得负半波对应的负脉冲，进入单片机后可识别是否是正弦波，原信号和相移后的信号经过零比较后可得到同频的两路方波信号。稳压管用