基于单片机的相位差测试仪的研究
摘要
提出了一种基于8051 单片机开发的低频数字相位差测量仪的设计。系统以单片机8051 及计数器，显示管为核心, 构成完备的测量系统。可以对1Hz～1000Hz 频率范围的信号进行频率、相位等参数的精确测量, 测相绝对误差不大于1°采用数码管显示被测信号的频率、相位差。硬件结构简单, 程序简单可读写性强,软件采用汇编语言实现, 效率高。与传统的电路系统相比, 其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。
关键词: 相位差；单片机；计数器；数码显示管
Designs of Low frequency Digital Phase Measurement Based on Single Chip
Abstract
A new kind of low - frequency digital phase measurement instrument is residented which is based on 8051.This is a complete system whose core is based on single chip 8051 and arithmometer and charactron. It may measure the frequency and phase of the signal which begin from 1 Hz to 1000Hz, absolute error is not more than 1° The data are displayed on numeral displayer. Hardware structure is simple and software is realized by compiling language. Compared with traditional circuit, it has many advantages of faster processing speed, good stability and high ratio between property and price.
Keyword: phase difference；single-chip computer；. Arithmometer；charactron tube
目录
第一章绪论 (5)
1.1背景介绍 (5)
1.2本设计的内容要求及方法 (5)
第二章小信号处理的构成及基本原理 (6)
2.1 信号处理模块 (6)
2.2.1数字式相位测量仪 (6)
2.2.2.移相网络 (7)
2.2.3信号发生器 (8)
2.3方案细化 (9)
2.3.1、数字式相位测量仪 (9)
2.3.2信号发生器 (11)
2.4原理图分析及各参数设置 (12)
第三章计数部分的构成和原理 (13)
3.1测相部分 (13)
3.1.1测相原理 (13)
3.1.2电路结构 (13)
3.2测频部分 (14)
3.2.1测频原理 (14)
3.2.2电路结构 (14)
3.3程序编写 (18)
3.4输出显示部分 (20)
第四章模拟仿真及结论 (22)
4.1仿真工具的选择 (22)
4.2电路仿真操作步骤 (22)
4.3仿真波形分析 (23)
第五章原理误差分析
25
5.1小信号部分的误差 (25)
5.2频率测量模块的误差 (25)
5.3相位测量模块的误差 (26)
附录 (27)
设计回顾，收获及心得体会 (40)
感谢辞 (41)
参考文献 (42)
第一章绪论
1.1背景介绍
在实际工作中，经常会遇到需要检测两个信号之间的相位差，这也是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。在某些领域，精确地测量两个信号之间的相位差，具有很重要的意义。相位检测和数据判决技术是电力系统自动控制和谐波分析与控制的关键技术，相位差的测量是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面, 例如在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量两列同频信号的相位差。当电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这就需要精确测量两列工频信号的相位差。
传统的测量方法很多, 有示波器测量法、转化为时间间隔法、电压测量法、零示法等。有的相位计随着频率的变化其误差呈规律性变化，当工作频率变化较大时，其误差的变化远远超出了允许的范围
随集成电路技术的发展,单片CPU 的普及,用单片机组成的数字相位测量电路具有精
度高、成本低的优点, 日益受到人们的重视。目前数字相位测量电路常采用过零比较法,此法受信号频率、时钟频率影响较大, 在干扰较强时检测的准确度不够高。
1.2本设计的内容要求及方法
本次设计的要求是基于单片机设计出能够测试出两同频信号的相位差，并且具有可调移相电路，该系统完成后将使被测电压，频率，相位信号幅值范围分别为1mV～220V，1HZ～1000HZ，被测信号差范围0～360°测量误差小于1°。该系统分为小信号部分，测试处理部分和显示部分。本文介绍的检测方法不受信号频率的影响,准确度、稳定度好于过零比较法。
第二章 小信号处理的构成及基本原理
2.1 信号处理模块
本文设计最大的特点是将两路信号通过74LS74 双稳态触发器转换成一路脉宽信号,而脉宽的宽度为信号的相差,使得软件编程变得非常方便,也提高了精度.通过集成函数发生器产生两个频率可变的正弦信号波A 和B ，其中B 信号接移相网络，产生滞后或超前的相位，此时，将A ，B 两信号通过稳压管限幅以达到合理的输入，经放大器放大、限幅，过零比较器整流等环节，形成较稳定的脉冲信号，然后接入异或门，提取滞后或超前的相位差所对应的脉冲信号，再通过计数器分别测量该相位差所对应的脉冲宽度Tx ，以及周期Tn （或者fn ），整个计数器的工作状态由单片机控制，然后将Tx ，Tx ，输入单片机进行运算处理，
??=
360Tn
Tx
θ，最后由共阳极数码显示管显示出信号B 滞后于或超前于A 的相位θ和及其频率fn 。
信号处理模块主要是对信号进行滤波,滤除干扰并进行适当的放大、整形、限幅,它与
整型模块一同构成信号预处理电路,输出TTL 电平,为相位差的检测作好准备. 采用同相滞回比较器,以减小外加干扰,提高测量仪灵敏度,提高精度,同时增大输入阻抗.本例采用快速性能较好的LP311 作比较器,以适应高频信号的测量要求,提高反应速度和测量精度. 此电路还有过压保护的作用
2.2具体方案论证
2.2.1数字式相位测量仪
方案一：采用单片机实现数字相位测量。将两路输入信号分别通过放大，整形，过零比较，然后分别输入到单片机的两个外部中断，一个中断开启定时器，另一个中断关闭定时器，通过读取定时器值即可得到相位差。该方案采用外部器件较少，电路简单。但是，51系列单片机速度较慢，难达到相位绝对小于1°的要求。
方案二：采用相差-电压测量法。即通过数字鉴相器，如异或门鉴相电路输出相差脉冲，经过低通滤波器滤出直流成分（含相位信息）。此方案解决了模拟鉴相的频带限制，但测相精度不高。
方案三：如图-1采用单片机和计数器实现数字相位测量。将两路输入信号分别通过放大，限幅，过零比较，再将两路整形后的信号输入到异或门，所得脉冲的宽度可以反映相位差的大小。因为采用较高频率的晶振，因此对极小的相位差也能检测到。且利用四个计
数器和一个D触发器还可以对一路输入信号进行等精度测量，克服了单片机在低频或高频部分±1所引入的较大误差，提高了资源的利用率。采用计数器和单片机实现，因为资源要求不高，所以采用资源相对较少，抗干扰能力更强，更便宜的计数器实现。
比较上述三种方案，方案一，方案二达不到设计要求，故采用方案三，
图-1
2.2.2.移相网络
移相可以有数字移相和模拟移相两种方案。
方案一：数字移相，单片机或FPGA控制高速ADC，对一个周期内的信号进行多次采样，将数据保存在高速RAM中。然后根据需要移相的大小，对量化数据的地址加上一个相位偏移量后输出。该方案的优点是相移量可以很大（0°～360°都可），并且精度高，数字控制方便。但是一个周期内需要采样较多点，（如在20KZ下，为证1°的增量，必须采样360个点），对ADC速度，RAM速度要求高。
方案二；模拟移相，由R，C组成移相网络进行移相。相移网络的基本组成单元电路
（）
Ｗ/ω
Ｗ/ω
Φ
Φ
图-2
由于方案一实现难度较大,且价格比较昂贵,考虑到实际应用笔者采用方案二。 只有输入信号的频率与RC 网络的谐振频率相同时，才有45°的相移，所以当输入信号频率变化时，RC 网络也应有不同的转折频率。根据公式
RC
f π21
=
C-2-1 推导可得 Cf
R π21
=
C-2-2 取电容为44F μ（由两个22F μ并联），当输入信号频率为100HZ 时，由公式(C-2-1)得，
Ω=????=
-K R 189.36100
104414.321
9,取R=36K Ω；当输入信号频率为1KHZ 时，同
理可得，R=3.6189K Ω取R=3.6K Ω。从公式（C-2-2）中看到，输入信号的幅度有所下降，所以在输出后采用相同放大器，放大倍数为2。实际测试时相位只有-43°～+45°，误差主要是电阻，电容误差产生。调整滞后移相部分的电容为54F μ，超前移相部分的电容为30F μ，实际测量移相范围为-51°～50°，交好满足了题目要求，因为要求最后的输出信号峰峰值在1mV ～200V 内变换，因此最后接电位器进行幅度衰减调节。
2.2.3信号发生器
方案一：采用传统的直接频率合成器，在通过移相网络移相输出。这种方法能快速实现频率变换，具有低相位噪声以及所以方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波及移相环节，导致结构复杂，成本高，容易产生杂散分量，且难以实现
相位差1°的精度。
方案二：采用直接数字频率合成（DDFS）技术。DDFS的工作原理是用高速ROM存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求，用频率控制字M为步进对相量增量进行累加，按照不同相位要求，用相位控制字K调节相位偏移量，用累加相位值加上相位偏移量后作为地址码读取存放在存储器内的波形数据。经过D/A转换，滤波即可得到所需波形。DDFS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短，相位误差小，合成波形失真度低的优点。通过控制频率控制字M和相位控制字K，可以很方便实现频率10HZ步进和相位步进1°。但是因为要用高速ROM存放正弦波形数据，占用较多资源，同样存在价格昂贵的情况。
方案三：采用集成函数发生器。集成函数发生器能够很方便的产生所需要的正弦波形，而且通过调节电阻的阻值可以调节输出频率的变化，稳定性也不错。
通过比较上述三种方案的优缺点，结合实际情况，笔者决定采用第三种方案。
为了得到20KHZ的方波脉冲，笔者应用集成函数发生器8038并取电容C为1PF，变阻器的R P1、R P2的最大值为10KΩ。这样就笔者得到所需要的方波脉冲。如图-3所示。为了实验方便，笔者还用另外一片8038作为所要检测的信号的发生器（正弦波），产生1HZ～1000HZ 的正弦波，取R P1、R P2的最大值为1KΩ，电容C为1PF。
图-3
2.3方案细化
2.3.1、数字式相位测量仪
（1）小信号处理部分整体结构图
小信号部分主要由放大，放大限幅，电平转换，数字整形四部分构成。由于输入的两路信号幅度不确定，频率不确定，边沿不够陡峭，而计数器和单片机测频测相是相对TTL
电平（数字信号）进行的，因此，我们必须对输入信号进行放大整形。。电路及参数如图-4所示。
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
图－4
如图4 所示,由放大器，高速比较器LM311 、触发器组成. 它将被测移相网络的输入模拟待测信号U1 和被测移相网络的输出信号U3 变成数字方波信号U2 和U4 ,送至异或门处理. 显然,U1 和U3 是同频不同相的信号,相应信号的波形如图－5 所示. 电路中的运放都采用LF353，它有10M 带宽，很好地满足设计要求。实际测试中，在30KHZ 的情况下，输入信号仍能很好的整形。LP311为电压比较器（过零比较器），起到把模拟信号转换数字信号的作用，为后面的计数器工作做好准备。而74LS14为一施密特触发器，可以消除数字波形中的毛刺，使波形稳定。各主要相关元器件的管脚图及功能介绍见附录。
图－5
2.3.2信号发生器
正弦信号由集成函数发生器8038产生。其内部原理电路图如图-6。当电位器R p1动端在中间位置，并且图中管脚8与7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。电路的振荡频率f为0.3/[C(R1+R P1/2)] 。调节R P1、R P2可使正弦波的失真达到较理想的程度为使输入阻抗≥100KΩ，采用同相放大器，在输入端并上一个100KΩ的电阻，这样就能满足要求。当R P1动端在中间位置，断开管脚8与7之间的连线，在+V CC与-V EE之间接一电位器，使其动端与8脚相连，改变正电源+V CC与管脚8之间的控制电压（即调频电压），则振荡频率随之变化，因此该电路是一个频率可调的函数发生器。如果控制电压按一定规律变化，则可构成扫频式函数发生器。各管脚功能见附录。
图－6
2.4原理图分析及各参数设置
为了提高输入阻抗和限制输入幅度，在输入端上并上一个R1=100K Ω的电阻和一组二极管（反相击穿电压为5.1V ），这样可以避免信号过多的衰减和因输入过大而烧毁放大器。放大限幅分两级，第一级采用同相放大器，放大的倍数取决于R2和R3，第二级他的作用是限幅，起限幅作用的是稳压管D1，为了使对正负信号都能通过和限幅，接了一桥式二极管电路。由于要求把最小的信号（即1mv ）放大到5V ，则要求放大倍数为5000倍（即）。
21211R U U R U -= 即1
1
212R R R U U +==5000 假设 R1=1K Ω，则R2=4999。在限幅方面，利用一个稳压管使电压的幅价不超过5.1V 并利用桥式电路来防止电压不会失真。LP311为电压比较器使其参考电压为零（过零比较器），起到把模拟信号转换数字信号的作用，在电压比较器LP311后面接了一个上拉电阻，提高它驱动能力并为驱动后面的芯片提供大的电流。
第三章 计数部分的构成和原理
3.1测相部分
3.1.1测相原理
对于两路输入信号，在整形得到放波信号后，在异或门内先对其进行异或操作，再在计数器内对异或后信号的脉冲t 的宽度进行计数。测相框图如图－7其中BENA 为计数器的使能信号，当BENA 为高电平时，计数器开始计数，当BENA 为低电平时，计数器停止计数。而BENA 由输入信号A 和输入信号B 控制，两路信号“异或”后控制BENA 。从图－7可知，测得的脉宽除以输入信号的周期恰好为两路输入信号的相位差。
已知一个被测信号的周期为T ，设相位差为△θ，可得
△θ=t/T ×360° （C-1）
异或输入信号输入信号标准频率信号
清零信号
计数器
图－7
假设计数器计了0N 个脉冲，标准信号的频率X F ，则t=X F N /0。所以计数器将脉宽t 和周期T 的数值传给单片机，即可换算求得相位差。这里所需要的是t/T 比例，可以实现与相位无关的相位等精度测量，具体理论可以参考测频部分。
3.1.2电路结构
由4个74LS161计数器组成1个16计数器（见图－8），最大可以计65535。它的单位误差为0.0000018度并且它的性价比较16位高，这基本可以满足测量精度的要求。函数发生起的频率为20KHZ ，计数器最大可计数的值为65535，最大可测量时间大于1秒，而所测信号的范围在1HZ ～1000HZ 之间，最大周期为1秒。因此即使在测周期为1秒的信号其，计数器也不会益处。其中HZ74LS161的管脚图见附录
3.2测频部分
3.2.1测频原理
传统测量方法中，测量精度受被测频率得影响。由于待测信号得频率范围很大，所以我们设计了一中测量精度与频率无关的硬件等精度测量方法。原理如图－9
清零信号计数器
计数器
被测频率
预置门控制信号
标准频率信号
图－9
如图－9所示，预置门信号所一脉宽为pr F 的脉冲，计数器BZQ 和TSQ 都是可控计数器，标准频率信号从计数器BZQ 得时钟端输入，其频率为s F ，经整形后的信号从计数器TF 得时钟输入端输入，其频率为XE F ，测得为X F 。当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上升沿通过D 触发器的Q 端同时启动计数器BZQ 和TSQ 。计数器BZH 和TF 分别对标准频率信号和整形后的待测信号进行计数；当预置门低信号为低电平时，经整形过后的被测信号对标准频率信号的计数器值为S N ，由于两组计数器同时工作，则得到下面的公式：
S S X X N F N F //= （C —1—2）
推导 X S S X N N F F /)/(= （C —1—3）
从上述公式我们可以看到，其测量精度与S N 和标准频率精度有关，而与被测信号无关。这就保证了在频和高频部分，频率计的等精度。
3.2.2电路结构
测频部分由D 触发器和计数器组成。当单片机发出“开始测量相位”命令，控制电路先输出一个清零的脉冲，将计数器清零，随后并将门控制信号置为高电平。这时D 触发器
的Q端为低电平，两组计数器尚没有计数。被测信号的上升沿到来时，D触发器翻转，其Q为高电平，D触发器控制测频部分的计数器同时工作，这就保证了测频部分的两组计数器能同时工作，这也是测频部分原理的根据。
在计数器部分，因为74LS161是4位的，一共有16个状态，而笔者所需的两个16位计数器，所以测频部分采用两组计数器并且每组由四块74LS161串联而成，两组共需8块74LS161。这能很好的满足设计精度要求，使系统误差达到较小。每两个计数器连到一个三态总线控制数据的输出。另外，笔者还通过一个D触发器来判断是A超前B，还是滞后B。如图－10，当输出Q为1时，则A超前B，反之B超前A。待计数器计数完毕以后，由单片机控制不同的三态总线分时通过P0口获得相应的数字，这样串行分时传输，缺点是增加了等待的时间。在单片机中进行数据处理得到频率f和相位。
信号
信号
图－10
整个计数过程由单片机进行控制，考虑到性价比及误差的要求范围，在此选用8051单片机芯片，在8051芯片中，由于P0口经常用做低8位地址线或数据线；P2口用作高8位地址线；而P3口的第二功能更为重要，多数口线要留作控制信号使用。这样一来，只有P1口能作为真正的数据I/O口来使用。而在整个测相和测频过程中，一共需要10根控制线，8051的P1口只有8位。在不更换芯片型号的情况下，可以扩展I/O接口，或者译码器。考虑到扩展I/O接口不但会带来硬件方面的工作量，同时在单片机还要对其进行初始化处理，这降低了单片机的运行速度。为次决定采用74LS139二-四译码器，它能使控制线恰好增加到10根。74LS139芯片管脚图见附录。
这样一来通过这10根控制线就可以控制计数器何时开始计数，何时清零了，何时读数，可以使它们有条不紊的工作。为了使计数器输出连接在一起而造成短路，于是在接入前串接一个三态门总线。
图－8
3.3程序编写
在单片机编程方面，如果直接采用以前所学的MCS-51汇编语言进行程序的编写，尽管汇编的运行的速度较快，但整个程序显的非常的庞大复杂。而C语言有简单实用且具有较好移植性的特点。例如，在编写除法程序时，如果用汇编的话，则有数页；而在C中只要几行就可以这个问题。为此笔者决定选用其它的编程语言，如AVR，KLC 等，权衡优缺点和自己掌握的知识的情况之后，笔者决定采用单片机C在WINDOWS下编程，它兼容一部分MCS-51指令，即在KLC语言里，已经对单片机的接口，中断源等进行了定义，而不必在编程的时候重新去定义，这样一来就大大减少工作量，而且使整个程序变得简单明了，可读性强，易于修改。KLC软件使用说明见附录。单片机把获得数据存储在相应的数据单元以后，计算出频率和相位差，并通过串口输出。具体情况见流程图单片机源程序见图－11。
其中court[18]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,
0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,
0xC6,0xA1,0x86,0x84,0xFF,0x8C};
为查表程序，它是十六进制数及空白字符与P采用共阳极接法时的显示段码。而下面是一段延时程序，它能产生1ms的延时，在本次程序中调用它，并给它传递一个2000的数，这样就可以产生2000ms的延时，从而达到要求。
void mesc(unsigned int x){
unsigned int j;
while ((x--)!=0){
for(j=0;j<125;j++)
{;}
}
}
图－11
3.4输出显示部分
在输出显示方面，笔者决定输出显示经过计算后的频率和相位。输出显示部分采用6块LED数码管和6块74164，由单片机输出的频率和相位分时显示在显示管上，当数据从单片机传出时，必须经过译码器译码才能显示在显示管上，
LED数码显示管有两种接法，这里采用共阳极接法。
单片机与LED数码显示器有以硬件为主和以软件为主的两种接法
以硬件为主的接口方法：
在数据总线和LED显示器之间，必须有所存器I/O接口电路，此外还应有专用的译码器/驱动器，通过译码器把1位十六进制数（4位二进制数）或BCD码译码为相应的显示段码，然后有驱动器提供足够的功率去驱动发光二极管。这种接法仅用1条输出指令，就可以进行LED显示，但它所使用的硬件电路较多，而硬件译码缺少灵活性，只能显示十进制或十六进制数（包括空白字符）。该方法主要用于显示位数较多或对显示器的亮度有一定要求的场合。
以软件为主的接口方法：
它是以软件查表代替硬件译码，不但省去了译码，而且还能显示更多的字符，但所驱动器是必不可少的，因为仅靠接口提供不了较大的电流供LED显示器使用。
通过比较以软件为主的接口方法更适合本次要求。
当8051的串行口不作通信使用时，可以使它工作在移位寄存方式（方式0），扩展74LS164来驱动LCD静态显示器，工作在寄存器方式时，串行口的TXD端输出移位同步时钟，RXD端输出串行数据，即选码数据。
＃include
#define uchar unsigned char
uchar byte=0x59;
void display(uchar x)
{
SBUF=X;/由串行口输出
While(Ti==0);/等待8位发送结束
Ti=0;
}
题目：单片机LED音乐频谱的设计院（系）： 专业： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2011年07月07日
摘要 该系统采用增强型8051单片机STC12C5A60S2为主控制器，通过单片机内置的ADC对音频信号进行采样、量化，然后通过快速傅里叶变换运算，在频域计算出音频信号各个频率分量的功率，最后通过双基色LED单元板进行显示。该方案具有电路结构简洁，开发、生产成本低的优点。 关键词：单片机；傅里叶；LED;
目录 1. 引言 (1) 2. 方案设计 (2) 2．1设计要求 (2) 2．2总体方案设计 (3) 2．3总体方案组成 (6) 3. 系统电路设计 (6) 3．1单片机主控电路设计主控制器 (6) 3．2LED显示模块电路设计 (7) 4. 软件设计 (8) 4．1软件设计流程图 (8) 5．系统的测试 (8) 6．结论 (9) 7．参考文献 (11) 8. 附录 (14)
1. 引言 本文介绍的音乐频谱显示器可对mp3、手机、计算机输出的音乐信号进行实时的频谱显示。系统采用增强型8051单片机STC12C5A60S2为主控制芯片，通过单片机内置的ADC对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过快速傅里叶变换（FFT）运算，在频域计算出音频信号各个频率分量的功率，最后通过双基色LED单元板进行显示。在显示的频率点不多的情况下，本系统比采用DSP或ARM作为主控制芯片的设计方案具有电路结构简洁，开发、生产成本低的优点。
2. 方案设计 2.1设计要求 1. 单片机自带AD 转换，这样省去外围AD 电路。 2. 控制LED 随着音乐跳动，需要理解傅里叶原理。 2.2总体方案设计 经分析，将系统分为两个部分，一个是由单片机组成的主控。另一部分是LED 显示部分，单片机对接收到的音频进行处理经过傅里叶换算后在LED 显示，5V 稳压电源给各个部分供电。 该系统实现的方法有很多种，下面将列出大家最经常用到的实现方案。系统框图如图1所示 图1 音乐频谱总体系统框图 该系统由音频信号预处理电路、单片机STC12C5A60S2控制电路、LED 频谱显示电路等部分组成。图l 为系统整体设计原理框图。 图1 系统整体设计原理框图 系统各组部分的功能：（1）音频信号预处理电路主要对输入的音频进行电压放大和电平提升。（2）单片机STC12C5A60S2控制电路采用内置的ADC 对音频信号进行采样量化，然后对量化后的音频数据采用FFT 算法计算其频谱值，再将各频谱值进行32级量化。（3）LED 频谱显示电路在单片机的控制下，负责将FFT 计算得到的音频信号的各个频点的大小进行直观显示。 1.音频信号预处理电路 图2 音频信号预处理电路 音频信号预处理电路见图2所示，对输入的音频进行电压放大和电平提升。手机、计算机输出的音频信号Vin 经过RP1进行电压调节后，经集成运放LMV358反相放大10倍（Av=-R3/R2=-10），提高系统的灵敏度。选用单电源供电的运放LMV358，一方面可以简化系统电源电路的设计，直接采用系统的+5V 供电即可;另一方面其输出端静态电压为VCC/2，即2.5V 。放大后的音频信号和这2.5V 叠加后变为直流电压信号，满足后面单片机内置的ADC 对输入电压量程的要求。另外，LMV358为轨到轨输出运放，它可在+5V 单电源供电条件下仍具有较大的动态输出范围。 2.单片机STC12C5A60S2控制电路 显示电路 音频信号 单片机 电源
2007年A题音频信号分析仪 本系统基于Altera Cyclone II 系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，代替传统DSP芯片或高性能单片机，实现了基于FFT的音频信号分析。 音频信号分析仪 山东大学王鹏陈长林秦亦安 摘要：本系统基于Altera Cyclone II 系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，代替传统DSP芯片或高性能单片机，实现了基于FFT的音频信号分析。并在频域对信号的总功率，各频率分量功率，信号周期性以及失真度进行了计算。并在FPGA中嵌入了8阶IIR切比雪夫（Chebyshev）II型数字低通滤波器，代替传统有源模拟滤波器实现了性能优异的音频滤波。配合12位A/D转换芯片AD1674，和前端自动增益放大电路，使在50mV到5V的测量范围下，单一频率功率及总功率测量误差均控制在1%以内。 关键词：FPGA；IP核；FFT；IIR；可控增益放大 Abstract: This system is based on IP core(Nios)soft-core processors embedded in the FPGA of Altera Cyclone II family. Instead of using DSP or microcontroller, we use Nios II to perform a low-cost FFT-based analysis of the audio signal.And we caculated the power of the whole signal,the power of each frequence point that componented the signal.By the way,we anlysised its periodicity and distortion.We also embedded an 8-order Chebyshev II IIR digital low-pass filter to replace the traditional analog Active Filter to perform an excellent audio filter. With 12bit A / D converter chip AD1674, and the front-end automatic gain amplifier, this system’s single-frequency power and total power measurement error is below 1% in 50mV to 5V measurement range. Keyword: FPGA；IP core; FFT;IIR; automatic gain amplifier 一、方案选择与论证 1、整体方案选择 音频分析仪可分为模拟式与数字式两大类。 方案一：以模拟滤波器为基础的模拟式频谱分析仪。有并行滤波法、扫描滤波法、小外差法等。因为受到模拟滤波器滤性能的限制，此种方法对我们来说实现起来非常困难。 方案二：以FFT为基础的的数字式频谱分析仪。通过信号的频谱图可以很方便的得到输入信号的各种信息，如功率谱、频率分量以及周期性等。外围电路少，实现方便，精度高。 所以我们选用方案二作为本音频分析仪的实现方式。
_____________________ 个人资料整翌_仅限学习使用_ 基于单片机的相位差测试仪的研究 摘要 提出了一种基于8051单片机开发的低频数字相位差测量仪的设计。系统以单片机8051 及计数器，显示管为核心，构成完备的测量系统。可以对1Hz?1000Hz频率范围的信号进行 频率、相位等参数的精确测量，测相绝对误差不大于1°采用数码管显示被测信号的频率、相位差。硬 件结构简单，程序简单可读写性强，软件采用汇编语言实现，效率高。与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高的优点。 关键词：相位差；单片机；计数器；数码显示管 Designsof Low frequency Digital PhaseMeasurement Based on Single Chip Abstract A new ki nd of low - freque ncy digital phase measureme nt in strume nt is reside nted which is based on 8051.This is a complete system whose core is based on sin gle chip 8051 and arithmometer
and charactr on .It may measure the freque ncy and phase of the sig nal which beg in from 1 Hz to _____________________ 个人资料整翌_仅限学习使用_ 1000Hz, absolute error is not more than 1 The data are displayed on numeral displayer. Hardware structure is simple and software is realized by compiling Ianguage. Compared with traditional circuit, it has many adva ntages of faster process ing speed, good stability and high ratio betwee n property and price. Keyword: phase difference single-chip compute; . Arithmometer；charactron tube 目录
目次 1 绪论-----------------------------------------------------------1 2 系统功能-------------------------------------------------------1 3 系统设计-------------------------------------------------------2 3.1 主控单元----------------------------------------------------2 3.2 STC12C5A60S2 系列单片机单片机的A/D转换器-------------------10 3.3 STC12C5A60S2 系列单片机单片机的I/O口结构-------------------11 3.4 频谱显示单元-----------------------------------------------14 4 音频频谱显示相关问题-------------------------------------------16 4.1 频谱及频谱显示---------------------------------------------16 4.2 FFT运算规则及编程思想--------------------------------------17 5 总结-----------------------------------------------------------22 参考文献-------------------------------------------------------24 致谢-----------------------------------------------------------23 附录A 源程序-------------------------------------------------25 附录B 系统电路图---------------------------------------------32
目录 一、题目要求 ........................................................ 错误!未定义书签。 二、方案设计与论证 ............................................ 错误!未定义书签。 移相电路 ......................... 错误!未定义书签。 检测电路 ......................... 错误!未定义书签。 显示电路 ......................... 错误!未定义书签。 三、结构框图等设计步骤................. 错误!未定义书签。 设计流程图........................ 错误!未定义书签。 电路图 ........................... 错误!未定义书签。 移相电路图................... 错误!未定义书签。 检测电路图................... 错误!未定义书签。 显示电路图................... 错误!未定义书签。 四、仿真结果及相关分析................. 错误!未定义书签。 移相效果 ......................... 错误!未定义书签。 相位差波形........................ 错误!未定义书签。 相位差度数........................ 错误!未定义书签。 五、误差分析........................... 错误!未定义书签。 误差分析 ......................... 错误!未定义书签。 六、总结与体会......................... 错误!未定义书签。 七、参考文献........................... 错误!未定义书签。 八、附录............................... 错误!未定义书签。 元器件清单........................ 错误!未定义书签。
XXXXXX项目式教学 设计报告 课程名称：电路综合设计 项目名称：单片机数字相位差计的设计专业班级： 学生姓名： 指导教师： 开课时间： 报告成绩：
数字相位差计的设计与实现 摘要 随着数字电子技术的发展，由数字逻辑电路组成的控制系统逐渐成为现代检测技术中的主流，数字测量系统也在工业中越来越受到人们的重视。 在实际工作中，常常需要测量两列频率相同的信号之间的相位差，来解决实践中出现的种种问题。例如，电力系统中电网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时需要精确测量两列工频信号之间的相位差。如果两列信号之间的相位差达不到相同，会出现很大的电网冲激电流，对供电系统产生巨大的破坏力，所以必须精确地测量出两列信号之间的相位差。本设计由STC89C51构成的最小系统，通过外围扩展，精确测量工频电压的相位差，采用LCD1602显示相位差，功耗小，精确度高，稳定性能好，读数方便且不需要经常调试。 关键词：单片机、低频、相位差、LCD
一、绪论 1.1课题的意义 众所周知，相位是交变信号的三要素之一，而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要参数。相位差的测量是电气测量的一项基本内容，其含义为测量两个同频率周期信号的相位差值。 例如某一电路系统输入信号与输出信号之间的相位差，三相交流电两个相电压或两个线电压之间的相位差，相电压与相电流之间的相位差等。 又如，在自动控制理论中，系统的相频特性为在不同频率正弦信号作用下，系统的输出信号与输入信号之间的相位和频率的函数关系。 此外，同频率正弦信号的相位差测量在工业自动化、智能控制及通讯电子等许多领域都有着广泛的应用。如电工领域中的电机功角测试，等等。 因此相位差的测量是研究网络相频特性中不可缺少的重要方面。 1.2课题要求 本设计研究了一种可测20Hz-20kHz 内波形（正弦波、三角波、矩形波）数字相位差测量仪的设计方法。主要内容是以STC89C51为控制核心，实现对音频范围内的正弦交流信号的相位的测量，可测的信号相位差在0～360? 度范围内，测量精度可达0.1? 。两路信号（同频、不同相）通过过零比较器电路整形成矩形波信号，再通过鉴相器，D 触发器二分频得到相位差信号。这样就构成了相位测量系统的测量电路。再将该相位差信号送入单片机的外部中断端口，通过单片机对数据的处理，最后方可得到所要测量的相位差，并在液晶上显示出测量结果。 二、相位测量方案论证与选择 2.1设计方案论证 方案1：相位——电压转换法 相位--电压转换式数字相位计的原理框图如图2-1
题目名称：音频信号分析仪（A题） 华南理工大学电子与信息学院参赛队员：陈旭张洋林士明 摘要：本音频信号分析仪由32位MCU为主控制器，通过AD转换，对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过FFT快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过高分辨率的LCD对信号的频谱进行显示。该系统能够精确测量的音频信号频率范围为20Hz-10KHz，其幅度范围为5mVpp-5Vpp，分辨力分为20Hz和100Hz两档。测量功率精确度高达1%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪的解决方案。 关键词：FFT MCU频谱功率 Abstract:The audio signal analyzer is based on a32-bit MCU controller,through the AD converter for audio signal sampling,the continuous signal discrete,and then through the FFT fast Fourier transform computing,in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power,and other indicators for analysis and processing,and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum.The system can accurately measure the audio signal frequency range of20Hz-10KHz,the range of5-5Vpp mVpp,resolution of20Hz and100Hz correspondent.Power measurement accuracy up to1%,and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution. Keyword:FFT MCU Spectrum Power
如何用51单片机实现音频信号的频谱显示（在LCD上显示） 思路：外来音频信号经过51单片机，在单片机中进行频谱分析，并将结果显示在LCD(12864或1602)上 要求：频谱显示如同千千静听播放音乐时的频谱显示 希望各位高手能给出详细的解决方案，感激。。。。。。 51做FFT有些困难，可以使用增强型（RAM）的51机子进行 参考程序： #include
单片机测量频率，占空比，相位差 1、 频率及占空比的测量 如上图所示，当脉冲的上升沿来临时，将定时器打开；紧接着的下降沿来临时，读取定时器的值，假设定时时间为t1；下一个上升沿来临时关闭定时器，读取定时器的值，假设定时时间为t2。t1即为1个周期内高电平的时间，t2即为脉冲的周期。t1/t2即为占空比，1/t2即为频率。 C 语言程序如下： TH0=0; //定时器高位，初值设为0 TL0=0; //定时器低位，初值设为0 T0_num=0; //定时器溢出次数，初值设为0 while(pulse); //pulse 为脉冲的输入引脚 while(!pulse); //等待上升沿来临 TR0=1; //打开定时器 while(pusl1); //等待下降沿来临 th1=TH0;tl1=TL0;num1=T0_num; //保存定时器值 while(!pusl1); //等待上升沿来临 TR0=0; //关闭定时器 th2=TH0;tl2=TL0;num2=T0_num; //保存定时器值 2、 相位差的测量 上升沿打开定时器 下降沿读取定时器值并保存 下一个上升沿关 闭定时器，读取 定时器值并保存
测量相位差的电路如上所示，待测量的两路脉冲分别作为两个D触发器的时钟输入，两个D触发器的输入端D及S端都接高电平，第一个D触发器的输出接第二个D触发器的R端，第二个D触发器的互补输出端接第一个D触发器的R端。从下面的波形图可以看出，第一个D触发器输出的脉冲信号的占空比乘以2π即为相位差。这样就将测量两路方波信号的相位差转化为测量一路方波 信号的占空比，就可以按照前面介绍的测量占空比的方法来测量了。
目录 1.设计任务书。 2.设计方案概述。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理。 4.电路的组成及参数选择。 4.1整形电路及信号C的形成。 4.2滤波电路的参任务计划书。 4.3V/f变换电路的设计。 4.4 89C52内部资源的利用。 5.应用实例。 6.结论。 7.总结。 一、设计任务书 （一）任务 设计仿真一数字相位计 （二）主要技术指标与要求： （1）输入信号频率为0HZ～250HZ可调 （2）输入信号的幅度为0.5V （3）采用数码管显示结果，相位精确到0.1° （4）采用外部5V直流电源供电 （三）对课程设计的成果的要求（包括图表） 设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。要求图纸布局合理，符合工程要求，所有的器件的选择要有计算依据。 二、设计方案概述 根椐设计任务书的要求，我们参考了一些相关资料书，经过小组的讨论分析，提出了一种用v/f变换测量交流电的相位差的新方法：首先产生出其幅度正比与相位差大小的直流电，再有v/f变换器转换成反映相位差大小的频率信号，在单片机的配合下，最终得到相位差。这种方法具有分辨率高，适应与大范围的各种输入频率等优点。 正弦交流电电信号相位差的测量可以用多种方法实现。比较直接的数字式测量方法是在已知信号周期的前提下用定时的方法测得相位差角对应的时间，然后根据已知的周期将其换算成相位差角度。但
是，这种方法的测量精度依赖于定时器的精度和分辨率。在信号频率较高或频率虽不高但相位差较小时，都可以出现较大的误差。另外，由于直接测量得到的是时间，相位差角要由这一中间结果与信号的周期运算后才能得到，所以周期的测量不可缺少，其测量的精度也将影响相位差的精度。 在此用一种新的思路进行相位差的测量，用v/f变换器把相位差转换成一个其频率与之成正比的脉冲列，通过计算在一定时间内的脉冲个数测量相位差角。这种测量方法与信号的周期无关，可以得到较高的精度。题达到了0.1的测量精度，与此同时工业运行控制中现场操作，修改和设置等问题也得到了很好的解决，以上这些都在工业运行中得到了厂方的认可。存在的问题主要是本仪器通用性很不强，很难在更大的范围应用和推广，只能运用与某些特定的企业。今后的工作主要硬件和软件的改进上，列入增加一些通用行很强的功能模块。 3.V/f变换测量相位差角的工作原理 首先将输入的两个同频率但存在着相位差的信号进行整形，使之变成方波。如图1示A和B 再对A,B进行异或处理, 异或输出信号C 的脉冲宽度则反映相位差角.C 的脉宽T1对应的电角度是相位差角,C 的周期T2 是信号周期T 的1/2.如果信号角频率为w 则T1= /w. C为幅值为U 的方波其平均值Ud=UT1/T2=U 由此可见,C 的平均值( 亦即直流分量)仅与相位差角和脉冲幅 度有关与信号周期无关
基于51单片机的声音采集与模拟系统本系统主要通过对于语音信号进行采集，通过单片机可进行原声输出，同时也可以通过选择输出方式来模拟各种年龄段的人的声音或者动物声音。 方案一：语音采集电路可以采用51单片机的A/D转换电路。但是该种方式的精度不高，只能实现一些单一频率的声音。无法进行多种声音模拟。 方案二：采用专门的声音采集模块进行声音采集，将采集的信号输入到单片机，单片机进行频率分析，根据事先已经设定好的各种年龄段的人的声音频率范围，进行声音信号输出。 本系统的难点一是如何产生事先设定好的声音触发模式进行音调控制。 根据对乐理只是的了解，声音的不同主要来源于音调的不同，所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重，以满足听者的爱好、渲染某种气氛、达到某反馈式音频控制电路种效果、或补偿扬
声器系统及放音场所的音响不足。这个控制过程其实并没有改变节目里各种声音的音调（频率），所谓“音调控制”只是个习惯叫法，实际上是“高、低音控制”或“音色调节” 一个良好的音调控制电路，要有足够的高、低音调节范围，但又同时要求高、低音从最强到最弱的整个调节过程里，中音信号（通常指1000赫）不发生明显的幅度变化，以保证音量大致不变。 难点二是音色问题。 音色（musical quality）是指声音的感觉特性。音调的高低决定于发声体振动的频率，响度的大小决定于发声体振动的振幅,但不同的发声体由于材料、结构不同，发出声音的音色也就不同，这样我们就可以通过音色的不同去分辨不同的发声体音色是声音的特色，根据不同的音色，即使。在同一音高和同一声音强度的情况下，也能区分出是不同乐器或人发出的。同样的音量和音调上不同的音色就好比同样色度和亮度配上不同的色相的感觉一样。 注： 1.童声高音频率范围为260-880Hz，低音频率范围为196-700Hz，女 声高音频率范围为220-1.1KHz,低音频率范围为200-700KHz，男声高音频率范围为160-523KHz低音频率范围为80-358Hz。 2.频率261.6 52 3.2 78 4.8 1046 1308 1570 1831 2093 2354 2616 2878 3139 音色c1 c2 g2 c3 e3 g3 #a3 c4 d4 e4 #f4 g4
音频信号分析仪设计报告 1．摘要： 设计一个可对音频信号进行分析，并在LCD上显示其频率分量及功率的电路，电路还可对输入的失真信号进行失真度测量。电路主要由扫描滤波网络，检波采集网络，以及失真度测量网络构成。扫描滤波部分主要由MAX264开关电容滤波器电路和基于DDS扫描控制信号产生电路组成，完成对各个频率分量的提取；检波部分主要由有效值转换电路完成对频率分量功率的测量；失真度测量部分可自动跟踪输入信号的基频，通过谐波检测的方法，实现对失真度的测量，并可借助单片机测量其频率。整个测量电路结构简单，可较好完成对音频信号的各项分析。 关键字：MAX264 AD9851 音频功率检测失真度 2．总体方案设计 2．1方案一 动态信号分析法，即对信号进行时域采集，然后进行fourier变换，转换成频域信号。特点是较快，有较高的分辩率和采样速率。但受采样定理限制，无法推广到高频，且对采集网络要求较高，一般的单片机无法完成信号的频域变换算法。 2．2方案二 并行滤波法，通过一组滤波器网络，且每个滤波器都有自己的检波器，其通频带应尽量窄，数目应应该有足够的密度概括整个测量频带。优点是可实时显示和分析各个信号的频率分布及大小，缺点是其频率分量的个数取决于滤波器数目，当测量带宽增大，所需滤波器数目巨大。 2．3方案三 外差法，采用超外差接收机的方式，利用混频器、中频放大器、中频滤波器、检波器等构成频谱分析电路。其优点是工作频率范围宽、选择性好、灵敏度高。但是由于本振是连续可调谐的，被分析的频谱是依次顺序取样，因此扫频外差式不能实时地检测和显示信号的频谱。 2．4方案四 扫描滤波法，其采用中心频率可调的滤波器。被测信号首先加至可调谐窄带滤波器，其中心频率自动反复在信号频率范围内扫描。扫描滤波式频谱分析电路的优点是结构简单，价格低廉。由于没有混频电路，省去了抑制假信号的问题。我们选择这种方案，用DDS控制滤波器中心频率从而实现对不同频率分量的的提取并且利用滤波网络还可以实现失真度测量。（系统框图如下）
单片机测量方波的频率、占空比及相位差的方法 1、 频率及占空比的测量 如上图所示，当脉冲的上升沿来临时，将定时器打开；紧接着的下降沿来临时，读取定时器的值，假设定时时间为t1；下一个上升沿来临时关闭定时器，读取定时器的值，假设定时时间为t2。t1即为1个周期内高电平的时间，t2即为脉冲的周期。t1/t2即为占空比，1/t2即为频率。 C 语言程序如下： TH0=0; //定时器高位，初值设为0 TL0=0; //定时器低位，初值设为0 T0_num=0; //定时器溢出次数，初值设为0 while(pulse); //pulse 为脉冲的输入引脚 while(!pulse); //等待上升沿来临 TR0=1; //打开定时器 while(pusl1); //等待下降沿来临 th1=TH0;tl1=TL0;num1=T0_num; //保存定时器值 while(!pusl1); //等待上升沿来临 TR0=0; //关闭定时器 th2=TH0;tl2=TL0;num2=T0_num; //保存定时器值 上升沿打开定时器 下降沿读取定时器值并保存 下一个上升沿关 闭定时器，读取 定时器值并保存
2、相位差的测量 测量相位差的电路如上所示，待测量的两路脉冲分别作为两个D触发器的时钟输入，两个D触发器的输入端D及S端都接高电平，第一个D触发器的输出接第二个D触发器的R端，第二个D触发器的互补输出端接第一个D触发器的R端。从下面的波形图可以看出，第一个D触发器输出的脉冲信号的占空比乘以2π即为相位差。这样就将测量两路方波信号的相位差转化为测量一路方波信号的占空比，就可以按照前面介绍的测量占空比的方法来测量了。
一种软件测量相位差方法研究 作者：杨明1姜万东1宋国云2 （1.珠海万力达电气股份有限公司，广东珠海 519085； 2.酒泉超高压输变电公司，甘肃酒泉 735000) 摘要：传统测相位的办法是通过定时采样信息，经过快速傅立叶变换进行分析，这种做法要求采样点是整个周期的信息，还要进行复杂的作商、求反正切计算，运算量大，对系统时间造成一些浪费。作者根据传统测量方法进行拓展，提出了一种新颖的相位差测量方法，计算量小，用时少，精度高，特别适用于单片机环境下的软件测相位使用。 关键词：相位差；快速傅立叶变换（FFT）；单片机；软件测相位 相位差测量是工频交流电气测量技术的一个很重要的部分，电力系统中研究相位差是实现系统并列、准同期、无扰动合闸等工艺的重要前提条件，对系统稳定运行具有重要的意义。 传统的软件测相位的办法是通过定时采样一个周波的信息，利用快速傅立叶变换（FFT），将两个电气测量量的实部、虚部求出，然后对虚部差、实部差之商经过一次反正切计算，得出相位差。该方法运算量大，对系统资源浪费严重，对一些时间性要求比较苛刻的场合应用有局限性。为解决这一矛盾，本文利用考核过零点的时间差，求的相位差，研究数字滤波器，对提高测量精度有重要的意义。 1 信号采样 电气测量一般为50Hz的正弦波，为了满足测量精度、获得充裕的系统应用时间，本方 15电角度。通过单片机的定时中断，法使用的是每周24点的采样密度，既每个采样间隔是 读取中断时刻AD中各路模拟量的数值，分别储存至相应的寄存器数组中，如通道A、B的寄存器分别为AD_BUF_A[order]、AD_BUF_B[order]，其中order表示采样点次序，通道A、B采样点次序严格一致。 相位测量对所测的电气量的谐波要求比较严格，所以采样电路的前级的滤波措施要得当，专门的带通滤波器电路，可以很好地解决谐波问题，但是由于滤波回路会产生一些相角偏移，所以滤波器件的选型要严格。为了使测量误差尽可能的降低，为此，软件的滤波措施也要考虑。 2采样数据处理 以通道A为基本相位,研究通道A与通道B过零点的时间差，进而求解两者之间的相位
基于FPGA的音频信号分析仪 摘要：本系统基于Altera Cyclone II 系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，代替传统DSP芯片或高性能单片机，实现了基于FFT的音频信号分析。并在频域对信号的总功率，各频率分量功率，信号周期性以及失真度进行了计算。并在FPGA中嵌入了8阶IIR切比雪夫（Chebyshev）II型数字低通滤波器，代替传统有源模拟滤波器实现了性能优异的音频滤波。配合12位A/D转换芯片AD1674，和前端自动增益放大电路，使在50mV到5V的测量范围下，单一频率功率及总功率测量误差均控制在1%以内。 关键词：FPGA；IP核；FFT；IIR；可控增益放大 Abstract: This system is based on IP core(Nios)soft-core processors embedded in the FPGA of Altera Cyclone II family. Instead of using DSP or microcontroller, we use Nios II to perform a low-cost FFT-based analysis of the audio signal.And we caculated the power of the whole signal,the power of each frequence point that componented the signal.By the way,we anlysised its periodicity and distortion.We also embedded an 8-order Chebyshev II IIR digital low-pass filter to replace the traditional analog Active Filter to perform an excellent audio filter. With 12bit A / D converter chip AD1674, and the front-end automatic gain amplifier, this system’s single-frequency power and total power measurement error is below 1% in 50mV to 5V measurement range. Keyword: FPGA；IP core; FFT;IIR; a utomatic gain amplifier 一、方案选择与论证 1、整体方案选择 音频分析仪可分为模拟式与数字式两大类。 方案一：以模拟滤波器为基础的模拟式频谱分析仪。有并行滤波法、扫描滤波法、小外差法等。因为受到模拟滤波器滤性能的限制，此种方法对我们来说实现起来非常困难。 方案二：以FFT为基础的的数字式频谱分析仪。通过信号的频谱图可以很方便的得到输入信号的各种信息，如功率谱、频率分量以及周期性等。外围电路少，实现方便，精度高。 所以我们选用方案二作为本音频分析仪的实现方式。 2、FFT计算方式选择 方案一：使用VHDL 硬件实现。FFT的VHDL程序编写难度大，短时内不易实现。 方案二：在FPGA中嵌入Nios II处理器，通过软件实现。Nios II 支持C语言编程方式，普通的C语言版的FFT稍加改正即可应用到本方案中。 四天之内我们不可能实现一个用硬件实现的FFT算法，因此我们选用方案二。 3、采样电路与A/D芯片选择 本设计中要求分析的信号峰峰值范围为100mVp-p～5Vp-p，用8位A/D进行采样，不能满足题目的精度要求，采用12位的A/D芯片AD1674，其分辨率可达到1.2mV（相对于5Vp-p信号），满足了题目要求的5%误差范围。同时其100K的采样频率也满足本设计中的频率要求。
单片机测量方波的频率、占空比及相位差的方法 1.2 脉冲频率测量 频率测量实际上就是在1s内对脉冲个数进行计数，计数值就是信号频率。令定时器T0工作在方式1，得到100ms的定时间隔，再进行软件计数10次，形成一个1s的测量闸门信号。在测量闸门信号期间令计数器T1工作在计数方式1，对脉冲信号的频率计数，计数值存入COUNT、COUNT+1和COUNT+2单元，计数值通过6位动态数码管显示出来。 1.3 扩展测量范围原理 上述系统被测脉冲宽度范围最大为65535us，扩展计数器的位数可提高脉冲宽度的测量范围。令定时器T1工作在方式1定时，GATE=1，用COUNT单元，COUNT+1单元即定时器T1的计数单元TH1和TL1组成一个32位的计数器对脉冲宽度进行测量。并且在定时器T1溢出时，给COUNT+2赋值#01H,并将THI和TH0置零，重新开始计数。以扩展系统测量范围使可以达到130ms的任务要求。同时在进行频率测量时，当计数器T1溢出时，给COUNT+2赋值#01H,并将THI和TH0置零，重新开始计数。以扩展系统测量范围使可以达到100KHZ的任务要求。 第2章测量系统的硬件设计 由于是在实验箱测试本系统，且实验箱上的芯片已经连接固定好了，不能调整，所以以LAP 2000模拟系统的逻辑波形作为输入信号。因此硬件只需选用8051芯片以及六位LED数码管。在单片机应用系统中，为了便于对LED显示器进行管理，需要建立一个显示缓冲区。显示缓冲区DISBUF是片内RAM的一个区域，占用片内RAM的70H至75H单元，它的作用是存放要显示的字符，其长度与LED的位数相同。显示程序的任务是把显示缓冲区中待显示的字符送往LED显示器显示。 1、频率及占空比的测量
一二测量相位差的方法主要有哪些？ 测量相位差可以用示波器测量，也可以把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差，可以把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差，还可以与标准移相器进行比较的比较法(零示法)等方法。 怎么用示波器来测量相位差? 应用示波器测量两个同频正弦电压之间的相位差的方法很多，本节介绍具有实用意义的直接比较法。将u1、u2分别接到双踪示波器的Y1通道和Y2通道，适当调节扫描旋钮和Y增益旋钮，使荧光屏显示出如图2.42所示的上、下对称的波形。 比较法测量相位差 设u1过零点分别为A、C点，对应的时间为t A、t C；u2过零点分别为B、D点，对应的时间为t B、t D。正弦信号变化一周是360°，u1过零点A比u2过零点B提前t B-t A出现，所以u1超前u2的相位。 u1超前u2的相位，即u1与u2的相位差为 (2.56) T为两同频正弦波的周期; ΔT为两正弦波过零点的时间差。 数字式相位计的结构与工作原理是什么?
三数字相位计框图 将待测信号u1(t)和u2(t)经脉冲形成电路变换为尖脉冲信号，去控制双稳态触发电路产生宽度等于ΔT的闸门信号以控制时间闸门的启、闭。晶振产生的频率为fc的正弦信号，经脉冲形成电路变换成频率为fc的窄脉冲。 在时间闸门开启时通过闸门加到计数器， 得计数值n，再经译码，显示出被测两信号的相位差。这种相位计可以测量两个信号的“瞬时”相位差，测量迅速，读数直观、清晰。 数字式相位计称做“瞬时”相位计，它可以测量两个同频正弦信号的瞬时相位，即它可以测出两同频正弦信号每一周期的相位差。 基于相位差转换为电压方法的模拟电表指示的相位计的测量原理是什么? 如图2.44所示，利用非线性器件把被测信号的相位差转换为电压或电流的增量，在电压表或电流表表盘上刻上相位刻度，由电表指示可直读被测信号的相位差。转换电路常称做检相器或鉴相器。常用的鉴相器有差接式相位检波电路和平衡式相位检波电路两种。 数字相位计框 图
基于DSPIC30F6014A单片机的音频信号分析仪的设计 目前，大多数音频信号处理仪不但体积大而且价格贵，在一些特殊方面难 以普及使用，而嵌入式系统分析仪具有小巧可靠的特点，所以开发基于特殊功 能单片机的音频分析仪器是语音识别的基础，具有很好的现实意义。信号分析 原理是将信号从时间域转换成频率域，使原始信号中不明显特性变得明显，便 于分析处理。对于音频信号来说，其主要特征参数为幅度谱、功率谱。该音频 信号分析仪的工作过程为：对音频信号限幅放大、模数转换、快速傅里叶变换(FFT，时域到频域的转换)、特征值提取；从到音频信号的幅度谱，进而得到音 频信号的功率谱。 1 硬件设计“智能家居”(SmartHome)也称智能住宅。家居网络智能控制系统就是利用先进的计算机技术、通讯技术和嵌入式技术， 将家中的各种设备通过家庭网络连接成系统。整个智能家居系统的构成如图1 所示。在该系统中，对于某些家用电器设备的监测与控制需要进行音频信号的 分析。本设计选用Microchip 公司的(1)经过采样、A／D 转换完成后， 清除A／D 使能标志，得到离散化的数字信号。(2)调用周期判定函数，实 现对信号周期性的分析。(3)调用FFT 变换函数，对离散信号的快速傅里叶 变换，实现时域到频域的变换。(4)显示输入信号的频谱。(5)计算信号 的功率谱及计算最大功率。(6)显示信号的功率谱及最大功率。2．1 A／D 采样理论分析：因12 位的A／D 模块，故量化单位为1／212，因频 率分辨率△f=100 Hz、FFT 的子样本点数N=512，故采样频率fs=51 200 Hz(fs≤N△f)、采样周期Ts=1／51 200 s(采样周期一采样时间+转换时间)。因振荡频率为7．37 MHz，故指令周期TCY=(1／7．37)×4=O．5μs。实际控制：转换时间为14 个TAD(为正确A／D 转换，TAD=333．33 ns)。所以，配置 A／D 自动采样时间为6 个TAD，A／D 转换时钟为16TCY，则A／D 转换总