低频交流信号的测量系统Word文件下载.docx
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1.2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。
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
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。
采用低功耗,低静态电流的TLV3501。
1.2.4A/D转换方案选择与论证
利用LTC549芯片采样速率和转换率较慢,稳定性较差。
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
1.3系统整体框图
图4系统整体框图
2系统硬件电路设计
2.1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。
2.2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
2.3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(2.3V/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。
2.4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
4.1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。
4.2系统软件调试
提高测量精度
4.3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。
4.4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
4.5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。
4.6数据测量与分析
预测值
10Hz
100Hz
1k
5k
10k
20k
50k
100k
150k
200k
实测值
9.87Hz
101.12Hz
0.95k
4.98k
9.89k
20.80k
49.92k
99.40k
149.60k
199.63k
10mV
50mV
100mV
500mV
1V
2V
4V
6V
8V
10V
8.9mV
47mV
96mV
489mV
8.7V
1.7V
3.8V
5.8V
7.1V
9.1V
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。
4.7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
1
LM117
DSO-G3
Switch
S1
DPST-4
OPA2228
U6
C8051F020
U7
Quad100
LCD-12864
U8
TLV3501
U9
CrystalOscillator
Y1
CAPR2.54-5.1X3.2
附录2:
系统整体框图
- 配套讲稿:
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- 低频 交流 信号 测量 系统