單片機(jī)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳家棟

摘要：針對(duì)單片機(jī)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了低實(shí)驗(yàn)成本的低頻信號(hào)幅頻綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)涉及了單片機(jī)定時(shí)器、外部中斷、AD接口技術(shù)以及電子測(cè)量技術(shù)等知識(shí)綜合應(yīng)用，知識(shí)考查面廣。該文提出的幅頻檢測(cè)方案利用放大和整形電路將待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的二值信號(hào)，再通過單片機(jī)利用測(cè)頻法測(cè)出信號(hào)頻率；利用具有電壓負(fù)反饋的峰值保持電路和AD轉(zhuǎn)換器采集待測(cè)信號(hào)的幅值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案可行。通過實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生查找問題、分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 綜合實(shí)驗(yàn) 幅頻檢測(cè) 峰值保持電路

【中圖分類號(hào)】 G642? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

Design of the Experiment of the Comprehensive Application of Single-Chip Microcomputers

— The Amplitude-Frequency Comprehensive Detection of Low-Frequency Signals

CHEN Jiadong

（School of Electronic Information， Guilin University of Electronic Technology， Beihai， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 536000 China）

Abstract： Aiming at the design of the experiment of the comprehensive application of single-chip microcomputers， this paper designs the experiment of the amplitude-frequency comprehensive detection of low-Frequency signals with low experimental cost. The experiment involves the comprehensive application of knowledge such as the timer， external interrupt， AD interface technology and electronic measurement technology of single-chip microcomputers， and it examines a wide range knowledge. The amplitude-frequency detection scheme proposed in this paper uses the amplification and waveshaping circuit to convert the signal to be measured into a binary signal that can be recognized by the single-chip microcomputer， then uses the frequency measurement method to measure the signal frequency through the single-chip microcomputer， and uses the peak-holding circuit with negative voltage feedback and AD converter to collect the amplitude of the signal to be measured. Experimental results show that the design scheme is feasible. Through experiments， students' innovative and practical ability can be improved， and their ability to find， analyze and solve problems can be cultivated.

Key Words：Single-chip microcomputer; Comprehensive experiment; Amplitude-frequency detection; Peak-holding circuit

單片機(jī)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)可加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)綜合分析和設(shè)計(jì)的應(yīng)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)初步的科學(xué)研究、科技開發(fā)能力和工程應(yīng)用能力[1-2]。通過單片機(jī)綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)工作精神，追求真理的勇氣、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度、刻苦鉆研的作風(fēng)和堅(jiān)忍不拔的科學(xué)精神。

幅頻綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)涵蓋了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯、單片機(jī)技術(shù)以及電子測(cè)量技術(shù)等教學(xué)內(nèi)容，真正考查了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握情況，以及學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。鑒于針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)，目的是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)掌握知識(shí)應(yīng)用，學(xué)會(huì)分析問題和解決問題。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需考慮成本，實(shí)驗(yàn)要經(jīng)濟(jì)可行。該文設(shè)計(jì)了一個(gè)研究低頻信號(hào)幅頻檢測(cè)的單片機(jī)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，原理可行，知識(shí)應(yīng)用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)成本低。下文將從幅頻綜合檢測(cè)系統(tǒng)框圖、電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和測(cè)試數(shù)據(jù)誤差分析等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 低頻信號(hào)幅頻綜合檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)思路

測(cè)頻思路：由于針對(duì)于低頻信號(hào)的測(cè)量，可利用計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻法[3]，將待測(cè)信號(hào)整形為單片機(jī)可識(shí)別的脈沖信號(hào)，在閘門時(shí)間Ts內(nèi)，計(jì)算脈沖周期數(shù)N，則可得待測(cè)信號(hào)頻率f，如式（1）。測(cè)頻原理示意圖如圖1所示。

測(cè)幅思路：利用峰值保持電路和A/D轉(zhuǎn)換電路采集待測(cè)信號(hào)峰值。

系統(tǒng)框圖如圖2所示，為了減小測(cè)試電路對(duì)信號(hào)的影響，前級(jí)加入了緩沖電路。

1.2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

1.2.1緩沖電路

緩沖電路采用電壓跟隨器，如圖3所示，其特點(diǎn)[4]是輸入阻抗大，輸出阻抗小，輸出電壓約等于輸入電壓，Vo1≈Vin。

1.2.2頻率檢測(cè)電路

測(cè)頻電路如圖4所示，U3：C構(gòu)成放大電路，放大倍數(shù)為1+R6/R5=11。U5：A構(gòu)成比較電路，將輸入信號(hào)整形為單片機(jī)能識(shí)別的二值信號(hào)。為了使比較器輸出電平為0V和+5V，采用+5V單電源供電，并將閾值電壓UT設(shè)定為電源電壓的一半，選擇R7=R10。

R8和R9用于抬高輸入信號(hào)的直流電壓分量，抬高的直流分量為2.5V。

1.2.3峰值檢測(cè)電路

峰值檢測(cè)電路如圖5所示，主要由峰值保持電路和AD轉(zhuǎn)換電路組成。其中，峰值保持電路由誤差放大電路、峰值檢波電路以及緩沖電路構(gòu)成。運(yùn)放U4：A構(gòu)成誤差放大電路，D1和C7 構(gòu)成峰值檢波電路，U3：B構(gòu)成緩沖電路，Q1為單片機(jī)控制電容放電的三極管。峰值保持電路存在電壓負(fù)反饋，可達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。U2構(gòu)成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

峰值保持電路的工作原理：誤差放大器將待測(cè)信號(hào)電壓Vo1與緩沖器輸出電壓Vo4進(jìn)行比較放大，Vo3=A（Vo1-Vo4），A為運(yùn)放U4的開環(huán)增益。當(dāng)Vo1>Vo4時(shí)，由于A較大（通?？蛇_(dá)105以上），因此很快出現(xiàn)Vo3>Vc，二極管D1導(dǎo)通，電容C7充電；當(dāng)Vo1

電容電壓Vc的如式（1）所示。

式（1）中，t0為電容充電起始時(shí)刻，tc為充電時(shí)間長度，Z為二極管D1級(jí)電容的等效總阻抗。

由于單片機(jī)每次進(jìn)行峰值檢測(cè)前，均先通過三極管Q1將電容放電后再充電，因此可認(rèn)為t0初始時(shí)刻Vc≈0，則式（1）可寫成式（2）。

由于電壓通過回路反饋到誤差放大器輸入端需要一定的時(shí)間，而運(yùn)放的開環(huán)增益A較大，充電阻抗Z較小，由式（2）可知，在此段時(shí)間內(nèi)，電容電壓會(huì)存在過沖現(xiàn)象[5]，如圖6所示。因此，單片機(jī)在采集數(shù)據(jù)時(shí)，須等待電容電壓恢復(fù)穩(wěn)定之后再進(jìn)行。

在選擇器件時(shí)，需要注意幾點(diǎn)：（1）由于誤差放大器起到調(diào)整控制電路穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵作用，要求構(gòu)成誤差放大器的運(yùn)放U4壓擺率要盡可能大，壓擺率越大，則調(diào)整速度越快，輸出就越穩(wěn)定。（2）D1檢波二極管的響應(yīng)時(shí)間和反向電流要小。（3）針對(duì)低頻信號(hào)，保持電容值要大一些；高頻信號(hào)則要小容量即可。（4）緩沖器U3：B的輸入阻抗要盡可能大。

1.3 程序設(shè)計(jì)

程序流程如圖7所示。設(shè)計(jì)思路是：（1）使用定時(shí)器產(chǎn)生1s的閘門時(shí)間，在這1s內(nèi)，利用外部中斷對(duì)整形電路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行周期數(shù)累計(jì)[6]，即可得出信號(hào)頻率值。（2）在主程序中，進(jìn)行峰值電壓采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示。

初始化主要包括定時(shí)器、外部中斷相關(guān)設(shè)置等。

數(shù)據(jù)處理的目的是對(duì)采集的峰值電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲處理，減小測(cè)量誤差。方法是多次采集電壓數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉最大值和最小值，取剩余數(shù)據(jù)的平均值。

2? 系統(tǒng)仿真測(cè)試與結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)選用了常用且成本低廉的器件，并在Protues上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。常用且經(jīng)濟(jì)的運(yùn)放中，NE5532的壓擺率相對(duì)較高，為9 V/?s，選其作為峰值檢測(cè)電路中的誤差放大器；LM324的輸入阻抗相對(duì)較高且價(jià)格低廉，選用它構(gòu)成峰值檢測(cè)電路的緩沖器。由于研究的是低頻信號(hào)，其他電路對(duì)運(yùn)放的要求不高，使用NE5532和LM324剩余的運(yùn)放即可。AD轉(zhuǎn)換器使用8位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC548。

表1為幅值測(cè)量數(shù)據(jù)。表中相對(duì)誤差計(jì)算公式如式（3）。

由表1可以看出，峰峰值為1～5V的測(cè)量誤差基本在10%以內(nèi)，對(duì)于低成本幅頻測(cè)量設(shè)計(jì)方案而言，準(zhǔn)確率較高。0.5V以下時(shí)，由于信號(hào)較小，AD分辨率低，導(dǎo)致了測(cè)量相對(duì)誤差大，可通過將待測(cè)信號(hào)放大后再檢測(cè)來提高測(cè)量精度。另外，頻率越大，測(cè)量誤差也越大。若要提高測(cè)量精度，需使用頻率響應(yīng)性能更好的器件。

表2為頻率測(cè)量數(shù)據(jù)。由表2可看出，峰峰值為0.1～5V時(shí)，頻率測(cè)量相對(duì)誤差均小于1%，測(cè)量誤差來源主要為±1誤差和閘門時(shí)間誤差[3]。當(dāng)然，此數(shù)據(jù)為仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，部分實(shí)際噪聲干擾或電路的不穩(wěn)定等影響因素并未考慮到，因此與實(shí)際電路測(cè)試數(shù)據(jù)間會(huì)存在偏差。

3? 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

3.1 任務(wù)發(fā)布

設(shè)計(jì)一個(gè)低頻信號(hào)幅頻綜合檢測(cè)系統(tǒng)。要求：信號(hào)頻率范圍為10Hz～10kHz，測(cè)量誤差≤10%；峰峰值范圍為0.5mV～5V，測(cè)量誤差≤20%。

3.2 設(shè)計(jì)原理講解

（1）講解檢測(cè)系統(tǒng)框圖的工作原理；（2）電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)為峰值保持電路，需著重講解；（3）講解程序設(shè)計(jì)思路。

3.3 學(xué)生自主設(shè)計(jì)

學(xué)生理解原理之后，自行查閱相關(guān)文獻(xiàn)，完成各個(gè)部分電路的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。整個(gè)過程學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)。

3.4 作品制作與調(diào)試

繪制原理圖及PCB，發(fā)廠家進(jìn)行PCB打樣，焊接調(diào)試、測(cè)試，以及對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行誤差分析，并鼓勵(lì)學(xué)生自行查找發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力[7-8]。

3.5 驗(yàn)收答辯

考查學(xué)生對(duì)作品工作原理的理解，作品制作流程的掌握，以及鍛煉學(xué)生的溝通表達(dá)能力。

4? 結(jié)語

綜合考慮單片機(jī)綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的可行性、經(jīng)濟(jì)性，該文設(shè)計(jì)了低成本的低頻信號(hào)幅頻綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、測(cè)頻電路設(shè)計(jì)、峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和測(cè)試數(shù)據(jù)誤差分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)可行，適用于測(cè)量誤差要求不高的場(chǎng)合。綜合實(shí)驗(yàn)考查學(xué)生的知識(shí)面廣，可鍛煉學(xué)生知識(shí)綜合應(yīng)用的能力，可加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，可培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)從問題分析、方案設(shè)計(jì)、成本考慮、方案實(shí)施、測(cè)試結(jié)果誤差分析以及提出解決方案等多方面分析問題和解決問題的能力。

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