关于正弦信号相位测量
这次湖北省电子竞赛有一题是多功能计数器，要求测量10到100K的正弦信号的相位，我们的学生做了该题，方案是这样的
1、将两路同频率有相位差的正弦信号整形成方波；（用比较器或者施密特触发器）
2、两路信号二分频后异或得到高电平脉宽与相位（0到360度）成正比的PWM信号（不二分频只能测得0到180度）；
3、用等精度测量原理计数测量高低电平时间比，计算相位，需要高稳定度的有源晶振，我们用的是66M的有源晶振，如果器件支持100M的，精度更高。
图中：
f0为高频基准时钟
fA为第一路相位差信号
fA为第二路相位差信号
start为微处理器启动停止测量控制信号
clr为微处理器启动前复位清零信号
state为反馈信号，让微处理器检测测量过程是否开始或结束
hq、lq为计数器，反映高低电平的时间比，处理器测得结果可计算出相位差。
相位差：0x3ec/(0x3ec+0x3e8)=0.5就是360*0.5=180度
检测正弦信号相位差算法的研究 程捷 (中国计量学院信息工程系, 杭州310034 摘要本文基于最小二乘原理和FFT 的选频特性, 讨论了二种测量正弦信号相位差的方法。该算法适用于短信号序列的相位测量。实验结果表明这二种算法具有数据处理量少, 准确度高的特点。关键词相位检测FFT 最小二乘法 一、引言 有直读法, 本文基于最小二乘原理和快速傅里叶变换(FFT 的选频特性, 提出了用最小二乘法和FFT 检测正弦信号相位差的算法。影响算法的主要因素是采样点数。利用最小二乘法数据处理量少, 准确度高, 而利用FFT 来检测相位差, 算法过程简捷。 二、算法的理论分析 11最小二乘相位测量的算法 假设有两正弦信号v 1(t 、v 2(t 被采样频率f s 采样, 得到一组M 个采样点。待处理的信号如下式所示: v 1(t =V 1sin (Ξt +Υ1 v 2(t =V 2sin (Ξt +Υ2 (1 展开上式可得 v 1(t =C 0sin Ξt +C 1co s Ξt v 2(t =D 0sin Ξt +D 1co s Ξt (2 其中: C 0=V 1co s Υ1, C 1=V 1sin Υ1 D 0=V 2co s Υ2, D 1=V 2sin Υ2故有 V
1C 2 +C 21 , Υ1=arc tg C 0 +〔1-sgn (C 0 2 V 2 D 20+D 2 1, 2tg D 0 2 (3 , C j 、D j 参数(j =0, 1 。为此, 需要应用最小二乘法。根据C j 、D j 参 数总的测量残差平方和最小, 用求偏导数的方法得到C j 、D j 参数的最小二乘估计。 假设信号频率为f =50H z , 采样频率为f s , 选取一定量的采样数据(取决于周期数K 的值 , 则M =I N T (Kf s f =I N T (KN , 这里, I N T 表示取整。采样间隔为?=1 f s , 对连续的 正弦信号按一定的时间间隔?进行采样, 得到 v i (n ? (i =1, 2, ; n =1, 2, …M 。对v 1(t 计算出各采样点值v 1(t 0 , v 1(t 1 , …, v 1(t M -1 , 可得到 v 1(t 的测量残差为: v i =C 0sin Ξt i +C 1co s Ξt i -v 1(t i i =0, 1, …, M -1 (4
频率估计的相位加权平均算法及其迭代方法 在信号处理领域，估计复高斯白噪声环境中的单频复正弦信号的频率是一个十分重要的问题，其应用十分广泛。如在系统频率同步时，利用导频进行频偏估计等。 根据最大似然（ML ）准则，解决该问题的最优方法是搜索周期图的谱峰位置，但是，即使采用FFT 快速算法，这种最大似然估计方法仍然具有非常大的运算量。因此，在文献[12]-[16]中提出了一些运算量相对较低的简化算法。要评价这些简化算法的估计性能，信噪比门限是一个重要的指标。某一算法的信噪比门限指的是该算法估计结果的均方误差开始离开CRB （Cramer-Rao bound ）时的信噪比值。 文献[12]-[16]提出的方法中，WPA 方法[12]具有最低的运算量，但是其存在信噪比门限随所估计的复正弦信号频率的增大而升高的问题。为了克服这个问题，文献[16]提出了WNLP 方法，该方法可使得信噪比门限在整个[,)ππ-的估计范围内保持不变，但WNLP 方法的信噪比门限较高，当所估计的复正弦信号频率较低时，WNLP 方法的信噪比门限将高于WPA 方法。因此，本文提出了一种基于WPA 方法的迭代方法。该迭代方法不仅能在整个[,)ππ-的估计范围内保持其信噪比门限不变，而且其信噪比门限远低于WNLP 方法的信噪比门限。 .1 相位加权平均法 叠加复高斯白噪声的复正弦信号为: ()()0j n n s n Ae z ωθ+=+ 式中,0,1,2,,1n N =- 。 采样时刻序列表示采样周期的整数倍。主要关心的参量是频率0ω。n z 表示测量噪声。 记加权系数为：
22312212n N n N p N N ??????--?? ?????????=-?????????????? 。 频率的估计为: 11n n n n n x x x x ++=∠-∠=∠ ， 2 010N n n n t p x x ?-+==∠∑ 。 式中2 01N n t p -==∑；0?是无偏估计。其中n 为相邻2点的相位差。Kay 提出的频率估 计算法在高信噪比下达到CR 门限。 在较高信噪比SNR > 6dB 时,估计误差可以达到CRB. Kay 方法理论上可以计算的频率范围为(),ππ-,其主要缺点是低信噪比情况下性能较差, 其门限信噪比还会随着待估频率的增大而增大. Kim 等人在Kay 方法的基础上, 针对Kay 方法的高信噪比门限问题,提出了前置矩形滤波器的思路，通过这一预处理, 极大地改善了信噪比门限这一问题,且只增加了少量的计算量, 然而Kim 方法的不足在于其频率估计范围极大地减小. 当前置滤波器为长度为M 的矩形滤波器时, 频率估计器可以获得()1010log M 的增益,但是其频率估计范围仅为(),M M ππ-,这种方法是以减小频率估计范围为代价来达到使频率估计方法适应于低信噪比情况。 另一方面,从最大谱峰搜索这一思路出发FITZ 首先推导出一种快速测频方法,如下式， ()()() (){} 016arg 121J N m m N n R m J J ω=≈-++∑
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： ①1mV~20mV，②20mV~200mV,③200mV~2V,④2V~20V,⑤20v~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
基于LabVIEW 的正弦信号频率与相位测量 1. 前言 信号频率与相位的测量具有重要的实际意义。本文调研了频率与相位的多种测量算法，并借助LabVIEW 编程实现。在此基础上，对各种算法进行了比较研究，且提出了行之有效的改进措施。 2. 采样定理与误差分析 2.1 采样定理 时域信号()f t 的频谱若只占据有限频率区间m m ωω（-,），则信号可以用等间隔的采样值唯一表示，而最低采样频率为m 2f 。采样定理表明：信号最大变化速度决定了信号所包含的最高频率分量，要使采样信号能够不失真地反映原信号，必须满足在最高频率分量的一个周期内至少采样两个点。 2.2 误差分析 对连续周期信号()a x t 进行采样得离散序列()d x n ，如果满足采样定理，则离散序列 ()d x n 的傅里叶级数()dg X k 是连续信号()a x t 的傅里叶级数1()ag X k ω的周期延拓，否则会 出现两种形式的误差。 2.2.1 泄漏误差 在连续信号()a x t 一个周期1T 内采样1N 个点，如果正好满足11s N T T =（s T 为采样间隔），则是完整周期采样，采样结果()d x n 仍为周期序列，周期为1N 。基于()d x n 一个周期1N 个点计算离散傅里叶级数()dg X k ，由()dg X k 可以准确得到连续信号()a x t 的傅里叶级数 1()ag X k ω。如果在连续信号()a x t 的M 个周期时间内采样整数1N 个点，即11s N T MT =， 也是完整周期采样。在此情况下，采样结果()d x n 仍为周期序列，周期为1N ，但()d x n 的一个周期对应于()a x t 的M 个周期，由离散序列()d x n 仍然可以准确得到连续信号()a x t 的
一、填空题 1、在选择仪器进行测量时，应尽可能小的减小示值误差，一般应使示值指示在仪表满刻度值的___2/3__ 以上区域。 2、随机误差的大小，可以用测量值的____标准偏差____ 来衡量，其值越小，测量值越集中，测量的____精密度____ 越高。 3、设信号源预调输出频率为1MHz ，在15 分钟内测得频率最大值为1.005MHz ，最小值为998KHz ，则该信号源的短期频率稳定度为___0.7%___ 。 4、信号发生器的核心部分是振荡器。 5、函数信号发生器中正弦波形成电路用于将三角波变换成正弦波。 6、取样示波器采用非实时取样技术扩展带宽，但它只能观测重复信号。 7、当观测两个频率较低的信号时，为避免闪烁可采用双踪显示的____断续____方式。 8、BT-3 型频率特性测试仪中，频率标记是用一定形式的标记来对图形的频率轴进行定量，常用的频标有___针形频标_____ 和____菱形频标_____ 。 9、逻辑分析仪按其工作特点可分逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪。 10、指针偏转式电压表和数码显示式电压表测量电压的方法分别属于____模拟__ 测量和___数字___ 测量。
1、测量误差是测量结果与被测值的差异。通常可以分为 绝对误差 和 相对误差 。 2、在测量数据为正态分布时，如果测量次数足够多，习惯上取 3σ 作为判别异常数据的界限，这称为莱特准则。 3、交流电压的波峰因数P K 定义为 峰值与有效值之比 ，波形因 数F K 定义为 有效值与平均值之比 。 4、正弦信号源的频率特性指标主要包括 频率范围 、频率准确度 和 频率稳定度 。 5、频谱分析仪按信号处理方式不同可分为 模拟式 、 数字式 和模拟数字混合式。 6、逻辑笔用于测试 单路信号 ，逻辑夹则用于 多路信号 。 7、当示波器两个偏转板上都加 正弦信号 时，显示的图形叫李沙育图形，这种图形在 相位 和频率测量中常会用到。 8、在示波器上要获得同步图形，待测信号周期y T 与扫描信号周期x T 之比要符合 y x nT T 。 1、按照误差的基本性质和特点，可把误差分为 系统误差 、 随机误差、 和 粗大误差 。 2、按检波器在放大器之前或之后，电子电压表有两种组成形式，即 放大-检波式 和 检波-放大式 。 3、在双踪示波器的面板上，当“微调”增益控制旋钮顺时针方向转
正弦波参数分析仪 设计报告
摘要 本作品以MSP430单片机为控制核心，由波形变换电路、峰值检测电路、显示电路、单片机自带AD转换电路组成。将信号变为方波后可直接由单片机测出其的频率，其峰值由峰值检测电路转换为直流信号并被单片机测量。 关键字：正弦信号;频率;峰值;MSP430单片机; Abstract This design take MSP430 MCU as control core, Provided by the waveform conversion circuit, the Peak detection circuit,the display circuit, AD conversion circuit in MCU. The frequency of Signal can be directly measured by the microcontroller when it is transformed as square wave , its peak by the peak detector circuit is converted into a DC signal and SCM measurements. Keyword:sinusoidal signal;frequency;Peak;MSP430 microcontroller; 一、系统方案论证与比较 1、频率测量方案选择 方案一：采用计数器芯片74LS161和8253。该计数器芯片可以精确地对矩形波信号进行计数并直接与单片机交换数据，但其测量频率很有限，外围电路复杂，价格较贵。 方案二：利用MSP430单片机内部含有两个定时/中断计数器，且每个定时/计数器均含有16位，可以通过定时器实现测频与测周,能够很好的满足测量频率为高频或是低频时的测量要求。 最终选择方案二，同时为了提高频率计的量程，分别对高频和低频信号采用测频和测周的测量方法。且由此设计的频率计具有精度高、测量时间短，耗能少，使用方便等优点。 2、峰值测量方案选择 方案一：以运放、二极管以及电容器组成精密峰值保持电路，并通过ADC 对保持电路幅度进行测量，同时电路中引入反馈电路，实现方便对输出进行调试。 方案二：模拟直接运算变换法。根据有效值数学定义用集成组件乘法器、开方器等一次对被测信号进行平方、平均值和开方等计算，直接得出输入信号的有效值。在这种电路设计中，当输入信号幅度变小时，平方器输出电压的平均值下降很快，输出很小，往往与失调和漂移电压混淆，因此该电路的动态范围很窄，且精度不高。 最终采用方案一，其电路实现简单，价格低廉，调试方便，加入反馈电路能对输入信号进行更加准确的测量。
以单频正弦信号为激励测量系统频率响应 一、实验目的 1.加深对LTI系统频率响应物理概念的理解 2.掌握测量LTI系统频率响应基本方法 3.掌握频率域采样法设计FIR滤波器的原理 4.掌握根据实际需求正确选择DFT参数的方法 二、实验原理与方法 三、源程序： clear; b=[0.0002,0.0002,-0.001,-0.0006,0.0023,0.0009,-0.0036,-0.0004,0.0042,-0.0004,-0.0036,0.0009, 0.0023,-0.0006,-0.001,0.0002,0.0002]; a=[1,2.675,7.8559,13.6147,23.8512,30.8819,39.641,40.2748,40.3641,32.5164,25.859,16.1752,10 .0665,4.5598,2.1127,0.5587,0.1695]; freqz(b,a);hold on; n=0:1000; w=zeros(1,500); i=1; for w0=0:.002:1; x=cos(pi*w0*n);%令A=1；初相为0； y=filter(b,a,x); xw=fft(x,1024); yw=fft(y,1024); %figure; %subplot(2,1,1); %stem(0:1023,abs(xw));grid on; %subplot(2,1,2); %stem(0:1023,abs(yw));grid on; h=max(abs(yw))/max(abs(xw)); H=20*log10(h); w(i)=H; i=i+1; end %subplot(2,1,1); %stem(0:511,abs(xw));grid on; %subplot(2,1,2); %stem(0:511,abs(yw));grid on; %figure %w=polyfit(0:0.001:1,w,3); plot(0:.002:1,w,'r');grid on;
微弱信号检测电路实验报告 课程名称：微弱信号检测电路 专业名称：电子与通信工程＿＿＿年级：＿＿＿＿＿＿＿ 学生姓名：＿＿＿＿＿＿ 学号：＿＿＿＿＿ 任课教师：＿＿＿＿＿＿＿
微弱信号检测装置 摘要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下，识别出已知频率的微弱正弦波信号，并将其放大。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路组成。其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路完成微小信号的检测。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4066，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。 关键词：微弱信号检测锁相放大器相敏检测强噪声
1系统设计 1.1设计要求 设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。 图1 微弱信号检测装置示意 （1）基本要求 ①噪声源输出V N的均方根电压值固定为1V±0.1V；加法器的输出V C =V S+V N，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。 ②微弱信号检测电路的输入阻抗R i≥1 MΩ。 ③当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 （2）发挥部分 ①当输入正弦波信号V S 的幅度峰峰值在20mV ~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 ②扩展被测信号V S的频率范围，当信号的频率在500Hz ~ 2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 ③进一步提高检测精度，使检测误差不超过2%。 ④其它（例如，进一步降低V S 的幅度等）。
用示波器测量信号的电压及频率 长江大学马天宝应物1203班 1、示波器和使用 -【实验目的】 1．了解示波器的大致结构和工作原理。 2．学习低频信号发生器和双踪示波器的使用方法。 3．使用示波器观察电信号的波形，测量电信号的电压和频率。 【实验原理】 一、示波器原理 1．示波器的基本结构 示波器的种类很多，但其基本原理和基本结构大致相同，主要由示波管、电子放大系统、扫描触发系统、电源等几部分组成，如图4.9-1所示。 （1）示波管 示波管又称阴极射线管，简称CRT，其基本结构如图4.9-2所示，主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分。 电子枪：由灯丝、阳极、控制栅极、第一阳极、第二阳极五部分组成。灯丝通电后，加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面，它的电位相对阴极为负，只有初速达到一定的电子才能穿过栅极顶端的小孔。因此，改变栅极的电位，可以控制通过栅极的电子数，从而控制到达荧光屏的电子数目，改变屏上光斑的亮度。示波器面板上的“亮度”旋钮就是起这一作用的。阳极电位比阴极高得多，对通过栅极的电子进行加速。被加速的电子在运动过程中会向四周发散，如果不对其进行聚焦，在荧光屏上看到的将是模糊一片。聚焦任务是由阴极、栅极、阳极共同形成的一种特殊分布的静电场来完成的。这一静电场是由这些电极的几何形状、相对位置及电位决定的。示波器面板上的“聚焦”旋钮就是改变第一阳极电位用的，而“辅助聚焦”就是调节第二阳极电位用的。 偏转系统：它由两对互相垂直的平行偏转板——水平偏转板和竖直偏转板组成。只有在偏转板上加上一定的电压，才会使电子束的运动方向发生偏转，从而使荧光屏上光斑的位置发生改变。通常，在水平偏转板上加扫描信号，竖直偏转板上加被测信号。． 荧光屏：示波管前端的玻璃屏上涂有荧光粉，电子打上去它就会发光，形成光斑。荧光材料不同，发光的颜色不同，发光的延续时间（余辉时间）也不同。玻璃屏上带有刻度，供测量时使用。 （2）电子放大系统 为了使电子束获得明显的偏移，必须在偏转板上加上足够的电压。被测信号一般比较弱，必须进行放大。竖直（Y轴）放大器和水平（X轴）放大器就是起这一作用的。 （3）扫描与触发系统 扫描发生器的作用是产生一个与时间成正比的电压作为扫描信号。触发电路的作
摘要 本系统以C8051F020MCU为核心，通过运算放大器以及比较器构成的外部电路对待测波进行处理后，由MCU自带的DA与比较器的综合应用测得正弦波幅值及频率，并通过MCU内部的12位ADC对波形采样以达到对波形的显示功能。通过对单片机程序的不断优化，本系统对正弦波幅值及频率的测量精度均能达到题目要求。为了方便观测波形，本系统还加入了波形绘制功能，使波形通过液晶12864显示，能够更直观的观测出待测波形的变化，这是本设计的一大特色之一。在正弦信号发生器方面，我们采用了精密波形发生集成电路ICL8038，能较好的产生频率100Hz到20KHz的正弦波。 关键词：数模转换（DA）模数转换（AD）波形绘制信号发生器 Abstract The system is based on the MCU C8051F020. With the help of the operational amplifiers and comparators, the MCU can show precisely the amplitude and frequency of the iuput signal through LCD 12864. In order to make the signal visible, we add the drawing function to our system, which is one of the most distinguishing features in the system. Keywords: DAC ADC waveform-drawing signal generator
合肥学院第七届大学生电子设计竞赛 设计总结报告 题目：正弦波失真度仪（E） 组员： 2011年4月23日
题目名称：正弦波失真度仪(E题) 摘要： 本系统用模拟的方法实现对信号的失真度的测量。由陷波电路，检波电路，单片机系统与显示部分等组成。陷波采用文氏桥有源陷波电路，使陷波深度大，结构简单，调试方便；检波电路采用专用集成电路，误差小，实现简单；单片机控制使测试过程简单方便，体现智能化；液晶显示屏显示界面具有直观，友好等优点。本设计较好地实现了对信号失真度测量的功能。 关键词： 文氏陷波检波电路信号放大液晶屏显示 一、题目要求与分析 设计内容是设计一个正弦信号失真度仪。 1.1基本要求 （1）被测输入正弦信号的频率范围为 10Hz~100Hz； （2）输入信号的峰峰值范围为0.5v~2.5v； （3）测量失真度范围为0.1%~99.9%，分辨率为0.1%； （4）测量输入正弦信号的频率，范围为10.0Hz~100Hz,分辨率为0.1Hz。1.2发挥部分 （1）扩大测量失真度的频率范围：1Hz~100KHz； （2）与计算机连接，信号波形和测试结果可以在计算机上显示； （3）同时接收两路信号，并将其定义某一负载的电压信号和电流信号，测 试出平均功率和功率因数； （4）其它。
1.3题目分析： 非线性失真程度可用非线性失真系数来表示，简称失真度。其定义为：r是 谐波总功率与基波功率之比的平方根，即100% r==，P是信号总功率，P1是基波功率，Pi为第i次谐波功率。为测量方便，实际测量中常用式测量。式中，分子表示谐波电压的总有效值，分母表示被测信号基波电压的有效值。 二、方案论证 2.1系统总体方案 方案一：采用模拟方法实现。即用手动调节的方法，来搜索基频，通过滤波电路滤除基波成分，利用有效值检波电路测出电压有效值（全部谐波成分的有效值），再根据失真度公式计算出失真度大小，再用液晶显示屏来显示。该方法采用模拟电路知识，实现起来虽有较大的困难，但是此方案对经济和单片机的要求不高，算法也较容易实现。 方案二：采用模拟和数字相结合的方法实现。采用有源文氏电桥组成三阶带阻滤波器用以滤除被测信号的基波成分，采用专门的有效值检波集成芯片得到被测信号的有效值和全部谐波分量的有效值。由公式计算出失真度，控制和数据处理部分用全集成混合信号在片系统单片机。显示部分用液晶显示模块，显示内容有：失真度、信号频率、电压有效值、信号波形。但是此方案对单片机要求较高，算法麻烦，芯片价格昂贵。 综上所述，我们采用方案一。总体框架图如下： 图1 总体框架图 信号输入后，分成三路，一路通过波形转换，进行频率测量。另外两路通过
示波器的使用 1、了解通用双通道示波器的结构和工作原理，熟悉各个旋钮的作用和使用方法。 2、掌握用示波器观察波形、测量电压和频率的方法；了解用示波器测量相位差的 方法。 3、掌握观察李萨如图形的方法，并能用李萨如图形测量未知正弦信号的频率；能 用示波器观察“拍”现象。 1、通用双通道示波器的结构，面板旋钮的作用和使用方法； 2、通用双通道示波器的工作原理，李萨如图形测量未知正弦信号频率的原理，观 察“拍”现象的原理。 一、前言 示波器是利用电子束的电偏转来观察电压波形的一种常用电子仪器，主要用于观 察电信号随时间变化的波形，定量测量波形的幅度、周期、频率、相位等参数。 一般的电学量（如电流、电功率、阻抗等）和可转化为电学量的非电学量（如温 度、位移、速度、压力、光强、磁场、频率）以及它们随时间变化的规律都可以用示 波器来观测。由于电子的惯性很小，电子射线示波器一般可在很高的频率范围内工作。 采用高增益放大器的示波器可以观察微弱的信号；具有多通道的示波器，则可以 同时观察几个信号，并比较它们之间的相应关系（如时间差或相位差），是目前科学 实验、科研生产常用的电子仪器。 二、实验仪器 通用双通道示波器，函数信号发生器、同轴电缆等。 三、实验原理 1、仪器工作原理 （1）通用双通道示波器的介绍 主要结构：示波管、电子放大系统、扫描触发系统、电源
工作原理： （a ）示波管 示波管是呈喇叭形的玻璃泡，被抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转板，喇叭口的球面内壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。下图是示波管的构造图。 电子枪由灯丝F 、阴极K 、栅极G 以及一组阳极A 所组成。灯丝通电后炽热，使阴极发热而发射电子。由于阳极电位高于阴极，所以电子被阳极电压加速。当高速电子撞击在荧光屏上会使荧光物质发光，在屏上就能看到一个亮点。改变阳极组电位分布，可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏某一点上，这种调节称为聚焦。栅极G 电位较阴极K 为低，改变G 电位的高低，可以控制电子枪发射电子流的密度，甚至完全不使电子通过，这称为辉度调节，实际上就是调节荧光屏上亮点的亮暗。 Y 偏转板是水平放置的两块电极。当Y 偏转板上电压为零时，电子束正好射在荧光屏正中P 点。如果Y 偏转板加上电压，则电子束受到电场力作用，运动方向发生上下偏移。如果所加的电压不断发生变化，P 点的位置也随着在铅垂线上移动。在屏上看到的是一条铅直的亮线。荧光屏上亮点在铅直方向位移Y 和加在Y 偏转板的电压U Y 成正比。 X 偏转板是垂直放置的两块电极。在X 偏转板加上一个变化的电压，那么，荧光屏上亮点在水平方向的位移X 也与加在X 偏转板的电压U X 成正比，于是在屏上看到 Y 输入 X 输入 外触发
正弦信号和方波脉冲信号测定与观察 一实验目的 1、熟悉实验装置上函数信号发生器布局，各旋钮、开关的作用及其使用方法。 2、初步掌握用示波器观察信号波形，定量测出正弦信号和脉冲信号的波形参数。 二实验说明 1、正弦交流信号和方波脉冲信号是常用的电激励信号，由函数信号发生器提供。 正弦信号的波形参数是幅值U m、周期T（或频率f）和初相φ；方波脉冲信号的波形参数是幅值U m、脉冲T及脉宽t k。本实验装置能提供频率范围为20Hz-100KHz幅值可在0-5V之间连续可调的上述信号。并由六们LED数码管显示信号的频度，不同类型的输出信号可由波形选择开关来选取。 1、电子示波器是一种信号图形观察和测量仪器，可定量测出电信号的波形参数，从荧 光屏的Y轴刻度尺并结合其量程分档选择开关（Y轴输入电压灵敏度V/cm分档选择开关）读得电信号的幅值；从荧光屏的X轴刻度尺并结合其量程分档选择开关（时间扫描速度s/cm分档选择开关），读得电信号的周期、脉宽、相应差等参数。为了完成对各种不同波形、不同要求的观察和测量，它还有一些其它的调节控制旋钮，希望在实验中加以摸索和掌握。 一种双踪示波器可以同时观察和测量两个信号波形 四、实验内容 1、双踪示波器的自检 将示波器面板部分的“标准信号”插口，通过示波器专用轴电缆线接至双踪示波器的Y轴输入插口Y A或Y B端，然后开启示波器电源，指示灯亮，稍后，协调地调节示波器面板上“辉度”、“聚焦”、“辅助聚焦”、“Y轴位移”、“X轴位移”等旋钮，使在荧光屏的中心部分显示出线条细而清晰、亮度适中的方波波形，通过选择幅度和扫描速度灵敏度，并将它们的微调旋钮至“校准”位置，从荧光屏上读出该“标准”信号的幅值与频率，并与标称值（1V, 1K的方波信号）作比较，如相差较大，请指导教师给予校准。 2、正弦波信号的观测 （1）将示波器的幅度和扫描速度微调旋钮至“校准”位置。 （2）将函数信号发生器的波形选择开关置“正弦”位置，通过电缆线将“信号输出” 口与示波器的Y A(Y B)插座相连。 （3）接通电源，调节信号源的频率旋钮，使输出频率分别为50H Z, 1.5KH Z, 20KH Z （由频率计读出），输出幅值分别为有效值0.1V, 1V, 3V（由交流毫伏表读得）， 调节示波器X轴和Y轴灵敏度至合适位置，并将它们的微调旋钮旋至“校准” 位置。从荧光屏上读得周期及幅值，记入表中。
第四届电子设计竞赛复试实验报告 正弦电压信号的产生与有效值测量 *********************************************************************复试题目： 设计一个频率为1000Hz的正弦波信号发生器，输出幅值为1V左右。用单片机搭建一个系统，精确地测量该信号的有效值。并通过串口送到PC机中，通过串口调试助手软件显示该有效值。 题目要求： 1、设计一个1000Hz的正弦波振荡器，输出幅度转换为1V。 2、用单片机自带10位AD作为模数转换芯片，不允许扩展其它AD。 3、串口以9.6K波特率向PC机传输数据，在串行调试助手中，以10进制格式显示该正弦波的有效值。 ******************************************************************** ********************************************************************摘要：通过一RC振荡电路，产生1KHz的正弦波，然后经过峰值检波电路，得到其峰值送入Atmega16单片机，由其内部自带ADC处理，并在软件中得到其有效值，经串口发给PC机，并在串口调试助手上显示电压有效值。 关键字：峰值检波有效值ADC 串口 *********************************************************************
********************************************************************* *******************************论文正文****************************** ********************************************************************* 一、正弦波发生电路 正弦波发生电路需要四部分： 放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。 选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。 正反馈网络：引入正反馈，作用是使输入信号等于反馈信号。 稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。 在电路中，可将选频网络和正反馈网络“合二为一”；而且，一般电路中也没有另加稳幅环节，而是依靠运放等的非线性起到稳幅作用。 振荡电路可以有以下三种方案： 方案一：RC桥式正弦波振荡电路 实用的RC正弦波振荡电路有多种多样，我们选择了最典型的RC桥式正弦波振荡电路。此方法简单实用，容易选择器件和电路的调试。它适用于低频振荡，一般用于生产1Hz~1MHz的低频信号。易于起振，成本低廉。我们考虑到题目的要求，所以采用了此方法。 方案二：LC并联谐振回路 采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，它主要用来生产高频正弦振荡信号，一般在1MHz以上。根据反馈形式的不同，LC振荡电路可分为变压器反馈式和三点式振荡电路。它产生的是高频信号，我们不予考虑。 方案三：石英晶体正弦波振荡电路
目录 摘要 ................................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................. I I 1设计任务. (1) 1.1设计要求 (1) 1.2理论分析 (1) 2硬件电路设计 (2) 2.1有效值测量模块 (2) 2.2 A/D转换模块 (3) 2.3单片机控制模块 (4) 2.4显示模块 (5) 2.5总体电路设计 (6) 3程序设计 (7) 3.1程序框图 (7) 3.2源程序 (8) 4软件仿真 (13) 5心得体会 (15) 参考文献 (16)
摘要 在实际使用中，有效值是应用最广泛的参数，电压表的读数除特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行定度的。有效值获得广泛应用的原因，一方面是由于它直接反映出交流信号能量的大小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等是十分重要的；另一方面，它具有十分简单的叠加性质，计算起来极为方便。 本次课程设计以STC89C51单片机为控制核心，利用有效值测量芯片AD736对正弦交流信号的有效值进行测量，测量结果由放大器放大，经TLC549芯片A/D 转换后，由单片机控制LCD液晶显示器显示有效值。 关键字：有效值、AD736、TLC549
实验名称：正弦信号的相关积累检测仿真 一、实验目的 通过正弦信号的相关积累检测仿真实验，了解相关函数在信号检测、信号参数估计等方面的应用，掌握基于集合统计的相关函数估计方法，了解噪声对信号检测及信号参数估计精度的影响；培养计算机编程能力。 二、实验原理 H 1 : x (n )=As (n -n 0)+u (n ) [有信号] [信号的延时n 0在1 到N-N ’+1范围内未知，A 未知] H 0 : x (n )=u (n ) [无信号, u (n ) 为测量噪声] n =1,2,…,N [N 为观测样本点数] 假设信号与噪声互不相关,则在无信号情况下 在有信号情况下 在m =n 0处取得比较大的最大值,约为 将最大值|r xsN (m )|max 与某个门限比较，可以判断观测数据中是否含有信号，根据相关函数最大值的位置可以测量出信号的延时n 0 ，根据最大值的大小可以估计出信号的幅度A 。 cos[]1,2,...,'()0n n N s n otherwise ω=?=??00000cos[()]1,2,...,'()0n n n n n n N s n n otherwise ω-=+++?-=?? '1111()()()()() (0,1,...,-') N m N xsN n m n m r m x n s n m x n s n m m N N N N +=+=+=-=-=∑∑''1111()()()()cos[()] m N m N xsN n m n m r m x n s n m u n n m N N ω++=+=+=-=-∑∑''01111()()()cos[()]cos[()] m N m N xsN n m n m r m x n s n m A n n n m N N ωω++=+=+=-≈--∑∑'/(2) N A N
课程设计任务书 学生姓名: 专业班级:电信0904班 指导教师:沈维聪工作单位:信息工程学院 题目:设计并实现频率可控的正弦波信号发生器 初始条件: 1.提供实验室机房及其Keil软件； 2.提供51单片机开发板 要求完成的主要任务：(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书 撰写等具体要求): 要求：利用DAC0832输出正弦波信号（用示波器观察输出波形），初始频率为50Hz，变频采用“＋”、“－”键控制，实时测量输出信号的频率值，并分析和实测输出信号的频率范围。 具体包括： (1)设计原理或方法 (2)系统硬件线路设计图 (3)程序框图 (4)资源分配表 (5)源程序 (6)性能分析 (7)课程设计的心得体会； (8)参考文献（不少于5篇）。 时间安排: 本学期第19周 参考文献： 1、刘瑞新等单片机原理及应用教程机械工业出版社。 2、张毅刚，单片机原理及应用，北京：高等教育出版社。 3、徐仁贵，微型计算机接口技术及应用，北京：机械工业出版社。 4、李广弟等单片机基础北京航空航天出版社。 5、楼然苗等 51 系列单片机设计实例北京航空航天出版社。 指导教师签名: 年月日系主任(或责任教师)签名: 年月日
目录 一、总体设计原理 (3) 二、系统硬件设计 (3) 2.1、DAC0832模块 (3) 2.2、控制系统模块 (5) 2.3、显示模块 (7) 三、软件部分 (8) 四、源程序 (9) 五、性能分析 (14) 六、总结与心得 (15) 七、参考文献 (16) 摘要：本课程设计并实现频率可控的正弦波信号发生器。控制系统采用AT89C52，利用2片DAC0832输出正弦波信号（用示波器观察输出波形），其中一片为另外一片体提供参考电压进而可以控制峰峰值。利用单片机的选通方式对2片DA分别进行时分复用，达到介绍IO口的资源作用。为了实现完整的正弦波信号输出，这里采取256个点，末级采用高精度放大器OP07并通过低通滤波器实现完美的波形输出。加LCD1602对其频率和幅度进行实时显示，通过控制系统预置幅度步进可以达到0.1V.频率初始化为50HZ。完全满足系统的要求，并且扩展了发挥部分。 关键词：AT89C52；DAC0832；低通滤波；op07
目录 摘要................................................................................................................................ I 1. 设计原理 (1) 2. 系统硬件设计 (1) 2.1电阻分压以及阻抗匹配模块 (1) 2.2 有效值检波模块 (2) 2.3 ADS1115电压检测模块 (3) 2.4单片机控制及显示模块 (3) 2.5系统整体原理图 (4) 3程序框图 (5) 4资源分配表 (5) 5源程序 (6) 5.1主程序 (6) 5.2液晶显示程序 (8) 5.3 ADS1115启动程序 (11) 6性能分析 (19) 6.1实物测试图 (19) 6.2测量数据分析 (20) 7总结与体会 (21) 参考文献 (22)
摘要 有效值能直接反应交流信号的能量大小，具有简单的叠加性，计算起来方便，对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度等有十分重要的作用。因此，有效值在实际应用中使用十分广泛。 本文主要介绍了对50HZ正弦交流信号有效值的测量方法的设计与实现。根据要求，测量电路由电阻分压网络、基于OPA277的阻抗匹配模块、基于AD637的有效值检测模块以及基于ADS1115的电压测量模块组成，控制部分选用STC89C52单片机，所测量的有效值通过LCD1602显示。 关键词：有效值、AD637、STC89C52单片机
1. 设计原理 图1 系统整体结构图 由图1系统整体框图可知，此测量有效值系统主要由分压网络、阻抗匹配、 有效值检波、电压测量、单片机控制以及液晶显示等模块组成。 题目要求的输入信号输入范围为0~15V ，这远远大于一般有效值检波以及 AD 转换芯片的输入电压值，因此，在前级需要加一级电阻分压网络，将输入信号的幅值衰减一般，使其适合测量。本系统选用的有效值检波模块基于AD637芯片，AD637是一个高精度RMS-DC 转换芯片，但其输入阻抗较小，在信号输入前通过一级运算放大器进行阻抗匹配，提升电路整体的稳定性，经过AD637的转换，输出对应交流信号的直流有效值，在单片机的控制下，ADS1115进行电压检测，并将检测的值返回给单片机通过LCD1602显示。 此系统对控制芯片的要求并不高，选用52单片机足以实现所需求的功能。 单片机首先对内部定时器以及LCD1602进行初始化后，进入等待模式，当达到所设定的时间时，进入中断开启ADS1115进行电压值的测量，并将测量值通过LCD1602显示，之后退出中断等待下一次中断的来临。 2. 系统硬件设计 2.1电阻分压以及阻抗匹配模块 由于题目所要求的电压范围为0~15V ，大于一般芯片的测量范围，因此采用 两个10K 的电阻进行分压，使输入信号衰减一半，如图2所示，衰减后的信号 1/2电阻分压网 络 阻抗匹配 有效值检波 ADS1115测量有 效值 单片机控制 LCD1602显示有 效值 信号输入