简易信号分析仪设计报告.doc

word格式 PAGE .. .. 简易信号分析仪设计 摘要： 本次设计以32位单片机STM32为控制核心，由电压跟随器、程控放大电路、过零比较电路、衰减电路、波形显示等部分电路组成。用等效采样方式对波形幅值进行检测，用过零检测方式对信号频率采样，用直流叠加电路，将双极性的信号，变为单极性信号。并通过有效值与峰值的关系，实现对正弦波，三角波，方波等波形的判断。采样的波形，用TFT真彩屏进行显示。本设计可以实现对输入20Hz-200KHZ、0.05Vpp-10Vpp波形的判断，并可实现幅值、频率、有效值、失真度的检测。 关键词： 信号分析仪 STM32 等效采样 A/D 一、系统方案 1、方案比较与选择 方案一：用单片机STC12C5A60S2作为核心控制器件。即由5A60S2、A/D转换器、D/A转换器及RAM存储器等组成系统。若采用该方案，则单片机不仅要对数据进行处理，还要完成复杂的时序控制，且单片机对数据的处理速度较低，而题目要求的被测信号频率最高达到200KHz，难以达到设计要求。 方案二：用STM32作为核心控制器件。STM32片内有12位的高精度A/D，单路A/D采样速率最大可达1MHZ。且STM32可以两路A/D交叉采样，采样速率最大可达2Mhz。理论上满足设计的要求，且该芯片相比其它32位芯片功耗低，价格更便宜。 方案三：用LPC2138作为核心控制器件。LPC2138片内有16位的高精度A/D，CPU速率高达60MHZ，且LPC2138可以两路A/D交叉采样，采样速率最大可达2Mhz，程序存储器容量 /512kb。理论上满足设计的要求，且该芯片相比其它32位芯片功耗更低，价格便宜。 故本设计选用方案三。 2、系统方案描述 本简易信号分析仪用LPC2138作为数据处理及控制的核心，该核心又分为四大模块：程控放大，频率采样、幅值采样及显示控制部分。程控放大电路是将输入小信号进行放大；频率采样模块是通过过零检测电路输出的方波，采集信号的频率，LPC2138根据该频率的范围，改变幅值采样的速率；幅值采样模块通过LPC2138的A/D接口采集信号的幅值，幅值采样频率由信号的频率决定，根据幅值采样的结果，控制信号的放大倍数，算出信号峰峰值、有效值、及信号的类型。电路中设计的直流叠加电路，将双极性的信号提高到0-3.3v以内，以便LPC2138采样。本信号分析仪显示则利用普通模拟示波器的X-Y方式。A/D转换后的模拟量经LPC2138处理好后，输出到屏幕上面显示。在设计中，为了隔离前后级的影响，我们使用了电压跟随电路。系统框图如图1.1所示。 图1.1 系统框图 需要注意的是，本系统要处理的信号频率高达200kHZ。并且要显示波形。用两路A/D交叉采样最高2MHZ，仍然不能够将信号完整的显示出来，并且幅值也会检测不准。所以A/D采样时，用到等效分析算法，解决这个问题。在选择运放时，我们发现许多宽带集成运放都很容易产生自激，带宽不能满足要求，经过反复测试，最终选择了高速宽频带运放CA3140。 二、理论分析与计算 1、A/D采样分析 LPC2138的单路A/D采样速率最大为1MHZ，而输入信号的频率最高为200KHZ,如果仅仅用单路A/D采样，是不能完成对高频信号不失真的采样，所以在本设计中，我们创造性的用了等效采样的方法，达到用低速A/D对高频信号的采集的目的。等效采样的原理如图2.1所示，由于周期信号在各周期内的波形完全相同，可以在各周期内的不同时刻分别采集数据，然后将采集的数据合成完整的采样波形。第一次的采样时刻为周期原点，第二个周期到来后延时?t后再进行第二次采样，第三次采样则是在第三个周期到来后再延时2?t的时刻，以此类推。将采集到的数据以间隔?t顺序排列，即可恢复信号波形。等效采样速率fs=1/?t，而实际的采样频率fs′=1/(T+?t)，由于?tT，故fsfs′。因此，利用等效采样技术可以用较低速的A/D实现对高频周期信号的采样。 图2.1 等效采样原理图 LPC2138片内A/D有12位，3.3.V供电,A/D的转化精度Vref/(2^12)约为0.8mv，完全满足设计要求的3%的幅值误差。 三、电路与程序设计 1、电路设计 （1）放大器设计方案