【正文】 z 方波信號。 方案 四 ： 直接 采用 6MHz 晶振 和輔助整形電路，產(chǎn)生方波信號； 利用 74HC161計數(shù)器后接 74LS74 D 觸發(fā)器 組成 分頻電路 對 6MHz晶振進(jìn)行分頻 ，得到 不同頻率的方波； 濾波電路把 前級分頻得到的 方波信號 轉(zhuǎn)換成 頻率相同的正弦信號； 但是這些正弦波信號中存在直流成分需要通過 減法電路調(diào)整 正弦波 信號為雙極性 （正負(fù)相間的正弦波） ； 然后通過 放大電路 實現(xiàn) 信號 幅值 的 放大 以達(dá)到指標(biāo)中所需要的信號合成的幅值 ； 再通過 移相網(wǎng)絡(luò) 實現(xiàn) 3 次諧波、 5 次諧波 與 10 kHz 基波 之間 相位 關(guān)系 的調(diào)節(jié) ，必須調(diào)節(jié)到同向 ；加法電路， 實現(xiàn)幾個信號合成為一個近似方波信號； 模擬開關(guān)選擇不同 通道 的信號， 送到 有效值 檢波電路 檢波 ； 采集 信號有 效值然后 ADC0809 對模擬信號進(jìn)行數(shù)字處理 ， 再送入單片機(jī)進(jìn)行計算 并在數(shù)碼管上顯示 。其系統(tǒng)框圖如下所示： 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（正文） 第 6頁 共 46頁 圖 3 系 統(tǒng)整體框圖 二、理論基礎(chǔ) 方波信號由基波成分和若干個諧波成分構(gòu)成 任何具有周期為 T的波函數(shù) f(t)都 可 以 表 示 為 三 角 函 數(shù) 所 構(gòu) 成 的 級 數(shù) 之 和 ， 即 ：? ? ? ?0 11 c o s s in2 nnnf t a a n t b n t??????? ， 2T??? ； 本作品根據(jù)這一理論原理制作而成。如圖 4 所示的 方法可以寫成： ? ? 0 2 0)2TThtft ?????? ??? ( ) ( ；此方波為奇函數(shù)，它沒有常數(shù)項。 三 、軟硬件設(shè)計 （一）硬件設(shè)計 方波振蕩電路 方案 1：直接采用 6 MHz 晶振。 直接給晶振加上電源， 簡單方便 就可以得到一個方波輸出 ， 由于輸出的方波波形不是很好有所失真所以 在 后級加上一個整形電路， 可 使 波形變得更加 完善 。 電路如下圖所示： 1G N DN C6 M H Z 晶 振V C CO U T234整 形電 路C L K 圖 5 方波振蕩電路 分頻器 方案 一 ：利用 VHDL 語言對 FPGA 編程直接 對 6MHz 晶振產(chǎn)生的方波進(jìn)行分頻 ，這樣做簡單方便硬件電路少，就是有點浪費了 FPGA 的資源 。采用集成芯片， 純數(shù)字電路， 輸出穩(wěn)定， 精度高，可靠性高 ，價格便宜實惠且能實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的要求 。 其基本框圖如下： 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（正文） 第 8頁 共 46頁 2 0 k H z...6 0 k H z1 0 0 k H z3 0 0 k H z6 M H z 晶 振 2 0 分 頻1 5 分 頻5 分 頻3 分 頻D 觸 發(fā) 器D 觸 發(fā) 器D 觸 發(fā) 器1 0 k H z3 0 k H z5 0 k H z 圖 6 分頻電路 綜上所述： 方案一 FPGA 集成度高，偏數(shù)字方面，雖然能滿足本課題要求但是 價格昂貴，且把一個 FPGA 小系統(tǒng)就讓它完成一個分頻的功能也非常的浪費資源，結(jié)合到各方面的因素我們就采用方案 二 ，用純數(shù)字電路來完成分頻，這樣價格便宜而且能很好的完成指標(biāo)，唯一就是硬件的連線比較復(fù)雜，要事先設(shè)計安排布線。 我們就采用此方案 ，集成運放組成的減法電路如圖所示，輸入信號 Ui1 和Ui2 分別通過 R R2 加到了運放的反向比例輸入端和同向比例輸入端，輸出電壓經(jīng)過 Rf 反 饋 到 反 向 比 例 輸 入 端 。 在本次設(shè)計中我們采用圖 8 在反向比例輸入端我 們給入可調(diào)電阻來方便最后的調(diào)試， 在反相輸入端引入一個可以通過調(diào)節(jié) R R2 來控制的直流電平信號來減去原本的波形中的直流成分，實現(xiàn)單極性向雙極性轉(zhuǎn)換 ,使濾波出來的正弦波能夠濾去直流成分，轉(zhuǎn)換成正負(fù)相間的正弦波。由無源元器（電阻、電容、電感）設(shè)計而成，電路簡單，調(diào)節(jié)方便。由運算放大器、電阻和電容構(gòu)成，無需電感器。 方案 三 ：帶通濾波電路。 雖然能滿足要求但是 在調(diào)試過程中 ， 輸出的波形 不穩(wěn)定，失真大，難以調(diào)試 。 采用 由 OP07CP 和 R、 C組成的 三階 低通濾波 器，實現(xiàn) 方波信號到正弦信號得轉(zhuǎn)換 。 電路中的 R、 C 參數(shù)主要是根據(jù)公式 12f RC?? 進(jìn)行計算， 在調(diào)試過程中， 由于這是模擬電路每個原件之間的分布參數(shù)都不同都會對最后濾出的正弦波有所影響，因此在測試時要不時的換電阻電容直到最后輸出為無失真的正弦波， 對圖中 12 中的 R R R3 進(jìn) 行微調(diào)，可使 輸出波形更加光滑。 綜上所述，在方案確認(rèn)過程中，帶通電路 所存在的不定因素比低通濾波更多，調(diào)試顯得不易， 為了能 因此選擇方案 四 。 通過滑變電阻 R8， 可 調(diào)節(jié)輸出與輸入 波形之間 的相位； 后級 運放 U3 構(gòu)成一個同相放大器，改變電阻 比例 來 調(diào)節(jié) 輸出波形的幅值。 加法電路 方案 一 ： 采用 TI 公司的 THS3091D 芯片 和模擬開關(guān) MPC508A 組成可控多通道輸入加法電路。 方案二： 加法電路作用是對 10kHz、 30kHz、 50kHz 三個正弦波信 號進(jìn)行合成方波信號，通過信號進(jìn)入反向比例輸入端采用高速集成運放 TI 公司生產(chǎn)的3091［ 4］ 。 為了使輸出合成波形不反向我們采用方案一，使信號從同向比例輸入端輸入 加法電路 公式 ： 3 20 1 21 2 3 2 3V 1 . . . . .p iiR R RUUR R R R R???? ?????? ??? ? ? ???， 當(dāng) 輸入 諧波 分量 越多， 輸出波形就越接近 方波或三角波 。 U 1Vi 1Vi 2Vi 3Vi 4VoR pR5R4R3R2R1 圖 14 加法硬件實現(xiàn)電路 有效值檢 波電路 方案： 采用 AD637 芯片 ， 經(jīng)過芯片內(nèi)部電路，可以在 輸出端得到輸入信號的有效值， 輸入輸出之間的關(guān)系為 ： 2out INVV? 。有效值檢波電路如圖 15 所示電路很簡單，只有幾個原件，也很好理解。其內(nèi)部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 1．主要特性 1） 8 路輸入通道， 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8 位。 3）轉(zhuǎn)換時間為 100μs( 時鐘為 640kHz 時 )， 130μs （時鐘為 500kHz時） 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（正文） 第 14頁 共 46頁 4）單 個 +5V 電源供電 5）模擬輸入電壓范圍 0～ +5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。 2．內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 是 CMOS單片型逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 13． 22所示，它由 8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)樹型 A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、 B、 C 3 個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連， 圖16 為通道選擇表。 對 ADC0809 主要信號引腳的功能說明如下： IN7～ IN0—— 模擬量輸入通道 ALE—— 地址鎖存允許信號。 START—— 轉(zhuǎn)換啟動信號。本信號有時簡寫為 ST. A、 B、 C—— 地址線。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表 91。 ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。 EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換； EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。 D7～ D0—— 數(shù)據(jù)輸出線。D0為最低位， D7為最高 OE—— 輸出允許信號。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻； OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 Vref—— 參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。 圖 17 ADC0809 管腳圖 ADC0809 工作過程 下面我們主要介紹實現(xiàn)前兩個步驟的方法。 前面我們已經(jīng)提到了芯片的 datasheet 對于硬件設(shè)計以及軟件編程的重要性。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（正文） 第 17頁 共 46頁 仔細(xì)閱讀手冊后，我們發(fā)現(xiàn)了在手冊的第 7頁給出了一個時序圖 (Timing Diagrams),如 圖 18 所示 圖 18： ADC0809 手冊給出的 ADC 轉(zhuǎn)換時序圖 圖 18 給出的其實就是使 ADC0809正確工作的軟件編程模型。 注： 手冊中給出了要正常啟動 AD轉(zhuǎn)換 /WR 的低電平保持時間 tW(WR)I的最小值為 100ns,（見手冊第 4頁的 Electrical Specification,如圖 19紅圈所示 ）即 /WR 拉低后延時大于 100ns 即可以，具體做法可通過插入 NOP指令或者調(diào)用delay()延時函數(shù)實現(xiàn)，不用太精確，只要估計插入的延時大于 100ns 即可。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（正文） 第 18頁 共 46頁 注： 手冊中給出了內(nèi)部轉(zhuǎn)換時間“ INTERNAL Tc”的時間范圍為 62～ 73 個始終周期（見手冊第 4頁 的 Electrical Specification,如圖 19蘭圈所示 ），因此延時等待時間應(yīng)該至少為 8+73=81 個時鐘周期。所以該步驟至少應(yīng)延時 81*Tclk=. 具體做法可通過插入 NOP 指令或者調(diào)用 delay()延時函數(shù)實現(xiàn)，不用太精確，只要估計插入的延時大于 即可。 注 ：手冊中給出了 tACC的典型值和最大值分別為 135ns 和 200ns（見手冊第4頁的 Electrical Specification,如圖 19 綠圈所示 ），因此將 /RD 引腳拉低后，等待大于 200ns 后即可從 DB 讀出有效的轉(zhuǎn)換結(jié)果。 圖 19： ADC0809 手冊給出的電器特性表 步驟二：對采樣值進(jìn)行運算變換，換算出實際的輸入電壓值。 Dsample ： ADC 轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制值。 maxD ： ADC 能夠表示的刻度總數(shù)。 以輸出 8 位的 ADC0809 動作來說明“連續(xù)漸進(jìn)式 A/D 轉(zhuǎn)換器”的轉(zhuǎn)換原理，動作步驟如下表示（原則上先從左側(cè)最高位尋找起）。 4:A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) （ 1）、分 辨率 ADC的分辨率是指使輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。例如 12 位 ADC 的分辨率就是 12 位，或者說分辨率為滿刻度 FS的 1/ 。 （ 2） 量化誤差 ADC 把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。實際上，要準(zhǔn)確表示模擬量， ADC 的位數(shù)需很大甚至無窮大。 （ 3）偏移誤差 偏移誤差是指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，所以有時又稱為零值誤差。 (4)滿刻度誤差 滿刻度誤差又稱為增益誤差。 (5)線性度 線性度有時又稱為非線性度，它是指轉(zhuǎn)換器實際的轉(zhuǎn)換特性與理想直線的最大偏 差。對于 ADC 而言，可以在每一個階梯的水平中點進(jìn)行測量，它包括了所有的誤差。而完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換所需的時間（包括穩(wěn)定時間），則是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。 由于采樣到的是電壓信號，而單片機(jī)通信不能識別這些模擬信號必須是數(shù)字信號才能識別 ，所以才要用 ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理 。 采樣到的信號 送至單片機(jī)的 P1。 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（正文） 第 22頁 共 46頁 單片機(jī)的選擇 圖 20： AT89C52 管腳圖 AT89C52 是 51 系列單片機(jī) 的一個型號，它是 ATMEL 公司生產(chǎn)的。 AT89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2個全雙工串行通信口，2 個讀寫口線， AT89C52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程 ,但不可以在線編程 (S系列的才支持在線編程 )。 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 32 個雙向 I/O 口 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 2 個串行中斷 2 個外部中斷源 2 個讀寫中斷口線 低功耗空閑和掉電模式 因為單片機(jī) 的輸出電流畢竟都非常小，如果要有更大的電流，如驅(qū)動蜂鳴器，繼電器，則接三極管作為反相且放大大電流的作用。 A89C52P 為 40 腳雙列直插封裝的 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。 P0 口 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（正