正弦信號的檢測和調理設計

何婧 劉瀚濤

摘 要：本設計闡述了一種對正弦信號進行檢測和調理的方案，目的是將電路設計成簡便易行、高效率、低成本的綜合型裝置。本系統(tǒng)采用TI公司的單片機STM32F103ZET6作為主控制器，配合以降壓電路、分級放大電路、峰值檢測電路和AD采樣電路等，實現(xiàn)將100mV-20V的輸入正弦信號調理為1V-10V等功能。預期效果為，所設計的系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定的運行，可以準確的完成輸入正弦信號關鍵工作參數的檢測，及單片機進行實時調控和顯示等功能。經測試，可以滿足正弦信號的檢測和調理課題的全部基本部分和發(fā)揮部分的要求。

【關鍵詞】STM32F103ZET6 正弦信號檢測和調理 顯示 AD采樣 峰值檢測

1 設計原理及分析

根據設計要求，由單片機STM32F103ZET6作為整個系統(tǒng)的核心，由集成運放TL072、比較器LM339、AD轉換芯片ADS1115為主構成的硬件電路部分為輔，完成實況采樣、按鍵控制、峰值檢測、報警等功能，實現(xiàn)正弦波幅值與頻率的準確檢測、顯示及調理、拓寬通頻帶等全部功能。

本系統(tǒng)由降壓模塊、峰值檢測模塊、分級放大模塊和AD采樣模塊等組成。采用STM32F103ZET6單片機作為本課題的總控制器，經分段調節(jié)電壓的方法實現(xiàn)了對正弦信號的幅值的調理。為了能完成按預定要求對正弦信號幅值和頻率檢測和調理的實時顯示功能，采用了由待測值經峰值檢測和降壓后入單片機，由AD采樣后使用LCD屏顯示輸出的方法實現(xiàn)。同時當輸入信號超過限定幅值時報警功能由單片機上的LED燈控制實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件設計

經過仔細的分析和論證，本設計硬件部分可由降壓模塊、峰值檢測模塊和分級放大模塊等模塊組成。

2.1 降壓模塊

采用電阻分壓，即改變電位器阻值實現(xiàn)對地電壓調整的方法實現(xiàn)。較方案一性價比較高、電路更為簡單易行。

2.2 峰值檢測模塊

采用運算放大器TL072構成的峰值檢測電路。該峰值檢測裝置電路結構簡單易行，帶寬適中，調試簡便，電路輸出的精確性雖不及方案一中的運放OPA128，但是勝在性價比更加優(yōu)秀。

2.3 分級放大模塊

采用運算放大器TL072構成分級放大電路。單片機通過采集放大電路的輸入信號的峰值，確定此時輸入信號所處于的分段段位，進而改變給兩個三極管所提供的基極電壓，控制其是否導通，實現(xiàn)對兩個繼電器的控制。繼電器動作后，會改變反相放大器的反饋電阻阻值，最終改變放大器的增益，實現(xiàn)分級放大。優(yōu)點是性價比高，電路較為穩(wěn)定且容錯率高，缺點是精度較方案一低。

2.4 AD采樣模塊

選用單片機STM32F103ZET6的AD口進行采樣。優(yōu)點在于簡便運行，方便程序的撰寫和調試。缺點在于精度只有12位而且噪聲比較大。

2.5 比較器模塊

采用LM393作為比較器模塊的核心。LM393是雙通道差分比較器，由兩個偏移電壓指標低達 2.0 的獨立精密電壓比較器構成，在原理與集成運放做比較器的相同的基礎上，壓擺率高，速度更快，輸出更穩(wěn)定。

2.6 直流穩(wěn)壓源的設計

當220V交流電經220V/18V變壓器后，由整流電路將雙極性電壓整為單極性電壓后進入濾波電路，濾波電路利用電容充電后按指數規(guī)律下降的原理，將單極性電壓的波形進一步處理，最后采用三端集成穩(wěn)壓芯片7818、7918實現(xiàn)直流電壓±18V的輸出。

3 系統(tǒng)軟件設計分析

主程序采用單片機STM32F103ZE初始化后實時獲取峰值檢測電路檢測出的電壓，上電后默認為自動模式。經單片機內部計算轉化后在LCD屏上顯示出峰值電壓。為了實現(xiàn)要求在輸入信號大于9V時報警，在流程圖中加入了判斷，若超過9V則將綠色的LED燈變?yōu)榧t色。當過零比較器輸出的信號進入單片機后，經單片機判斷上升沿下降沿后計算并顯示頻率。若需手動模式調節(jié)，則通過按鍵切換實現(xiàn)。

4 結論

本系統(tǒng)總體包括硬件部分和軟件部分，采用以單片機STM32F103ZET6和三大模塊硬件電路為主體的思路完成了全部設計。

硬件電路主要包括了制作降壓模塊、分級放大模塊和峰值檢測模塊，軟件部分包括了中斷、AD采樣、按鍵控制、LED燈顯示和液晶屏顯示等功能。如圖1所示。

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作者單位

南京師范大學電氣與自動化工程學院 江蘇省南京市 210023