失真度仪设计与总结 报告

失真度仪设计报告

摘要: 本系统包括：前级信号调整、陷波网络、后级信号调整、电压有效值检波（RMS）、系统控制和数据处理、数字液晶显示等６个主要部分组成。整个系统的控制和数据处理采用美国CYGNAL公司推出的全集成混合信号在片系统（SOC）单片机（MCU）C8051F060实现。系统的核心部分：陷波网络由三级有源文氏电桥陷波电路串联组成，用以滤除被测信号的基波频率；电压有效值检波部分则采用了专用的集成芯片AD536A，这很好的实现了任务书中的要求，并获得了更高的精度。数字显示采用SED1335（320×240）的大液晶屏，利用多级菜单的形式显示信号失真度、波形、频率、频谱及室内温度等多项测试内容，再配以4×4键盘，使整个人机交互界面美观、大方、友好。 关键词：C8051F060，SED1335，文氏电桥，RMS

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目录

1. 系统设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 1.1 设计要求 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 1.2 总体设计方案 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 1.2.1 设计思路 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 1.2.2 方案论证与比较 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1.2.3 系统组成 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 2. 单元电路的设计 .．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 2.1 前级调整电路的设计.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 2.2 文氏电桥组成的有源陷波电路的设计 .．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 2.3 后级信号调整电路的设计 .．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 2.4 有效值检波电路的设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 2.5 系统控制和数据处理部分的设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 2.6 显示部分的设计 .．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 2.7电源电路的设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.． 19 3. 软件设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 3.1 控制各级调整部分的程序设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 3.1.1 前级调整部分的程序设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 3.1.2 后级调整部分的程序设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 3.2 文氏陷波网络的程序设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 3.3 FFT算法的程序设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 3.4 液晶驱动的程序设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 4. 系统测试 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 4.1 测试仪器 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 4.2 测试结果 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 4.3 误差分析 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 4.4 系统实现的功能 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 4.5 结论 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5. 总结 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 参考文献 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 附录1: 元器件清单 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 附录2: 系统电路图 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 附录3: 程序清单 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 附录4: 系统使用说明 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

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1. 系统设计

1.1 设计要求

1.2 总体设计方案

1.2.1 设计思路

题目要求设计一个失真度测试仪；而信号的非线性失真通常用失真系数来表示(简称失真度)。其定义为全部谐波分量的功率与基波功率之比的平方根值。如果负载与信号频率无关（例如纯电阻负载），则信号的失真度又可定义为：全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比，用K表示。由于在实际测量过程中很难测得基波分量的有效值，而测量被测信号总的电压有效值较容易。因此在实际测量时，可以利用公式：

Ｋ＝ＫＯ＝Ｕh／U×100%

来计算信号失真度的大小。当失真度Ｋ>30%时，计算信号失真度要用公式：

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Ｋ＝ＫＯ／(1－ＫＯ)1/2

根据上面的理论，提出两种设计方案：

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），再根据上面的公式计算出失真度大小，用表头来指示。该方法完全采用模拟电路知识，实现起来会有很大的困难，同时由于是人工调节，速度会很慢，并且整个调节过程也很繁琐，最大的缺点是只能定量的指示失真度的大小，不能显示波形和频谱。

方案二：采用模拟和数字相结合的方法实现。即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。利用上面的公式计算出信号的失真度。控制和数据处理部分采用CYGNAL公司的全集成混合信号在片系统单片机C8051F060。既可以完成整个系统的控制又可以进行数据处理；同时通过FFT运算可以很好的满足扩展部分的显示频谱要求。使得整个系统结构紧凑，控制灵活。显示部分利用液晶显示模块，液晶显示模块设定显示内容有：失真度、信号频率、电压有效值、信号波形。确定系统的基本方框图如图1－1所示。 综上所述，选择方案二来完成整个系统设计。

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信号输入 前级信号调整 陷波电路 后级信号调整 切换开关 有效值检波电路 ADC变换器 MCU 数字显示 …... 控制信号

图1－1系统基本组成框图

1.2.2 方案论证与比较

1. 前级信号调整电路的设计方案论证与选择

方案一：用电阻分压网络加一个可控增益放大器构成。电阻分压网络的电压衰减倍数由MCU控

制模拟开关4051进行切换；可控增益放大器采用MCU控制数字电位器来实现。电路如图1－2所示，图中电阻值单位为KΩ。

该电路对大信号能起到很好的衰减效果，但对小信号输入存在一个缺点，衰减5倍后信号会变的很小，经可控增益放大器放大不能区分有用信号和干扰信号。

方案二：由继电器和可控增益放大器构成前级信号调整电路。由MCU控制继电器来分别对大信 号和小信号进行选通，大信号先衰减后再送后级放大，弱信号直接送后级放大。后级放大如方案一。该方案很好的解决了方案一的问题。其基本框图如图1－3所示。具体实现电路将在后面部分给出。

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图1－2 用4051和可控增益放大器组成的前级信号调整电路

继电器 信号输入 大信号 小信号 衰减网络 可控增益放大 信号调整输出 ＭＣＵ控制信号经过对比与论证，选择方案二构成系统的前级调整电路。

2. 陷波电路设计方案的论证与选择

方案一：采用数字滤波器构成系统的陷波电路部分。在DSP芯片中，利用脉冲不变法FIR设计一个二阶带阻滤波器。该方案采用数字技术,能得到很好的滤波效果。但由于使用到了DSP芯片，使硬件电路变的更复杂，并且也给软件设计增加了一定的难度。

方案二：采用模拟电路技术，利用双Ｔ形有源滤波器构成陷波电路。双T形电路由3个电阻、3个电容组成，基本上是对称的，在衰减极点处谐振，谐振频率f0=1／2πRC 。其基本电路原理图如图1－4所示。

图1－3由继电器和可控增益放大器构成前级信号调整电路方框图

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图1－4 双Ｔ形有源滤波器构成的陷波电路

图中运算放大器A1，A2均起缓冲作用，双T形电桥的纵桥臂不接地，而是接到放大器A2的输出

端，放大器A1的部分输出信号通过A3反馈到电桥的纵臂。由于正反馈的作用，使得频带变窄，Q值提高。

A1，A2都是分压跟随器组态，反馈量由RA，RB的分压值确定。反馈系数

F=（RA+RP）／（RB+RA+R1）

根据反馈系数F可以求得有源滤波器的Q值

Q=1／4（1–F） （0只要通过改变R0，C0的值，便可以滤掉不同频率的基波，达到陷波的目的。

方案三：采用模拟电路技术，利用RC文氏电桥组成陷波器。此方案也是系统设计所采用的方案。由文氏电桥组成的基波抑制电路（陷波器）如图1－5所示。

图1－5 文氏电桥组成的基波抑制电路

电桥的元件参数在图中已给出，此时，电桥的抑制频率

f0=1／2∏RC

因为R1=2R2，对任一频率的信号uAD=1/3 ui 由计算可知：当输入信号频率f = f0时，uBD=1/3 ui，则uAB=0。此时电桥处于平衡状态，输出为0。当输入信号频率f偏离f0时，电桥失去平衡，则有一电压输出。

但文氏电桥无源滤波电路的选择性很差，考虑到任务书中的精度要求，为此在实际设计时我们采用了由文氏电桥组成的有源陷波电路，如图1－6所示。

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图1－6 文氏电桥组成的有源陷波电路

A3，A4都是电压跟随器组态，均有缓冲隔离作用，具有高输入阻抗和低输出阻抗的特性，它们的

接入对选频电路的谐振频率没有影响，A4输出的部分电压，反馈到A3的同相端，并经A3输出到电桥桥臂。通过调节可变电阻R5，改变反馈量，从而改变Q值，以达到锐通带选频作用。运算放大器A3的反馈回路中加入电阻R8目的是为了抵消输入偏流，用以减小直流偏移。C3的作用是抑制尖峰脉冲。当f = f0时，A4的输出为0，f 偏离f0时，电桥失衡，有电压输出。因此该电路能抑制基波，使谐波通过。

3.后级信号调整电路设计方案的论证与选择

方案一：利用精密运算放大器加数字电位器构成。该方案利用数字电位器作为运放的反馈电阻，通过MCU控制数字电位器，使之呈现不同的阻值，从而获得不同的增益，达到程控放大的目的。缺点是信号放大等级受数字电位器抽头的限制。

方案二：由运算放大器加D/A转换器构成可控增益放大器。该方案利用MCU对DAC0832的数字输入端进行设定来获得不同的放大倍数。电路的实现如图1－7所示。

图1－7 由DAC0832组成的可控增益放大器

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由图可见，需要放大的电压Vin和反馈输入端Rfb相接，运算放大器输出Vout还作为DAC0832的基

准电压。其输入与输出的关系可由下面的公式得出

Vout=－（256／B）×Vin

式中，256/B可看作放大倍数，但数字量B不能为“0”，否则放大倍数为无限大，放大器因此而处于饱和状态，因是负电压输出，故在输出端加一跟随器。该方法可以得到256个放大等级，但同时也占用了MCU 8个端口资源。 通过方案的对比与论证，仔细分析题目可知后级放大的等级要求并不需要很多，因此在设计中采用方案一来构成系统的后级信号调整电路。

4. 有效值检波电路设计方案的论证与选择

方案一：采用模拟运算电路实现有效值检波。原理方框图如图1.1.8(a)所示，第一级接成平方运算的模拟乘法器，其输出正比于ux2(t),第二级接成积分平均电路，第三级将积分器的输出进行开方，最后输出的电压正比于信号的电压有效值，即

Ux.rms=1/T (∫0Tux2(t)dt)1/2

图1－8(a)中，平方器及开方器可以分别利用两只模拟乘法器来实现；平均电路则可以用一个运算放大器组成积分电路或低通滤波器来完成。

ux(t) ux2(t) ∫ √ Ux.rms 平方器 平均电路 开方器 (a)方框图

(b) 原理图

图1－8 运算式有效值变换器原理图

图1－８(b)是上述运算过程的有效值变换器原理图。通常又称为直接计算型RMS变换器。这种方

案需要两个模拟乘法器和一个运算放大器，不够经济，硬件实现起来也很复杂。 方案二：采用模拟量转数字量计算的方案。被测信号经A/D转换后送给MCU，由MCU对被测信号进行采样，根据公式计算出信号的电压有效值。该方案要编写软件来实现算法，再加上ADC的量化误差，要满足很高的精度要求具有一定的难度。 方案三：采用专门的有效值检波电路（RMS）来实现有效值检波。该方案的原理是将信号加到一电

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阻（R）上，使其发热，将其能量转化为相应的电压—有效值输出。这样处理的误差很小，能够很精确

的测出全部谐波的有效值，达到任务书中对失真度精度的要求。 综上所述，选择方案三构成有效值检波电路，选用的芯片为AD536A。 5. 系统控制和数据处理部分设计方案的论证与选择 方案一：采用AT8951/8952单片机（MCU）和可编程逻辑门阵列（FPGA）组成。MCU 用来实现对整个系统的控制，数据处理部分则由FPGA来完成。这样便充分发挥了MCU易实现控制，FPGA运算速度高的优点。但MCU与FPGA之间数据传输的时序控制较困难，同时考虑到系统扩展部分要求显示频谱，而采用硬件描述语言（VHDL/VERILOG）编写软件实现FFT，在软件设计上是一个艰巨的任务。另外在硬件上还要加一块高精度（14位）A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号送给FPGA，硬件实现起来也有较大难度。 方案二：采用AT8951/8952单片机（MCU）和专门数字信号处理芯片（DSP）构成系统的控制和数据处理部分。MCU实现的任务和方案一相同，DSP专门用来处理经高精度A/D 转换的数据及进行FFT运算。该方案由于采用了DSP，在实现FFT算法上，给软件的设计带来了很大的便利。但在硬件上还是需要高精度A/D，无论从设计的角度还是从成本的角度来考虑都不是最好的选择。 方案三：采用一款高性能的单片机（C8051F060）来实现整个系统的控制和数据处理。C8051F系列MCU是CYGNAL推出的全集成混合信号在片系统（SOC）单片机，该系列MCU片内集成了高精度A/D和D/A转换器（C8051F060片内集成了两个16 位、1 Msps的ADC），并且具有高速的与8051微控制器内核完全兼容。因此采用该方案能够很好的对整个系统进行控制，同时还能满足数据处理的要求。在速度要求不是很高的情况下，软件上用Ｃ语言来实现FFT算法也是可行的，硬件上避免了使用专门的高精度A/D转换芯片带来的难度。 经过对方案的仔细比较与权衡，选择方案三来实现整个系统的控制和数据处理部分。 6.数字显示部分方式的选择 方案一：利用数码管和模拟示波器显示相结合的方法。数码管采用串行显示技术，用以显示被测信号的失真度大小和频率，利用模拟示波器的显示屏显示被测信号的波形和频谱。该方案存在两个缺点：

(1) 数码管显示功耗较大，并且显示内容单一；

(2) 采用模拟示波器显示信号的波形和频谱不仅使整个显示系统庞大，而且要编写专门的驱动程序， 实现起来具有一定困难。 方案二：采用320×240的大液晶屏（LCD）构成整个系统的显示部分。这种方法可以通过软件编程来实现多级菜单显示，用户可以通过键盘输入设定信息，使之显示相应的内容。既可以显示数据、波形和频谱，还可以显示符号和汉字。设计简单，耗电小，显示内容丰富，用户界面友好。 经过对比，选择方案二来实现整个显示部分。 7.电源方案的选择 系统需要多个电源，单片机C 8051F060使用3.3V稳压电源，运放的工作电压为±5V稳压电源。 方案一：采用升压型稳压电路。用一片MC34063芯片将３V的电池电压进行直流斩波调压，得到５Ｖ的稳压输出。只需使用两节电池，既节省了电池，又减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定工作。 方案二：采用三端稳压集成芯片7805、7905 、AS1117分别得到±5V和3.3V的稳定电压。采用该方法简单，工作稳定可靠。 综上所述，选择方案二，采用三端稳压器电路。

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1.2.3 系统组成

经过方案的对比与论证，最终确定详细的系统组成框图如图1－9所示。其中系统的核心部分陷波电

路由三级有源文氏电桥陷波网络级连组成；有效值检波电路采用专门集成芯片AD536A；控制和数据处理由单片机C8051F060实现。系统中所用到的所有开关切换都采用继电器ULN 2003实现。

2. 单元电路的设计

2.1 前级调整电路的设计

前级信号调整电路的目的是根据不同的被测信号选用不同的分压电阻，再将信号放大到单片机可以检测的范围。主要由继电器和可控增益放大器组成。其具体电路如图2－1所示。 图中继电器（ULN 2003）用于对强弱信号的选通，由MCU的P1.0控制。两个二极管用以钳位保护，当输入电压大于5V时，上钳位二极管导通，使输出到后级的电压为5V，而当输入电压低于－5V时，下钳位二极管导通，使输出到后级的电压为－5V，这样输出到后级的电压始终维持在－5V~+5V。数字电位器所呈现的电阻由MCU的P1.1、P1.2输入不同的控制信号来进行选择，从而确定可控增益放大器的增益倍数。在AGC前加一级电压跟随以提高输入阻抗，10pF电容起高通滤波作用。A/D输出信号用以送MCU进行FFT运算，为了保证A/D的工作要求，前端加入了一级降压电路和一级加法器电路，降压电路确保输入到后级的电压在－1.25V~+1.25V范围内，加法器则是确保A/D的输入电压在0~2.5V范围内，即在降压输出的基础上抬高1.25V。 切换 被测信号输文氏电桥有 AGC 电压衰减网络 开关 源滤波网络 入 切换 开关 AGC C8051F060 RMS A/D MCU AD536A LCD显示 4X4键盘 控制信号 图 1－9 系统详细方框图

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图2－1 前级信号调整电路

2.2 文氏电桥组成的有源陷波电路的设计

文氏电桥组成的有源陷波电路是以基本的文氏电桥有源陷波器为基础，通过改变桥臂上的电阻和电

容，来抑制不同频率基波。其幅度特性和相位特性分别如图2－2(a)，2－2(b)所示。

图 2－2 险波网络的幅度特性和相位特性

档位的调整和整个扫频的过程都是由MCU来控制的，MCU对继电器发控制信号使之吸和和断开，为了实现锐通带选频的作用，要求要有很高的Q值，其计算式如下

Q=1／4（1–F） （0其中,为反馈系数,可以通过调节可变电位器来改变Q值大小。 提高Q值可以使陷波器的选择性更好，但过高的Q值又会导致中心频率f0易漂移，引起较大的误差，为此在测量失真度时，采用了三级串联调谐设计，使之具有中心频率为±2％的衰减带宽。第一级调谐电路如图2－3所示，图中通过发送不同的控制信号使相应的继电器工作，从而选择不同的频率挡，然后，再调节数字电位器，找到被测信号的基波频率。每个继电器都加有保护电路，提高了电路的稳定性

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和可靠性。第二级和第三级的接法是相同的，只不过在数字电位器上分别串联了一个阻值不同的电阻，

这种设计同时也提高了扫频的效率。 实际设计时，为了能够满足任务书中的精度要求，根据公式

f0=1／2∏RC

进行推算，把被测信号的频率范围（10Hz~100KHz）划分为五个大的频率段（设计被测信号的最大频率比要求的高的多为338 KHz）： 1．9.8 Hz~108 Hz, 电容C1=1.47uF；数字电位器电阻变化范围为：40Ω~10KΩ； 2．108 Hz~338 Hz，电容C2=0.47 uF；数字电位器电阻变化范围为：40Ω~10KΩ； 3．338 Hz~3.38 KHz，电容C3=0.047 uF；数字电位器电阻变化范围为：40Ω~10KΩ； 4．3.38 KHz~33.8 KHz，电容C4=0.0047 uF；数字电位器电阻变化范围为：40Ω~10KΩ； 5．33.8 KHz~338 KHz，电容C5=0.00047 uF；数字电位器电阻变化范围为：40Ω~10KΩ。

图 2－3 文氏电桥有源滤波网络调谐电路

2.3后级信号调整电路的设计

后级信号调整电路主要起信号放大作用，即将被测信号经陷波网络后的全部谐波成分进行放大处理，以达到有效值检波电路的输入要求。其实现电路如图2－4所示。

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图2－4 后级信号调整电路

2.4有效值检波电路的设计

采用单片集成电路(AD536A)来实现信号有效值及全部谐波有效值的测量，使电路得以简化。测量交

流电流或电压时，若波形是正弦波，可用平均值检波、峰值检波电路将其转换为平均值、峰值电压，将测量的示值换算成有效值。但对脉冲波形或失真度较大的正弦波采用这种普通检波电路进行测量换算，误差较大。为此必须设计出能获得真有效值的运算电路，即由绝对值电路(或平方根电路)和积分电路组成的电路。 具体的有效值检波电路的设计如图2－5所示（图中电阻单位为Ω），被测信号经前级调整电路和经陷波电路的两路信号通过继电器分别选通，接入AD536A，即可在输出端得到输入信号的电压有效值。因为RMS转换器AD536A集成电路的满量程输出为7V有效值(规范值),所以调整电路要保证输入信号的电压值不小于1V。为了避免失调电压的影响，输入端加了隔制直电容C1，输入电阻约为16kΩ。

图2－5 有效值检波电路

实现RMS转换的主要困难是，如何确定均化电容C２的电容量。通常测量50Hz左右的波形，如允许误差在0.1%以内，C２的电容量可取1uF以上；如允许误差为1%, C２的值可取0.33uF。根据任务书中的精度要求，在设计中C２的取值为0.1uF。C1可用1uF的无极性电容也可用两个2.2 uF的电解电容串联。

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调整方法：用无失真的正弦波，其有效值电压是峰－峰值电压的1/2·2,先将输入端短路，调整RP1,使输出端为0，将0.7Urms的电压加在输入端，然后调节信号调整电路的增益，使输出端有+7.00V的输

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出，三角波的有效值为峰－峰值的1/2·3,方波是1/2，可以用函数发生器提供输入信号，用数字多用表来测量输入、输出电压，这样可以提高测量准确度。

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单片式AD536型RMS－DC的内部原理图如图2－6所示，该电路可分为绝对值电路、

平方器/乘法器、镜像电流源及缓冲放大器四个主要部分。

图2－6 AD536型RMS－DC变换器内部原理图

被测双级性交流电压ui(t)或直流电压Ui经过A1及A2组成的绝对值电压－电流变换器，变换成单极性的电流I1，并且有

I1＝｜ui(t)｜/ Ｒ4

I1加到由对数－反对数放大器VT1~VT4构成的单象限平方器/除法器的一个输入端。其输出电流为

I4＝I12/ I3

该电流I4经R1和CAV（外接）组成的低通滤波电路激励镜像电流源。若选择足够大的CAV使时间 R1CAV>>Tm(Tm为被测信号的最大周期值)，则I4被有效地平均，镜像电流I3与I4的平均值相等并返回至平方器/除法器的另一输入端，以完成均方根隐含计算

I4=I12/ I3= I12/ I4= I1rms

与此同时，镜像电流源也产生一个数值等于2 I4的电流IO，由8脚输出，也可经电阻R2转换成电压，由9脚输出。此外还可从VT5的发射极获得dB输出。

2.5 系统控制和数据处理部分的设计

采用CYGNAL公司推出的全集成混合信号在片系统(SOC)单片机C8051F060实现整个系统的控制和数据处理。C8051F060 是CYGNAL公司推出的全集成混合信号在片系统(SOC)8051F系列单片机中性能较高的一款MCU。C8051F06x 系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有59 个数字I/O 引脚

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(C8051F060/2/4/6)或24 个数字I/O 引脚(C8051F061/3/5/7)，片内集成了两个16 位、1 Msps的ADC。

下面是C8051F06x的一些主要特性；

1.高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核(可达25MIPS)； 2.两个16 位、1 Msps 的ADC，带DMA 控制器； 3.全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)；

4.10 位、200 ksps 的ADC，带8 通道模拟多路开关(C8051F060/1/2/3)； 5.两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式(C8051F060/1/2/3)；

6.64KB(C8051F060/1/2/3/4/5)或32KB(C8051F066/7)可在系统编程的FLASH 存储器； 7.4352(4K+256)字节的片内RAM；

8.可寻址64KB 地址空间的外部数据存储器接口(C8051F060/2/4/6)； 9.5 个通用的16 位定时器；

10.具有6 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列； 11.片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器。

具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F06x 系列器件是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个MCU 都可在工业温度范围(-45℃到+85℃)工作，工作电压为2.7～3.6V。端口I/O、/RST 和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压。

C8051F060

图2－7 引脚图(TQFP100)

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根据以上对C8051F06x系列器件特性的描述，在系统设计中考虑到实际的要求，选用了

C8051F060。其引脚图(TQFP100)，原理框图分别如图2－7和2－8所示，选择这款单片机既可方便的实现对系统的控制，又能进行较大量的数据处理，尤其是能通过软件编程实现FFT。片 内看门狗定时器、VDD 监视器为软件运行稳定提供了保障，温度传感器为芯片的正确使用提供 了依据，同时丰富的片内资源和高速的数据处理能力为系统的功能扩展奠定了基础。

图2－8 C8051F060的原理框图

2.6 显示部分的设计

采用LCD显示被测信号的相关内容，LCD显示具有显示内容清晰，显示界面美观，耗电量小等多种优点，设计中选择SED1335，其特点如下：

1、有较强功能的I/O缓冲器； 2、指令功能丰富；

3、四位数据并行发送，最大驱动能力为640×256点阵； 4、图形和文本方式混合显示。

SED1335接口部具有较强功能的I/O缓冲器，功能较强表现在MCU访问SED1335不需判

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断其“忙”，SED1335随时准备接收MPU的访问并在内部时序下及时地把MPU发来的指令、

数据传输就位。 SED1335接口部由指令输入缓冲器、数据输入缓冲器、数据输出缓冲器和标志寄存器组成。这些缓冲器通道的选择是由引脚A0和读/写操作信号联合控制。忙标志寄存器是一位只读寄存器，它仅有一位“忙”标志位BF。当BF=1表示SED1335正在向液晶显示模块传送有效显示数据。在传送完一行有效显示数据到下一行传送开始之间的间歇时间内BF=0。当大量显示数据需要修改时，在BF=0时传送不会影响屏的显示效果。SED1335原理框图如图2－9所示，管脚分布如图2－10所示，其与MCU的接口为：

（1）DB0-DB7：三态，数据总线，可直接挂在MCU数据总线上；

（2）CS：输入，片选信号、低有效。当MCU访问SED1335时，将其置低；

（3）A0：输入，I/O缓冲器选择信号，A0=1写指令代码和读数据，A0=0时写数据参数和读忙标志；

（4）RD：输入，读操作信号； （5）WR：输入，写操作信号； （6）RES：输入，复位信号，低有效，当重新启动SED1335时也需用指令SYSTEMSET。

图2－9 SED-1335原理框图

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图2－10 SED1335管脚分布图

SED1335具有多层显示功能，它们之间为“或”的关系，设计显示的模式为： 第一层显示整个显示有效区及直角坐标；

第二层显示被测信号波形/频谱、波形类型、失真度大小。 第三层显示被测信号的电压有效值、频率。

2.7 电源电路的设计

电源电路如图2－11所示，由于运放OP27的工作电压用 ±5V，MCU （C8051F060）的工作电压是3.3V，可以通过5V电源进行稳压得到，其它芯片的工作电压均为5V。为此选用LM7805、LM7905和将电压稳压到－5V和+5V。芯片的输入输出端与地之间连接大容量(3300uF)的滤波电容，，靠近芯片的输入引脚加上适当的小容量(0.01uF)高频电容用以抑制芯片自激，输出引脚连接高频电容以减小高频噪声。

图2－11电源电路

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3. 软件设计

软件的编写全部采用C语言，在KC51环境下进行设计、仿真和在线下载。软件设计的关键之处在于对RC文氏电桥参数进行调整,查找被测信号的基波频率，进行FFT运算；对数据进行计算送液晶显示。软件实现的功能是： ⑴ 设定控制各级调整电路的信号。 ⑵ 根据输入的不同被测信号自动改变有源文氏电桥滤波网络的参数，搜索基波频率。

⑶ 测量被测信号的失真度、有效值。 ⑷ 编写算法实现FFT运算。

⑸ 驱动液晶显示器显示相关内容。

3.1 控制各级调整部分的程序设计

3.1.1 前级调整部分的程序设计

前级调整电路的程序设计的关键在于，能够自动根据被测信号的电压大小，来选取不同的通路及调整AGC的增益。MCU的控制信号有三路：P1.0，P1.1，P1.2。P1.0用于控制继电器ULN2003的通断，P1.1，P1.2则用于改变数字电位器X9C103的电阻。程序流程框图如图3－1所示。

开始 开始 初始化

初始化

选择第一挡

VIN<0.5V

VOUT最小？ N Y Y ULN 吸合 N

调整数字电位器

Y 0.5VN 数字电位器阻值 N 最小？

调整放大增益

Y

换档 结束 结束

图 3－1 前级调整程序流程图 图 3－2 文氏陷波网络程序流程图

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3.1.2 后级调整部分的程序设计

后级调整电路主要是为测试失真度而设的，被测信号经前级调整和陷波以后，谐波分量很

小，直接送AD536A，不能准确的测出谐波成分的能量。其调整过程相同。

3.2 文氏陷波部分的程序设计

这一部分是程序设计的核心之一，其任务是自动搜索基波频率。程序设计的关键在于控制继电器ULN2003和数字电位器X9C103实现自动调整文氏电桥桥臂上的电阻和电容，达到滤除基波的目的。为能提高整个搜索频率过程的效率，采用了三级联调的方法。程序流程图如图3－2所示。

3.3 FFT的程序设计

充分利用C8051F060内的丰富资源，采用C语言来编写算法，实现FFT，由此可以对被测信号进行谐波分析。

3.4液晶显示的程序设计

液晶显示采用三级菜单显示。第一层显示被测信号的失真度大小、基波频率和室内温度；第二层显示被测信号的波形、电压有效值；第三层显示被测信号的频谱，用于对被测信号做谐波分析，以便确定信号的失真主要集中在哪次谐波上。

4.系统测试

4.1 测试使用的仪器

测试使用的仪器设备如表4－1所示。

表 4－1 测试使用的仪器设备 名称、型号、规格、出数量 厂编号 EE1642B型函数信号发 生器/计数器 1 NO：001332 DF4121A自动失真度仪 1 NO： Tektronix TDS1012 数字示波器 1 NO：C050165 序号 1 2 3 备注 南京新联电子设备有限公司南京电讯仪器厂 宁波中策电子有限公司 泰克科技（中国）有限公司

4.2 测试指标和测试结果

4.2.1 被测信号失真度大小及基波频率测试，结果如表

4－2所示，测试正弦波时每个频

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率段选取了两个测试点，测试三角波和方波时每个频率段均选取了一个测试点。表中被测信号

由EE1642B型函数信号发生器提供，信号实际失真度由宁波中策电子有限公司DF4121A自动失真度仪测试得到。

表4－2 信号失真度及基波频率测试结果

被测信号类被测信号频率测得信号的 信号实际失真度测得信号的基型 （Hz） 失真度(%) (%) 波频率（Hz） 11.5 0.50 0.74 11 105 0.44 0.37 106 108 0.50 0.57 108 205.9 0.71 0.64 205 304 0.80 0.74 306 正弦波 909 0.06 0.78 906 4560 0.54 0.37 4567 33400 0.54 0.54 33406 48500 0.71 0.64 48508 100503 0.84 0.72 100509 15.9 42.5 43.1 16 4860 43.1 43.5 4867 方波 33800 42.9 43.2 33806 48504 42.6 42.8 48508 100505 43.2 43.9 100509 115 12.5 13.2 117 1005 13.0 12.6 1008 三角波 10800 12.9 12.5 10805 40590 12.6 12.9 40598 80569 12.8 12.9 80559

4.3 误差分析

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4.4 系统实现的功能

通过对表中数据的分析，把系统实现的功能与任务书中的要求进行了对比，如表4－３所示。

表4－3系统功能与任务书要求对比

题目基本要求 发挥要求 作品实际性能

4.5 结论

5. 总结

参考文献

1 2

林占江，张乃国. 电子测量技术． 北京：电子工业出版社，2003年，第一版

黄智伟，王彦，陈文光，朱卫华． 全国大学生电子设计竞赛训练教程． 北京：电子工业出版社，2005年，第一版

3 康华光，邹寿彬． 电子技术基础模拟部分． 北京：高等教育出版社，2000年，第四版 4 赵亮，侯国锐． 单片机C语言编程与实例． 北京：人民邮电出版社，2004年，第一版 5 全国大学生电子设计竞赛组委会． 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届~第五届）． 北

京：北京理工大学出版社，2004年，第一版

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第一版

10 求是科技．单片机（典型模块设计实例导航）．北京：人民邮电出版社，2004年，第一版

附 录

附录1

附录2

附录3

主要元器件清单 程序清单 印制版图

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4

系统使用说明

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附录

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