低频信号分析仪 电子设计报告

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1、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-

2、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

3、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500m V5V，频率范围为50Hz50kHz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

4、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：l 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。l 电源模块：为单片机和液晶显示器提供工作电源。l 放大比较：对信号进行整波并将微小交流电压量放大。l 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2.1.1 MC9S12X128单片机采用飞思卡尔单片

5、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：-40125封装：PQFP-802.1.2 MC9S12X128各引脚图5 MC9S12X128的引脚图2.2 TFT显示系统设计2.2.1 TFT基本结构TFT屏幕：TFT（Thin

6、Film Transistor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（active matrix TFT）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

7、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25V），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： 150V最大。 低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2

8、V/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+ ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 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。开始初始化 被测信号输入测量电压和频率显示结束 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20HZ50HZ幅值有效值频率幅值有效值频率10mv50100mv2020

9、0mv204000.19370.1569200.19370.1563505000.23450.1736200.23450.1738506000.29960.1956200.29560.1974501v0.50980.3598200.50980.3602502v1.01020.7003201.01010.70015031.51021.0491201.50911.05015042.03071.4108202.03051.41055052.49961.7483202.49961.74985063.03142.1121203.03052.11055073.52042.4701203.52012.470

10、15084.03092.8213204.03052.82055094.54033.1721204.54053.1705501053.432053.4750500HZ10K100K幅值有效值频率幅值有效值频率幅值有效值频率0.05090.03095000.05090.0305100000.05090.030899.99k0.09170.05175000.09170.0517100000.09170.051699.99k0.19370.15455000.19370.1437100000.19380.143999.99k0.23490.17495000.23490.1749100000.23470.

11、17599.99k0.29960.19565000.29960.1956100000.29970.195999.99k0.50980.35985000.50980.3598100000.50980.359899.99k10.685001.010.68100001.03010.69599.99k1.49961.03965001.49941.0398100001.50421.040599.99k21.41015002.0051.41100002.01131.410499.99k2.49961.72965002.47921.7292100002.48981.732199.99k32.095003.0

12、0212.0895100003.01072.100399.99k3.49962.43965003.49952.4394100003.49952.439499.99k42.785003.98922.781000042.7999.99k4.49963.15985004.48993.1586100004.5013.159899.9953.4950053.491000053.4999.99k100K200K幅值有效值频率幅值有效值频率0.05090.030899.99k1999870.09170.051699.99k0.09170.05171999870.19380.143999.99k0.19580

13、.14411999870.23470.17599.99k0.23670.17511999870.29970.195999.99k0.29980.19591999870.50980.359899.99k0.50980.35981999871.03010.69599.99k0.10310.6971999871.50421.040599.99k1.50211.04031999872.01131.410499.99k2.01241.41021999872.48981.732199.99k2.49591.73041999873.01072.100399.99k3.01022.98171999873.49

14、952.439499.99k3.49952.439419998742.7999.99k4.00112.791999874.5013.159899.994.49983.159419998753.4999.99k53.49199987方波20HZ50HZ幅值有效值频率幅值有效值频率10mv50mv2050400mv0.19370.1937200.19380.193850500mv0.25490.2549200.25490.2549501v0.50980.5098200.50980.5098505v2.45882.4588202.45882.45885010v4.9284.928204.91274.

15、912750500HZ10K幅值有效值频率幅值有效值频率999050099900.19370.19375000.19370.193799900.25490.25495000.25490.254999900.50980.50985000.50980.509899902.45882.45885002.45882.458899904.91134.91135004.90764.90769990100K200K幅值有效值频率幅值有效值频率999901998600.19370.1937999900.19860.19861998600.25490.2549999900.2510.2511998600.509

16、80.5098999900.54050.54051998602.45882.4588999901.48761.48761998604.90374.9037999904.98254.9825199860三角波20HZ50HZ幅值有效值频率幅值有效值频率10mv50mv2050100mv0.05090.0105*200.050950400mv200.19370.113750500mv0.25490.1749200.25490.1749501v0.49960.3598200.49960.2998505v2.4588202.45881.49965010v4.98923.4172204.98922.90

17、6450100K200K幅值有效值频率幅值有效值频率0.05090.0309999300.05090.03091998750.19370.1137999300.19370.11371998750.25490.1749999300.25490.17491998750.49960.2996999300.49960.29961998752.45881.4788999302.45881.47921998754.70372.8237999304.88292.9033199875500HZ10K幅值有效值频率幅值有效值频率50099905000.05090.030999900.19370.11375000

18、.19370.113799900.25490.17495000.25490.174999900.50980.29985000.49960.299699902.45881.47885002.45881.473699904.94842.96885004.94842.96849990五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

19、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.北京：北京航空航天大学出版社，19942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TFT1电阻1003电容47uF4晶振11.0592MHz1电路板210mm铜柱1

20、0mm12OP37比较器1电位器103，1046拨码开关6合11指示灯红色1二极管IN40074附录3 程序清单：#include /* common defines and macros */#include derivative.h /* derivative-specific definitio */#include LCD.h #includePanel.h /* LCD color */#define White 0xFFFF#define Black 0x0000#define Blue 0x001F#define Blue2 0x051F#define Red 0xF800#de

21、fine Magenta 0xF81F#define Green 0x07E0#define Cyan 0x7FFF#define Yellow 0xFFE0extern unsigned int TP_X,TP_Y; /当前触控坐标unsigned int g_speed;unsigned int count=0,duibi=0; long Caiyang; void SetBusCLK_80M(void) CLKSEL=0X00; /disengage PLL to system PLLCTL_PLLON=1; /turn on PLL SYNR =0xc0 | 0x05; REFDV=0

22、x80 | 0x01; POSTDIV=0x00; /pllclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=96MHz; _asm(nop); /BUS CLOCK=48M _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK=1); /when pll is steady ,then use it; CLKSEL_PLLSEL =1; /engage PLL to system; void TIM_init(void) /脉冲pt7初始化 PACTL = 0x40; /脉冲计数 下降沿 PACNT = 0x0000; / Pulse Accumulators Count

23、 Registers (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 void Init(void) DDRE = 0XFF; DDRB = 0XFF; DDRA = 0X0F; SetBusCLK_80M();CS=1;delayms(5);RES=0;delayms(5);RES=1;delayms(5);ILI9325_Initial();spist

24、ar(); /模拟spi初始化 void AD_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, No FIFO, 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 /

25、- void Dly_ms(int ms) int ii,jj; if (ms1) ms=1; for(ii=0;iims;ii+) for(jj=0;jj2670;jj+); /busclk:16MHz-1ms byte ReadATD(byte ch) byte ad=0; while(!ATD0STAT0_SCF); switch(ch) default: case 0: ad= ATD0DR0L; break; case 1: ad= ATD0DR1L; break; case 2: ad= ATD0DR2L; break; case 3: ad= ATD0DR3L; break; c

26、ase 4: ad= ATD0DR4L; break; case 5: ad= ATD0DR5L; break; case 6: ad= ATD0DR6L; break; case 7: ad= ATD0DR7L; break; return ad; void main(void) unsigned char ss6; unsigned int lx,ly,k,h; unsigned int AD_val; unsigned int Gewei,Xiao1,Xiao2,Xiao3,Xiao4; unsigned int YGewei,YXiao1,YXiao2,YXiao3,YXiao4; u

27、nsigned char TempData6; unsigned int CaiZH=0; unsigned char i=0; long fraq; EnableInterrupts; Init(); TIM_init(); AD_Init(); ClearScreen(Blue); LCD_PutString(10,20,低频信号分析仪,Red,Blue); Dly_ms(20); LCD_PutString(0,100,频率,Red,Blue); Dly_ms(20); LCD_PutString(200,100,Hz ,Red,Blue); Dly_ms(20); LCD_PutStr

28、ing(0,140,幅度,Red,Blue); Dly_ms(20); LCD_PutString(200,140,V,Red,Blue); Dly_ms(20); LCD_PutString(0,180,有效值,Red,Blue); Dly_ms(20); LCD_PutString(200,180,V,Red,Blue); Dly_ms(20); LCD_PutString(0,220,信号类型,Red,Blue); Dly_ms(20); LCD_PutString(140,220,正弦波,Green,Blue); Dly_ms(20); / DisPicture(10,10,70,90

29、); while(1) fraq=g_speed; fraq = fraq*10; TempData0=0+fraq/100000; TempData1=0+(fraq/10000)%10; TempData2=0+(fraq/1000)%10; TempData3=0+(fraq/100)%10; TempData4=0+(fraq/10)%10; TempData5=0+fraq%10; LCD_PutString(80,100,TempData,Red,Blue); duibi = 0; for(i=0;iduibi) duibi = AD_val; / if(AD_val5) AD_v

30、al=3; Gewei = (AD_val)/51; Xiao1 = (AD_val%51)*100/51)/10; Xiao2 = (AD_val%51)*100/51)%10; Xiao3 = (AD_val%51)*100/51)%51)*100/51)/10; Xiao4 = (AD_val%51)*100/51)%51)*100/51)%10; TempData0=0+Gewei; TempData1=.; TempData2=0+Xiao1; TempData3=0+Xiao2; TempData4=0+Xiao3; TempData5=0+Xiao4; LCD_PutString

31、(80,140,TempData,Red,Blue); Dly_ms(100); Caiyang = 0; for(CaiZH=0;CaiZH10000;CaiZH+) Caiyang+=ReadATD(0); / Dly_ms(2); Caiyang = Caiyang/10000; AD_val = duibi; if(duibi*40/100)Caiyang) LCD_PutString(140,220,三角波,Green,Blue); Dly_ms(1000); YGewei = (AD_val*6/10)/51; YXiao1 = (AD_val*6/10)%51)*100/51)/

32、10; YXiao2 = (AD_val*6/10)%51)*100/51)%10; YXiao3 = (AD_val%51)*100/51)%51)*100/51)/10; YXiao4 = (AD_val%51)*100/51)%51)*100/51)%10; TempData0=0+YGewei; TempData1=.; TempData2=0+YXiao1; TempData3=0+YXiao2; TempData4=0+YXiao3; TempData5=0+YXiao4; LCD_PutString(100,180,TempData,Red,Blue); else LCD_Put

33、String(140,220,正弦波,Green,Blue); Dly_ms(1000); YGewei = (AD_val*7/10)/51; YXiao1 = (AD_val*7/10)%51)*100/51)/10; YXiao2 = (AD_val*7/10)%51)*100/51)%10; YXiao3 = (AD_val%51)*100/51)%51)*100/51)/10; YXiao4 = (AD_val%51)*100/51)%51)*100/51)%10; TempData0=0+YGewei; TempData1=.; TempData2=0+YXiao1; TempDa

34、ta3=0+YXiao2; TempData4=0+YXiao3; TempData5=0+YXiao4; LCD_PutString(100,180,TempData,Red,Blue); /* if (IRQ=0) AD7843(); inttostr(TP_X,ss); inttostr(TP_Y,ss); lx=(TP_X-220)/15); ly=320-(TP_Y-300)/11); duibi = 0; */ #pragma CODE_SEG NON_BANKEDvoid interrupt 66 PIT0Interrupt(void)/中断程序 PITTF_PTF0=1;/清除中断标志count+;if(count=212) g_speed=PACNT;/ PACNT=0X0000; count=0; #pragma CODE_SEG DEFAULT23