正弦信号参数测量报告

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。

3、数模转换方案选择

方案一：8位A/D转换器ADC0809，将电压值通过ADC0809转换为数字量，但其为并行借口，占用MCU芯片管脚较多，同时工作频率受外部频率影响较大，且精度不够高。

方案二：MSP430自带10位精度的AD转换功能。

最终采用方案二，其精度更高，转换效率更快，不额外占用MCU管脚，电路简洁。

4、主控芯片选择

方案一：选用STC89C52RC做主控芯片，STC89C52RC是最常用的单片机之一，其优点是价格便宜，容易使用，但其指令运算速度相对较慢，片上资源较少，增加硬件和软件负担。

方案二：选用MSP430单片机做主控芯片，MSP430自带10位精度的AD 转换功能。硬件结构适合C语言编程，功能齐全，不容易解密，抗干扰能力强。

最终采用方案二，考虑到单片机的性能指标以及对外围电路的要求，MSP430可以灵活的实现设计要求。

6、显示电路选择

方案一：采用数码管显示，数码管显示电路需要实时扫描，显示容局限于0-9数字和少数字母，显示容单一，且功耗较大。

方案二：采用LCD12864液晶显示，其功耗低、体积小、显示容丰富，可以显示阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和中文等。其显示容全面，更为人性化。

综合考虑，选用方案二。

二、理论分析

1.频率测量分析

测频法（M法）。对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其频率

为：fs=N

1/f测为标准闸门宽度，N

1

是计数器计出的脉冲个数，设在TG期间，

计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N

1

的绝对误差是△

N 1=N±1,N

1

的相对误差为：

&N

1

=(N

1

-N)/N=(N±1-N)/N=±1/N

由N

1

的相对误差可知，N（或N

1

）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关

系。因此，在f已确定的条件下，为减小N

1

的相对误差，可通过增大TG的

方法来降低测量误差。但是，增大TG会使频率测量的响应时间长。当TG为

确定值时(TG=1s)，则有f=N，固有f

1

的相对误差：

&f

1=(f

1

-f)/f=(f±1-f)/f=±1/f

由上式可知，f

1

的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

测周期法（T法）。首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方

波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间对此高频信号进行计数。若在T时间的计数值为N

2

,则有

T 2=N

2

×T

osc

f 2=1/T

2

=1/N

2

×T

osc

=f

obs

/N

2

N 2的绝对误差为△N=±1，N

2

的相对误差为：

&N

2

=(N

2

-N)/N=(N±1-N)/N=±1/N

从T

2

的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高

频你标准计数信号的频率成反比。当f

osc

为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。

T/M法。T/M法测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频信号进

行计数，T/M法的测量在确定的检测时间，若对被测信号f的计数值为N

1

，

而对高频信号f

osc 的计数值为N

2

。但对f

osc

信号的计数，必须直到f信号在第

一个计数器停止计数后的一个完整的f信号周期。由此可得，N

1

个f信号周

期的时间为T

2=N

2

×T

osc

，故每个f信号周期的时间为

T

3

=N

2

×T

osc

/N

1

则有：

f 3=1/T=N

1

/N

2

×T

osc

=N

1

×f

osc

/N

2

由T3的相对误差可知，T/M法测量的误差与信号频率成正比，与高频标准信号的频率成反比，但随f的增大，N

1

也在增大（在一定的检测时间）。由

上式还可以看出，T

3的相对误差实际上是由M法误差±f/f

osc

两部分组成。

选择测频法与测周法同时测量，分别适用于高频和低频信号的频率测量，提高了频率计的量程。当正弦信号为高频时可直接用测频法得出信号频率，当其为低频时经过波形变换将其变换成方波后可用测周法得出信号的周期从而算出其频率。

2.峰值测量分析

由于设计要求频率围为（1HZ～1MHz），峰值围为（50mV～2V），且不能采用集成芯片。故只能采用基于电容充放电原理的峰值保持电路。

二极管电容型峰值检测电路，其采用FET运放提高直流特性，减小偏置电流OPA128的偏置电流低至75fA；将场效应管当二极管用，可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力；小电容应该是防止自激的。实际应用中可以用TL082双运放和1N4148来代替场效应管，性能价格比较高

图4二极管电容型峰值检测电路

三、电路与程序设计

1、系统整体框

待测正弦

信号

波形转换

峰值保持

MCU处理LCD

显示

图1 系统总体设计框图

2、模块电路设计

（1）波形转换

图2 波形转换电路

为了避免对原始信号产生干扰，此电路引入了一级跟随。同时由于单片机不能有效的识别正弦信号，所以需将正弦信号转换为频率相同的方波，故将正弦信号经LM311电压比较器转换为方波信号，从而使单片机准确的判断信号。

（2）峰值测量电路

图3 峰值保持电路

四、系统软件设计

图5 软件流程图

五、测试方案与测试结果

1.测试数据

表一数据记录

2、测量结果分析

由测试结果可以看出，频率最大误差小于0.5%完全满足指标要求；

峰值测量最大误差基本满足指标要求；

分析误差产生的原因，除去电路元器件自身特性导致的误差，电路板布局走线也会产生干扰影响测量结果，同时采用充放电的方法测量峰值，充放电时间的控制对于结果有很大的影响，会导致不精确性。

3、方法改进

合理选取峰值检测中充放电电容电阻的大小；

合理布局规划线路，缩短器件间的连接距离，减少信号间的相互干扰和自激；

五、参考文献

【1】肖子等著.《电子设计指南》高等教育，2006.1.

【2】全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计.电子工业，2007，8.

【3】运算放大器应用技术手册，人民邮电，2009.1.

【4】MSP430F1XX USER’S GUIDE.paf[Z].Texas Instruments

检测正弦信号相位差算法的研究(精)

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

迭代法正弦信号频率估计

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=≈-++∑

正弦信号发生器(幅值频率可调)

学号：2011013732 西北农林科技大学 电子技术课程设计报告 题目：正弦信号发生器(幅值频率可调) 学院(系)：机械与电子工程学院 专业年级： 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 2013年7月3日

目录 1. 设计的任务与要求............................................................. - 2 - 1.1 课题要求................................................................ - 2 - 1.2具体要求................................................................. - 2 - 1.3课题摘要：............................................................... - 2 - 1.4设计步骤：............................................................... - 2 - 2. 设计方案确定................................................................. - 3 - 3. 硬件电路设计................................................................. - 4 - 3.1整体电路框图............................................................. - 4 - 3.2 主要元器件介绍.......................................................... - 4 - 3.2.1 NE555芯片......................................................... - 4 - 3.2.2 555定时器接成多谐振荡器.......................................... - 6 - 3.2.3 NE5532P芯片....................................................... - 6 - 3.3 整体电路设计............................................................ - 7 - 3.4分立电路的设计及元件参数的选取及计算..................................... - 8 - 3.4.1 555多谐振荡电路.................................................. - 8 - 3.4.2带通滤波电路....................................................... - 8 - 3.4.3反向比例运算放大器................................................. - 9 - 4.调试与仿真................................................................... - 10 - 4.1使用的主要仪器和仪表.................................................... - 10 - 4.2分立电路的仿真（仿真图、操作的步骤、方法和结果）........................ - 10 - 4.2.1 仿真图........................................................... - 10 - 4.2.2仿真结果.......................................................... - 10 - 4.3调试电路的方法和技巧：.................................................. - 12 - 5. 总结........................................................................ - 13 - 6. 参考文献.................................................................... - 15 - 附录一......................................................................... - 16 - 1.元器件清单............................................................... - 16 - 2.电路原理图............................................................... - 17 - 3.PCB封装图................................................................ - 18 - 4.3D效果图................................................................. - 21 -

基于单片机正弦波有效值的测量

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

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

利用Matlab绘制正弦信号的频谱图并做相关分析

利用Mａtlａb绘制正弦信号的频谱图并做相关分析

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： ?

利用Ｍａtlａb绘制正弦信号的频谱图并做相关分析 一、作业要求: 1、信号可变(信号的赋值、相位、频率可变）； 2、采样频率fs可变; 3、加各种不同的窗函数并分析其影响； 4、频谱校正; 5、频谱细化。 二、采用matｌａb编写如下程序: ｃｌear; cｌｆ； fs=１00;N=1024; ％采样频率和数据点数 A＝２０;B＝30；C=0.38; n=0:N-1；t=ｎ/fs; ％时间序列 ｘ=A*ｓｉn(２*ｐｉ*B＊t＋C); %信号 ｙ=fft(x,N); %对信号进行傅里叶变换 yｙ＝aｂｓ（y); ％求得傅里叶变换后的振幅 yy=yy*2／Ｎ; %幅值处理 f=n＊fｓ/Ｎ; %频率序列 subpｌot(3,3,1）,plot(f,ｙy)；%绘出随频率变化的振幅 ｘlabel('频率/\ｉｔHｚ'）； yｌａbel（'振幅'); ｔitle('图１:fｓ=1０0，N=102４'）; ｇｒiｄon; %两种信号叠加， x=A*siｎ(2*ｐi*Ｂ*t+C)+２*A*sin(２*pi＊1.5*Ｂ*t＋２.5*C); %信号 ｙ=fｆt(ｘ，N); %对信号进行傅里叶变换 yy=ａbｓ（y）;%求得傅里叶变换后的振幅 yy＝yy*２/N; %幅值处理 f=n*ｆｓ／Ｎ; %频率序列 ｓuｂｐlot（3,３，2)，plot(f，ｙｙ);%绘出随频率变化的振幅 xｌａbｅl(＇频率/＼itHｚ'）； ylａbｅl(＇振幅')； title('图2：fs=100，N=102４,两种信号叠加＇); ｇrｉｄon； %加噪声之后的图像 ｘ＝A*sin(2*ｐi*B*ｔ+C)＋28*randn(size(t)); ｙ=fft（x,N）; yy=abs(y); ｙｙ＝yｙ*2/N;%幅值处理 suｂplｏｔ(3,3,３)，plｏt(ｆ(１：Ｎ/2.5６),ｙy(1:Ｎ/2.56)); xlabel（＇频率/＼iｔHz＇); ｙlabel('振幅＇); title('图3：ｆｓ＝1０0,N=1０24混入噪声'）；

电子测量复习题解答

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

正弦信号参数测量报告

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

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

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

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

正弦信号发生器(2012)(DOC)

正弦信号发生器 摘要：本系统以MSP430和DDS为控制核心，由正弦信号发生模块、功率放大模块、频率调制（FM）、幅度调制（AM）模块、数字键控（ASK，PSK）模块以及测试信号发生模块组成。采用数控的方法控制DDS芯片AD9851产生1kHz～10MHz正弦信号；经滤波、放大和功放模块达到正弦信号输出电压幅度 =6V±1V 并具有一定的驱动能力的功能；产生载波信号可设定的AM、FM信号；二进制基带序列码由CPLD产生，在100KHz固定载波频率下进行数字键控，产生ASK，PSK 信号且二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号可自行产生。 关键词：DDS；宽频放大；模拟调频；模拟调幅。 一、方案比较与论证 1.方案论证与选择 （1）正弦信号产生部分 方案一：使用集成函数发生器芯片ICL8038。 ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将他作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。为了达到数控的目的，可用高精度DAC来输出电压以控制正弦波的频率。 方案二：锁相环频率合成器（PLL） 锁相环频率合成器（PLL）是常用的频率合成方法。锁相环由参考信号源、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器几个部分组成。通过鉴相器获得输出的信号FO与输入信号Fi的相位差，经低通滤波器转换为相应的控制电压，控制VCO输出的信号频率，只有当输出信号与输入信号的频率于相位完全相等时，锁相环才达到稳定。如果在环路中加上分频系数可程控的分频器，即可获得频率程控的信号。由于输出信号的频率稳定度取决于参考振荡器信号fi ，参考信号fi 由晶振分频得到，晶振的稳定度相当高，因而该方案能获得频率稳定的信号。一般来说PLL的频率输出范围相当大，足以实现1kHz－10MHZ的正弦输出。如果fi＝100Hz 只要分频系数足够精细（能够以1步进），频率100Hz步进就可以实现。 方案三：直接数字频率合成（DDS） DDS是一种纯数字化方法。它现将所需正弦波一个周期的离散样点的幅值数字量存入ROM中，然后按一定的地址间隔（相位增量）读出，并经DA转换器形成模拟正弦信号，再经低通滤波器得到质量较好的正弦信号，DDS原理图如图1所示：

正弦信号参数分析仪

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

噪声中正弦信号的经典法频谱分析

实验报告 一、实验名称 噪声中正弦信号的经典法频谱分析 二、实验目的 通过对噪声中正弦信号的经典法频谱分析，来理解和掌握经典谱估计的知识，以及学会应用经典谱估计的方法。 三、基本原理 1．周期图法：又称直接法。把随机信号)(n x 的N 点观察数据)(n x N 视为一能量有限信号，直接取)(n x N 的傅里叶变换，得)(jw N e X ，然后再取其幅值的平方，并除以N ，作为对)(n x 真 实的功率谱)(jw e P 的估计，以)(?jw PER e P 表示用周期图法估计出的功率谱，则2)(1)(?w X N w P n PER =。 2．自相关法：又称为间接法功BT 法。先由)(n x N 估计出自相关函数)(?m r ，然后对)(?m r 求傅里叶变换得到)(n x N 的功率谱，记之为)(?w P BT ，并以此作为对)(w P 的估计，即1,)(?)(?-≤=--=∑N M e m r w P jwm M M m BT 。 3．Bartlett 法：对L 个具有相同的均值μ和方差2σ的独立随机变量1X ，2X ，…，L X ，新随机变量L X X X X L /)(21+++= 的均值也是μ，但方差是L /2σ，减小了L 倍。由此得 到改善)(?w P PER 方差特性的一个有效方法。它将采样数据)(n x N 分成L 段，每段的长度都是M ，即N=LM ，第i 段数据加矩形窗后，变为L i e n x M w x M n jwn i N I PER ≤≤=∑-=-1,)(1)(?2 10 。把)(?w P PER 对应相加，再取平均，得到平均周期图2 1110 )(1)(?1)(∑∑∑==-=-==L i L i M n jwn i N i PER PER e n x ML w P L w P 。 4．Welch 法：它是对Bartlett 法的改进。改进之一是，在对)(n x N 分段时，可允许每一段的数据有部分的交叠。改进之二是，每一段的数据窗口可以不是矩形窗口，例如使用汉宁窗或汉明窗，记之为)(2n d 。这样可以改善由于矩形窗边瓣较大所产生的谱失真。然后按Bartlett

正弦信号发生器

正弦信号发生器[2005年电子大赛一等奖] 2008年06月15日星期日 17:06 摘要：以SPCE061A单片机为核心，通过DDS合成技术设计制作了一个步进值能任意调节的多功能信号源。该信号源在1KHz～10MHz范围能输出稳定可调的正弦波，并具有AM、FM、ASK和PSK等调制功能。信号输出部分采用低损耗电流反馈型宽带运放作电压放大，很好地解决了带宽和带负载能力的要求。系统带中文显示和键盘控制功能，操作简便，实现效果良好。 一、方案论证 1、信号产生 方案一：使用传统的锁相频率合成的方法。要求产生1KHz到10MHz的信号，用锁相环直接产生这么宽的范围很困难，所以先产生50.001M到60M的可调信号，然后把此信号与一个50M的本振混频，得到需要的频率。此方法产生的频率稳定度高，但波形频谱做纯很困难，幅度也不恒定，实现也麻烦。 方案二：采用专用DDS芯片产生正弦波。优点：软件设计，控制方便，电路易实现，容易直接达到题目要求的频率范围和步进值,且稳定性和上法一样，频谱纯净，幅度恒定，失真小。 综上所述，选择方案二用专用DDS芯片AD9850产生正弦波。AD9850是采用DDS技术、高度集成化的器件，当它在并行工作方式时，有8根数据线、3根控制线与单片机相连。AD9850的频率控制字为： 其中FTW为频率控制字，为要输出的正弦的频率，为系统时钟的频 率，由晶振产生。 2、模拟频率调制 方案一：使用内调制（软件调制），通过单片机中断，对外来模拟调制信号进行采样，采样速率为32KHz，然后对采样值进行转换，把电压转换成对应的频偏，然后转换成相应的频率控制字送DDS，以实现对1KHz正弦信号的调频，这样可以满足最大频偏的精度要求。 方案二：使用外调制，通过锁相环控制DDS总时钟，在锁相环电路中进行频率调制，来改变DDS输出信号频率，间接实现调频，这样实现简单，频域内频谱连续，但是很难做到精确的10KHz和5KHz的最大频偏。 综合以上方案，选择方案一，实际中要求调制信号是固定不变的1KHz正弦信号，所以，我们直接把正弦信号存储在单片机中，并且换算好频率控制字。 3、模拟幅度调制 方案一：使用二极管调幅电路。较常用的二极管调幅电路有二极管平衡调幅电路和二极管环形调幅电路。但由于二极管的特性不一致，会造成电路不可能完全对称，造成控制信号的泄漏。 方案二：充分利用单片机SPCE061A的资源，1K的调制信号使用单片机的DA 口输出，经滤波放大后送MC1496与DDS产生的载波进行混频，这样效果非常好，而且成本低。 综合以上方案，选择方案二。 4、ASK和PSK数字调制

正弦失真度仪的报告

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

示波器测信号的周期和频率实验报告

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