单片机的频率特性测绘系统的开发(附件)【字数：8535】
摘 要本文主要讨论了如何使用单片机来完成一个系统的频率特性的测量。在文中主要是阐述如何通过单片机来实现对系统频率特性的测绘，并用仿真软件Proteus仿真出来，文中主要包含了工作原理和性能特点。整个的系统建设主要是针对相位差，频率和幅值这三个要素的测量来设计软硬件方案。整个系统操作起来比较的简洁明了，能够简单有效的测量我们所需要的数据，既方便又有效。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题设计意义 1
1.2 国内外研究背景 1
第二章 系统总体方案设计 3
2.1 基本概念 3
2.2 测量原理 3
2.3 基本方案 3
第三章 测量系统硬件设计 5
3.1 最小单片机系统 5
3.2 幅频特性测量电路设计 6
3.3 相位测量电路设计 9
3.3.1 过零比较电路 10
3.3.2 相位的超前与滞后 12
3.4 显示模块LCD简介 13
第四章 测量系统软件设计 14
4.1 单片机控制程序设计 14
4.1.1 幅值测量程序设计 14
4.1.2 相位测量程序设计 16
4.2 Proteus仿真软件简介 17
4.3 测量结果展示 17
结束语 20
致 谢 21
参考文献 22
附录 23
第一章 绪论
1.1 本课题设计意义
我们在对某系统的测试中，常常需要测试到该系统的频率特性，而对控制系统和它的部件进行其频率特性的测绘是我们分析和研究此系统的重要一环。一方面，我们可以通过测绘得到的频率特性了解被测系统，获得它的数学模型，进而改善并设计出更好的被测系统。另一方面，也可以通过测到的频率特性来分析系统的性能好坏，从而改进补偿获得更好的被测系统来满足我们的需求。
随着电子工业的快速发展，应用单片机进行测量的仪器也越来越广泛的出现在人们的生活中，当然其所表现的功能也越来越多。所以在对频率特性来进行测量的时候， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
单片机作为高效有用的器件自然而然的被我们运用到测量的系统中去了。众所周知，我们在对于频率特性的测绘中，最重要的就是测量三要素：频率，幅值和相位差。对于这三个重要测量量的测量，我们都是通过改变其输入正弦信号的频率然后当信号经过我们所组建的不同的模块或者电路最后获得的。所以，如何挑选输入的频率也是当今测绘系统所讨论的焦点。一般来说，对于复杂的电路的频率特性的测量中,我们就可以根据公式f=1/(2*pi*RC)估算出转折频率[01]，在这些特殊的频率附近要多测量一些点。通过取这些频率来测量会让频率特性更加有说服力。还有我们在测量相位差时用单片机中会使用的测量周期还是测量频率的方法的选择也是比较重要的。测频法更加适用于我们在测高频中使用，而测周法则适合我们在中低频时使用。所以，选取合适的频率和方法也是我们完成测绘的重要一环，不可忽视。
1.2 国内外研究背景
在对于频率特性的测量的研究中，如何更好更快更加精确的得到我们需要测量的系统的频率特性一直是国内外研究的热点。随着时代的发展，人们开始利用单片机和先进的集成模块实现了对频率特性的测绘，让仪器所测得的误差也越来越小。虽然国外仪器发展先进，但是在最近飞速发展的几年中，我国的研究水平也开始达到世界领先水平。
综上讨论，所以本文主要搭建开发了一块利用单片机来进行简单频率特性测绘的系统。
第二章 系统总体方案设计
2.1 基本概念
通过频率特性的理论可以了解，在同一频率下，对被测系统的输入和输出都要测量幅值和相位，然后将两个信号所获得的数据进行比较会获得相位差和幅值比，改变频率再次测后得到以上数据综合即为频率特性。这其中包括幅频特性和相频特性。其中系统的幅频特性是输入与输出的振幅之比A(ω) =Ac /Ar，通常我们用20 lg A(ω)称为对数幅频特性。而相频特性就是输出与输入正弦信号的相位差θ(w)[02]。因此，它包含了系统的全部动态参数和结构，所以，只要测到频率特性，就可以获得系统的动态过程和它的规律性了。
2.2 测量原理
我们在对一个系统或这电路测量我们需要的频率特性的时候，通常的方法有扫频测量法是我们现在的通常测试方法，即是选择一个信号源，然后通过改变信号源的频率通过被测系统来获得不同的输入和输出信号，接着再经过不同的电路和模块以及单片机的测量获得我们所需要的幅值和相位差，从而得到我们所需要频率特性。
2.3 基本方案
信号源产生标准正弦波，输入到被测系统，在被测系统的输出接口分别输入到幅度检测和相位检测电路中去，通过电路的检测得到我们需要的峰值和相位差的值[03]。然后经过转换模块进入到单片机中进行分析，分析后的数据再通过线路发送到显示模块中显示出来，单片机中也可以存储一下，为后来我们所需要读取数据的时候提供方便。总体框图如图21所示。
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图21 总体框图
第三章 测量系统硬件设计
3.1 最小单片机系统
本次的搭建中，出于简单，便利的考虑，我们在单片机的选择上选择了C51系列的单片机来构造单片机系统。它方便，灵活，简单的特性很适合作为简单系统设计的核心来使用。如图31是它的硬件图。
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图31 AT89C51硬件图
如上图所示是现在比较常用的51单片机的硬件原理图。它主要是由P1、P2和P3等外接串口还有部分可外接电路串口组成[12]。它拥有寄存器，晶振等很多实际有效的器件，能够实现很多的功能，比较适合我们作为测量被测信号的单片机来使用。在在本次的设计测量中，主要是使用到了单片机的P0口和P1口以及部分P2口。它们的作用分别作如下讲解。首先来说P0口，在本次的测量处理中，PO口主要是和显示模块LCD相连接，它一共有8个串口分别与显示模块相互连接，用作将数字显示到显示模块中显现出来，同时它也作为存储器来对于外部数据的存储。其次是P1口，它主要用来与AD转换芯片相连接，接收从芯片中处理的数据。然后将其输送到单片机中让单片机进行处理。在编程中的作用，这个端口主要是作为一个接收位置。最后是P2口，相同的，当数据进入的时候，P2口可以对数据存储器进行读取，输出特殊寄存器上面的内容，在编程的时候，P2口主要是接收高八位的地址信号和控制信号的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题设计意义 1
1.2 国内外研究背景 1
第二章 系统总体方案设计 3
2.1 基本概念 3
2.2 测量原理 3
2.3 基本方案 3
第三章 测量系统硬件设计 5
3.1 最小单片机系统 5
3.2 幅频特性测量电路设计 6
3.3 相位测量电路设计 9
3.3.1 过零比较电路 10
3.3.2 相位的超前与滞后 12
3.4 显示模块LCD简介 13
第四章 测量系统软件设计 14
4.1 单片机控制程序设计 14
4.1.1 幅值测量程序设计 14
4.1.2 相位测量程序设计 16
4.2 Proteus仿真软件简介 17
4.3 测量结果展示 17
结束语 20
致 谢 21
参考文献 22
附录 23
第一章 绪论
1.1 本课题设计意义
我们在对某系统的测试中，常常需要测试到该系统的频率特性，而对控制系统和它的部件进行其频率特性的测绘是我们分析和研究此系统的重要一环。一方面，我们可以通过测绘得到的频率特性了解被测系统，获得它的数学模型，进而改善并设计出更好的被测系统。另一方面，也可以通过测到的频率特性来分析系统的性能好坏，从而改进补偿获得更好的被测系统来满足我们的需求。
随着电子工业的快速发展，应用单片机进行测量的仪器也越来越广泛的出现在人们的生活中，当然其所表现的功能也越来越多。所以在对频率特性来进行测量的时候， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
单片机作为高效有用的器件自然而然的被我们运用到测量的系统中去了。众所周知，我们在对于频率特性的测绘中，最重要的就是测量三要素：频率，幅值和相位差。对于这三个重要测量量的测量，我们都是通过改变其输入正弦信号的频率然后当信号经过我们所组建的不同的模块或者电路最后获得的。所以，如何挑选输入的频率也是当今测绘系统所讨论的焦点。一般来说，对于复杂的电路的频率特性的测量中,我们就可以根据公式f=1/(2*pi*RC)估算出转折频率[01]，在这些特殊的频率附近要多测量一些点。通过取这些频率来测量会让频率特性更加有说服力。还有我们在测量相位差时用单片机中会使用的测量周期还是测量频率的方法的选择也是比较重要的。测频法更加适用于我们在测高频中使用，而测周法则适合我们在中低频时使用。所以，选取合适的频率和方法也是我们完成测绘的重要一环，不可忽视。
1.2 国内外研究背景
在对于频率特性的测量的研究中，如何更好更快更加精确的得到我们需要测量的系统的频率特性一直是国内外研究的热点。随着时代的发展，人们开始利用单片机和先进的集成模块实现了对频率特性的测绘，让仪器所测得的误差也越来越小。虽然国外仪器发展先进，但是在最近飞速发展的几年中，我国的研究水平也开始达到世界领先水平。
综上讨论，所以本文主要搭建开发了一块利用单片机来进行简单频率特性测绘的系统。
第二章 系统总体方案设计
2.1 基本概念
通过频率特性的理论可以了解，在同一频率下，对被测系统的输入和输出都要测量幅值和相位，然后将两个信号所获得的数据进行比较会获得相位差和幅值比，改变频率再次测后得到以上数据综合即为频率特性。这其中包括幅频特性和相频特性。其中系统的幅频特性是输入与输出的振幅之比A(ω) =Ac /Ar，通常我们用20 lg A(ω)称为对数幅频特性。而相频特性就是输出与输入正弦信号的相位差θ(w)[02]。因此，它包含了系统的全部动态参数和结构，所以，只要测到频率特性，就可以获得系统的动态过程和它的规律性了。
2.2 测量原理
我们在对一个系统或这电路测量我们需要的频率特性的时候，通常的方法有扫频测量法是我们现在的通常测试方法，即是选择一个信号源，然后通过改变信号源的频率通过被测系统来获得不同的输入和输出信号，接着再经过不同的电路和模块以及单片机的测量获得我们所需要的幅值和相位差，从而得到我们所需要频率特性。
2.3 基本方案
信号源产生标准正弦波，输入到被测系统，在被测系统的输出接口分别输入到幅度检测和相位检测电路中去，通过电路的检测得到我们需要的峰值和相位差的值[03]。然后经过转换模块进入到单片机中进行分析，分析后的数据再通过线路发送到显示模块中显示出来，单片机中也可以存储一下，为后来我们所需要读取数据的时候提供方便。总体框图如图21所示。
？
图21 总体框图
第三章 测量系统硬件设计
3.1 最小单片机系统
本次的搭建中，出于简单，便利的考虑，我们在单片机的选择上选择了C51系列的单片机来构造单片机系统。它方便，灵活，简单的特性很适合作为简单系统设计的核心来使用。如图31是它的硬件图。
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图31 AT89C51硬件图
如上图所示是现在比较常用的51单片机的硬件原理图。它主要是由P1、P2和P3等外接串口还有部分可外接电路串口组成[12]。它拥有寄存器，晶振等很多实际有效的器件，能够实现很多的功能，比较适合我们作为测量被测信号的单片机来使用。在在本次的设计测量中，主要是使用到了单片机的P0口和P1口以及部分P2口。它们的作用分别作如下讲解。首先来说P0口，在本次的测量处理中，PO口主要是和显示模块LCD相连接，它一共有8个串口分别与显示模块相互连接，用作将数字显示到显示模块中显现出来，同时它也作为存储器来对于外部数据的存储。其次是P1口，它主要用来与AD转换芯片相连接，接收从芯片中处理的数据。然后将其输送到单片机中让单片机进行处理。在编程中的作用，这个端口主要是作为一个接收位置。最后是P2口，相同的，当数据进入的时候，P2口可以对数据存储器进行读取，输出特殊寄存器上面的内容，在编程的时候，P2口主要是接收高八位的地址信号和控制信号的。
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