低频信号分析仪2.docx

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低频信号分析仪2

2012年春季西南交通大学大学生电子设计竞赛

设计报告

低频信号分析仪

2012年5月3日

低频信号分析仪

摘要

本文介绍了一种基于单片机的低频信号分析仪的设计。

该设计主要由四个模块组成：

飞思卡尔单片机控制芯片，TFT彩频显示及触摸选择，信号放大比较以及电源模块。

信号经由OP37过零比较器中断部分，MC9S12XS128内部A/D转换把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块，经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示。

该系统的低频信号分析仪电路简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。

此低频信号分析仪可以测量分析电压峰峰值Vpp为10mV-10V，频率为10HZ-400KHZ的交流信号，并可分辨显示正弦波，三角波，方波的频率和幅值，频率误差小于1%，峰值误差小于0.5%，具有较高的准确性。

关键词飞思卡尔单片机；AD采样；过零比较器；TFT显示（触摸屏）

引言

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机因为体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，被广泛应用于仪器仪表中。

目前市场上的便携式仪表大多都是以单片机为核心。

显示部分采用TFT彩频显示，以触屏代替按键，简单方便，与时俱进。

1设计总体方案

1.1设计要求

在输入交流信号电压峰峰值Vpp为500mV～5V，频率范围为50Hz～50kHz条件下，完成以下参数测试；

（1）正弦波，三角波和方波频率测试，测量误差小于1%；

（2）正弦波，三角波和方波幅度测试，测量误差小于3%；

（3）具有数字显示功能（如信号频率、峰值等）。

1.2设计思路

（1）根据设计要求，选择飞思卡尔MC9S12X128单片机为核心控制器件。

（2）信号的放大整形用OP37进行过零比较

（3）显示采用触摸式的TFT彩频显示。

1.3设计方案

硬件电路设计由4个部分组成;放大比较电路，MS12X128单片机系统，TFT显示系统、电压输入电路。

硬件电路设计框图如图1所示。

电源模块

液晶显示

信号

放大和比较

MC9S12X128单片机

图1

从图中可以看出，单片机控制的有低频信号分析仪的主要功能模块分为4类：

●液晶显示：

是指在单片机的控制下，液晶模块显示被测信号的频率与有效值。

●电源模块：

为单片机和液晶显示器提供工作电源。

●放大比较：

对信号进行整波并将微小交流电压量放大。

●放大模块：

。

单片机电路主要是通过编写程序来控制硬件电路。

因此，可以通过改变程序，提高测量精度。

二、硬件电路设计

2.1单片机系统

2.1.1MC9S12X128单片机

采用飞思卡尔单片机嵌入式开发系统。

MC9S12XS128具有59个I/O口，能满足各部分对I/O口的需求

MC9S12X128功能性能:

总线宽度：

16位指令集结构：

HCS12系列：

S12XS可编程输入输出端口：

91程序存储类型：

Flash程序存储量：

128KBEEPROM：

其它数据RAM大小：

8KB时钟频率max：

40MHz接口类型：

CAN/SCI/SPI计时器数：

12片内ADC：

8x12位片内DAC：

其它电压：

其它工作温度：

-40℃~125℃封装：

PQFP-80

2.1.2MC9S12X128各引脚

图5MC9S12X128的引脚图

2.2TFT显示系统设计

2.2.1TFT基本结构

TFT屏幕：

TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）是有源矩阵类型液晶显示器（AM-LCD）中的一种，TFT在液晶的背部设置特殊光管，可以“主动”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这也就是所谓的主动矩阵TFT（activematrixTFT）的来历，这样可以大大提高反应时间，一般TFT的反应时间比较快，约80ms，而STN则为200ms。

如果要提高就会有闪烁现象发生。

而且由于TFT是主动式矩阵LCD可让液晶的排列方式具有记忆性，不会在电流消失后马上恢复原状。

TFT还改善了STN会闪烁（水波纹）模糊的现象，有效地提高了播放动态画面的能力。

与STN相比TFT有出色的色彩饱和度、还原能力和更高的对比度，但是缺点就是比较耗电，而且成本也比较高。

2.3放大和比较模块

　　Op37芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

OP07管脚图

OP37特点：

　　超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

1.8nA。

低失调电压漂移：

0.5μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month最大高电源电压范围：

±3V至±22V　　OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS最大额定值

三、系统的软件设计

软件调试主要是编写相应的程序，在电路仿真软件上仿真，直至到预期效果。

1.程序框图

主程序及各子程序的框图见图。

主程序框图LCD程序流程图

2.程序清单

根据程序流程图，编写相应的子程序和主程序。

程序清单见附录3。

四．测试数据

正弦波

20HZ

50HZ

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

10mv

50

100mv

20

200mv

20

400

0.1937

0.1569

20

0.1937

0.1563

50

500

0.2345

0.1736

20

0.2345

0.1738

50

600

0.2996

0.1956

20

0.2956

0.1974

50

1v

0.5098

0.3598

20

0.5098

0.3602

50

2v

1.0102

0.7003

20

1.0101

0.7001

50

3

1.5102

1.0491

20

1.5091

1.0501

50

4

2.0307

1.4108

20

2.0305

1.4105

50

5

2.4996

1.7483

20

2.4996

1.7498

50

6

3.0314

2.1121

20

3.0305

2.1105

50

7

3.5204

2.4701

20

3.5201

2.4701

50

8

4.0309

2.8213

20

4.0305

2.8205

50

9

4.5403

3.1721

20

4.5405

3.1705

50

10

5

3.43

20

5

3.47

50

500HZ

10K

100K

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

0.0509

0.0309

500

0.0509

0.0305

10000

0.0509

0.0308

99.99k

0.0917

0.0517

500

0.0917

0.0517

10000

0.0917

0.0516

99.99k

0.1937

0.1545

500

0.1937

0.1437

10000

0.1938

0.1439

99.99k

0.2349

0.1749

500

0.2349

0.1749

10000

0.2347

0.175

99.99k

0.2996

0.1956

500

0.2996

0.1956

10000

0.2997

0.1959

99.99k

0.5098

0.3598

500

0.5098

0.3598

10000

0.5098

0.3598

99.99k

1

0.68

500

1.01

0.68

10000

1.0301

0.695

99.99k

1.4996

1.0396

500

1.4994

1.0398

10000

1.5042

1.0405

99.99k

2

1.4101

500

2.005

1.41

10000

2.0113

1.4104

99.99k

2.4996

1.7296

500

2.4792

1.7292

10000

2.4898

1.7321

99.99k

3

2.09

500

3.0021

2.0895

10000

3.0107

2.1003

99.99k

3.4996

2.4396

500

3.4995

2.4394

10000

3.4995

2.4394

99.99k

4

2.78

500

3.9892

2.78

10000

4

2.79

99.99k

4.4996

3.1598

500

4.4899

3.1586

10000

4.501

3.1598

99.99

5

3.49

500

5

3.49

10000

5

3.49

99.99k

100K

200K

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

0.0509

0.0308

99.99k

199987

0.0917

0.0516

99.99k

0.0917

0.0517

199987

0.1938

0.1439

99.99k

0.1958

0.1441

199987

0.2347

0.175

99.99k

0.2367

0.1751

199987

0.2997

0.1959

99.99k

0.2998

0.1959

199987

0.5098

0.3598

99.99k

0.5098

0.3598

199987

1.0301

0.695

99.99k

0.1031

0.697

199987

1.5042

1.0405

99.99k

1.5021

1.0403

199987

2.0113

1.4104

99.99k

2.0124

1.4102

199987

2.4898

1.7321

99.99k

2.4959

1.7304

199987

3.0107

2.1003

99.99k

3.0102

2.9817

199987

3.4995

2.4394

99.99k

3.4995

2.4394

199987

4

2.79

99.99k

4.0011

2.79

199987

4.501

3.1598

99.99

4.4998

3.1594

199987

5

3.49

99.99k

5

3.49

199987

方波

20HZ

50HZ

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

10mv

50mv

20

50

400mv

0.1937

0.1937

20

0.1938

0.1938

50

500mv

0.2549

0.2549

20

0.2549

0.2549

50

1v

0.5098

0.5098

20

0.5098

0.5098

50

5v

2.4588

2.4588

20

2.4588

2.4588

50

10v

4.928

4.928

20

4.9127

4.9127

50

500HZ

10K

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

9990

500

9990

0.1937

0.1937

500

0.1937

0.1937

9990

0.2549

0.2549

500

0.2549

0.2549

9990

0.5098

0.5098

500

0.5098

0.5098

9990

2.4588

2.4588

500

2.4588

2.4588

9990

4.9113

4.9113

500

4.9076

4.9076

9990

100K

200K

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

99990

199860

0.1937

0.1937

99990

0.1986

0.1986

199860

0.2549

0.2549

99990

0.251

0.251

199860

0.5098

0.5098

99990

0.5405

0.5405

199860

2.4588

2.4588

99990

1.4876

1.4876

199860

4.9037

4.9037

99990

4.9825

4.9825

199860

三角波

20HZ

50HZ

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

10mv

50mv

20

50

100mv

0.0509

0.0105*

20

0.0509

50

400mv

20

0.1937

0.1137

50

500mv

0.2549

0.1749

20

0.2549

0.1749

50

1v

0.4996

0.3598

20

0.4996

0.2998

50

5v

2.4588

20

2.4588

1.4996

50

10v

4.9892

3.4172

20

4.9892

2.9064

50

100K

200K

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

0.0509

0.0309

99930

0.0509

0.0309

199875

0.1937

0.1137

99930

0.1937

0.1137

199875

0.2549

0.1749

99930

0.2549

0.1749

199875

0.4996

0.2996

99930

0.4996

0.2996

199875

2.4588

1.4788

99930

2.4588

1..4792

199875

4.7037

2.8237

99930

4.8829

2.9033

199875

500HZ

10K

幅值

有效值

频率

幅值

有效值

频率

500

9990

500

0.0509

0.0309

9990

0.1937

0.1137

500

0.1937

0.1137

9990

0.2549

0.1749

500

0.2549

0.1749

9990

0.5098

0.2998

500

0.4996

0.2996

9990

2.4588

1.4788

500

2.4588

1.4736

9990

4.9484

2.9688

500

4.9484

2.9684

9990

五．心得体会

在这次电子设计竞赛中我们使用了MC9S12X128单片机。

这让我对于单片机有了更多的了解。

同时在找资料的过程中学到了许多单片机课本上没有讲到的知识。

在这次电子设计竞赛过程中，我们通过在原有的输入系统进行了改进，使之测量频率和电压有效值精度更高，使之成为一个更加适用，功能更加完备的属于自己的一个系统。

在这个过程中让我对于C语言的编写有了更深入的体会。

在这次电子设计竞赛中，虽然花费了大量的时间和精力，但我却学到了许多在理论课程中无法学到的知识。

最重要的是让我懂得了合作的重要性，学会了如何与人更好的合作。

六、参考文献

[1]　李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：

北京航空航天大学出版社，1994

[2]　阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：

高等教育出版社，1989

1版

[3]张毅刚等编著.《单片机原理及应用》.北京：

高等教育出版社.2004年1月第1版

附录1电路简图

电压电路图

附录2元器件清单

元器件

描述

数量

MC9S12X128

单片机

1

液晶显示器

TFT

1

电阻

100

3

电容

47uF

4

晶振

11.0592MHz

1

电路板

2

10mm铜柱

10mm

12

OP37

比较器

1

电位器

103，104

6

拨码开关

6合1

1

指示灯

红色

1

二极管

IN4007

4

附录3程序清单：

#include/*commondefinesandmacros*/

#include"derivative.h"/*derivative-specificdefinitio*/

#include"LCD.h"

#include"Panel.h"

/*LCDcolor*/

#defineWhite0xFFFF

#defineBlack0x0000

#defineBlue0x001F

#defineBlue20x051F

#defineRed0xF800

#defineMagenta0xF81F

#defineGreen0x07E0

#defineCyan0x7FFF

#defineYellow0xFFE0

externunsignedintTP_X,TP_Y;//当前触控坐标

unsignedintg_speed;

unsignedintcount=0,duibi=0;

longCaiyang;

voidSetBusCLK_80M（void）

{

CLKSEL=0X00;//disengagePLLtosystem

PLLCTL_PLLON=1;//turnonPLL

SYNR=0xc0|0x05;

REFDV=0x80|0x01;

POSTDIV=0x00;//pllclock=2*osc*（1+SYNR）/（1+REFDV）=96MHz;

_asm（nop）;//BUSCLOCK=48M

_asm（nop）;

while（!

（CRGFLG_LOCK==1））;//whenpllissteady,thenuseit;

CLKSEL_PLLSEL=1;//engagePLLtosystem;

}

voidTIM_init（void）{

//脉冲pt7初始化

PACTL=0x40;//脉冲计数下降沿

PACNT=0x0000;//PulseAccumulatorsCountRegisters（PACNT）

PITCFLMT_PITE=0;

PITCE_PCE0=1;

PITMTLD0=480-1;//10us

PITLD0=100;//1ms

PITMUX=0X00;

PITINTE_PINTE0=1;

PITCFLMT_PITE=1;

TFLG1=0xFF;//清中断标志位

}

voidInit（void）

{

DDRE=0XFF;

DDRB=0XFF;

DDRA=0X0F;

SetBusCLK_80M（）;

CS=1;

delayms（5）;

RES=0;

delayms（5）;

RES=1;

delayms（5）;

ILI9325_Initial（）;

spistar（）;//模拟spi初始化

}

voidAD_Init（void）

{

ATD0CTL1=0x00;//7:

1-外部触发,65:

00-8位精度,4:

放电,3210:

ch

ATD0CTL2=0x40;//禁止外部触发,中断禁止

ATD0CTL3=0xa0;//右对齐无符号,每次转换4个序列,NoFIFO,Freeze模式下继续转

ATD0CTL4=0x01;//765:

采样时间为4个AD时钟周期,ATDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1]

ATD0CTL5=0x30;//6:

0特殊通道禁止,5:

1连续转换,4:

1多通道轮流采样

ATD0DIEN=0x00;//禁止数字输入

}

//-----------------------------------------------------

voidDly_ms（intms）

{

intii,jj;

if（ms<1）ms=1;

for（ii=0;ii

for（jj=0;jj<2670;jj++）;//busclk:

16MHz--1ms

}

byteReadATD（bytech）

{