基于单片机正弦波有效值的测量 -

基于单片机正弦波有效值的测量

一.简介

本作品以单片机STC12C5A60S2为主控芯片并以此为基础,通过二极管1N5819实现半波整流,使用单片机内部自带10位AD对整流后的输入信号进行采样,从而实现对峰值的检测;同时通过运放LM837对输入信号进行放大,之后通过施密特触发器,将原始信号整形成可被单片机识别的标准脉冲波形,之后配合内部计数器(定时器)达到测量其频率的目的;这样,整流和AD采样实现对输入信号峰值的检测;通过放大、整形实现对输入信号频率的检测。

二.基本功能与技术指标要求

(1)输入交流电压:1mV~50V,分五档:

① 1mV~20mV,② 20mV~200mV,③ 200mV~2V,④ 2V~20V,⑤ 20v~50V。

(2)正弦频率;1Hz~100kHz; (3)检测误差:≤2%;

(4)具有检测启动按钮和停止按钮,按下启动按钮开始检测,按下停止按钮停止检测;

(5)显示方式:数字显示当前检测的有效是,在停止检测状态下,显示最后一次检测到的有效值;

(6)显示:LCD,显示分辨率:每档满量程的0.1%;

三.理论分析

本文要求输入交流信号,通过电路测量其峰值,频率,有效值以

及平均值,因为输入的交流信号为模拟信号,而一般处理数据使用的主控芯片单片机处理的是数字信号,所以我们选择使用数模转换器AD(Analog to Digital Converter)将输入的模拟信号转换为数字信号,并进行采样;由于要求输入交流信号电压峰峰值Vpp为50mV~10V,所以如果我们采用AD为8位,则最小采样精度为

,因此会产生78.4%的误差,并且题目要求输入交流

信号的频率范围为40Hz~50kHz,所以为了保证对高频率信号的单周期内采样个数,我们需要选择尽量高速度的AD;

因此我们选用使用单片机STC12C5A60S2,其内部自带AD为8路10位最高速度可达到250KHz,所以我们可以将最小采样精度缩小到

,并且在输入交流信号频率最大时(50KHz)在单个

周期内可采集5个点,因此可保证测量精度。

由于该AD只能接受0~5V的模拟信号输入,所以当我们直接输入一个双极性信号时可能损坏AD,因此当信号进入AD之前我们要进行半波整流,为此我们设计了整流电路,在交流信号通过整流电路输入AD后,由AD实时输出对应模拟信号大小的二进制数,并存入变量MAX中,随着信号的不断输入MAX中只保存AD输出过的最大值,这样既可测出输入信号的峰值;由交流信号有效值表达式

可知检波器应当首先把输入的瞬时电压平方, 然后在一定平均时间内取平均值再开方。即可得到交流信号的有效值,然后通过比较峰值

和有效值的关系即可知道该交流信号的波形;由于要检测交流信号的频率,所以我们使用单片机内部定时器和计数器,而计数器只能由上升沿或是下降沿触发,所以我们想通过施密特触发器将输入交流信号变为高低电平,以便检测其频率,而施密特触发器CD40106在常温5V供电下门限电压

=1.4V

,而输入交流信号的峰值最小时

为25mV,所以不能保证输入信号为正的时候施密特触发器就能发生跳变,因此我们要对输入交流信号进行放大,为此我们设计了放大电路。

四.电路设计

1.电源电路的设计

本次实验我们采用+5V,—5V,+12V,—12V的电源,故采用了7805,7905,7812,7912这四块芯片组成电源电路对作品进行供电。如图一所示:

图一

经过测量实际输出电压为:+5.12V -5.06V +12.67V -12.02V

2.分档设计

由于直接对信号测量时,对小信号的测量产生很大的误差,为了更有效的利用单片机的资源,故要对待测信号进行分档处理,但在实际运行中,由于进入放大器之前存在大量电阻产生了很多的噪声干扰,使输出波形严重失真,不能有效的利用,故我们舍弃了该部分的电路。

3.整流电路的设计

我们使用整流二极管5819实现半波整流,但通过此电路输出波形会出现一个负电压,因此在此基础上,我们在二极管后加了一个上拉电阻,实现最大程度的消除输入波形的负电压,使其在单片机STC12C5A60S2内部AD的可接收信号范围内(0-5V)。输入信号经过整流后进入AD,由AD输出10位数字信号,再有单片机进行处理,得出信号的有效值。电路如图二所示:

图二

在实际的测试中,证明该方案可行,能够实现对信号的半波整流处理。

4.正弦波转方波电路设计

在该电路的设计中,我们一开始采用555芯片把正弦波转换为方波,但在实际的测试中发现555只能对高于6V的信号才能使正弦波转换为放波,与我们实习要求不符合,故舍弃了该方案。在老师的指导下,我们采用了滞回比较器来产生方波。本方案检测输入信号频率的核心电路,信号通过由三个运放LM324组成的运放电路后放大100倍,然后输入施密特触发器使其波形变为高低电平,将此波形输入到单片机主控芯片,利用单片机内部的计数器和定时器完成对频率的测量。大部分采用运放LM324构成放大100倍电路,位于图下方由5V电源供电的运放可以产生一个2.5V的直流电压,将此2.5V的直流电压输入到第一级运放后,会使输入的交流信号上偏2.5V,变为0-5V,再经过100000pF的电容C3滤掉被放大的噪声以及2.5V直流后,变为-2.5—+2.5的交流信号,之后进入二级放大;

如图所示第二级运放在加入+2.5V直流电压后输出为0—5V的交流信号,至此外加交流信号已被放大100倍;在外加交流信号被放大100倍之后进入施密特触发器CD40106,该触发器在常温5V供电下门限电压 =1.4V ,输出高电平 ,低电平 , 此部分电路输出即为这个高低电平。电路如图三所示:

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