單片機綜合應用實驗設計

陳家棟

摘要：針對單片機綜合應用實驗設計，本文設計了低實驗成本的低頻信號幅頻綜合檢測實驗。實驗涉及了單片機定時器、外部中斷、AD接口技術以及電子測量技術等知識綜合應用，知識考查面廣。該文提出的幅頻檢測方案利用放大和整形電路將待測信號轉換成單片機可識別的二值信號，再通過單片機利用測頻法測出信號頻率；利用具有電壓負反饋的峰值保持電路和AD轉換器采集待測信號的幅值。實驗結果表明設計方案可行。通過實驗可提高學生的創新實踐能力，培養學生查找問題、分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：單片機 綜合實驗 幅頻檢測 峰值保持電路

【中圖分類號】 G642? ?【文獻標識碼】 A

Design of the Experiment of the Comprehensive Application of Single-Chip Microcomputers

— The Amplitude-Frequency Comprehensive Detection of Low-Frequency Signals

CHEN Jiadong

（School of Electronic Information， Guilin University of Electronic Technology， Beihai， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 536000 China）

Abstract： Aiming at the design of the experiment of the comprehensive application of single-chip microcomputers， this paper designs the experiment of the amplitude-frequency comprehensive detection of low-Frequency signals with low experimental cost. The experiment involves the comprehensive application of knowledge such as the timer， external interrupt， AD interface technology and electronic measurement technology of single-chip microcomputers， and it examines a wide range knowledge. The amplitude-frequency detection scheme proposed in this paper uses the amplification and waveshaping circuit to convert the signal to be measured into a binary signal that can be recognized by the single-chip microcomputer， then uses the frequency measurement method to measure the signal frequency through the single-chip microcomputer， and uses the peak-holding circuit with negative voltage feedback and AD converter to collect the amplitude of the signal to be measured. Experimental results show that the design scheme is feasible. Through experiments， students' innovative and practical ability can be improved， and their ability to find， analyze and solve problems can be cultivated.

Key Words：Single-chip microcomputer; Comprehensive experiment; Amplitude-frequency detection; Peak-holding circuit

單片機綜合應用實驗可加強學生運用所學專業知識綜合分析和設計的應用能力，培養創新意識，培養初步的科學研究、科技開發能力和工程應用能力[1-2]。通過單片機綜合應用設計實驗實訓課程教學，培養學生團隊工作精神，追求真理的勇氣、嚴謹求實的科學態度、刻苦鉆研的作風和堅忍不拔的科學精神。

幅頻綜合檢測實驗涵蓋了模擬電子技術基礎、數字邏輯、單片機技術以及電子測量技術等教學內容，真正考查了學生對課程知識的掌握情況，以及學生綜合應用知識的能力。鑒于針對學生學習的實驗，目的是讓學生通過實驗掌握知識應用，學會分析問題和解決問題。設計實驗時需考慮成本，實驗要經濟可行。該文設計了一個研究低頻信號幅頻檢測的單片機綜合應用實驗，原理可行，知識應用性強，實現成本低。下文將從幅頻綜合檢測系統框圖、電路設計、程序設計和測試數據誤差分析等方面進行詳細闡述。

1 低頻信號幅頻綜合檢測系統設計

1.1 設計任務與設計思路

測頻思路：由于針對于低頻信號的測量，可利用計數器直接測頻法[3]，將待測信號整形為單片機可識別的脈沖信號，在閘門時間Ts內，計算脈沖周期數N，則可得待測信號頻率f，如式（1）。測頻原理示意圖如圖1所示。

測幅思路：利用峰值保持電路和A/D轉換電路采集待測信號峰值。

系統框圖如圖2所示，為了減小測試電路對信號的影響，前級加入了緩沖電路。

1.2 關鍵電路設計

1.2.1緩沖電路

緩沖電路采用電壓跟隨器，如圖3所示，其特點[4]是輸入阻抗大，輸出阻抗小，輸出電壓約等于輸入電壓，Vo1≈Vin。

1.2.2頻率檢測電路

測頻電路如圖4所示，U3：C構成放大電路，放大倍數為1+R6/R5=11。U5：A構成比較電路，將輸入信號整形為單片機能識別的二值信號。為了使比較器輸出電平為0V和+5V，采用+5V單電源供電，并將閾值電壓UT設定為電源電壓的一半，選擇R7=R10。

R8和R9用于抬高輸入信號的直流電壓分量，抬高的直流分量為2.5V。

1.2.3峰值檢測電路

峰值檢測電路如圖5所示，主要由峰值保持電路和AD轉換電路組成。其中，峰值保持電路由誤差放大電路、峰值檢波電路以及緩沖電路構成。運放U4：A構成誤差放大電路，D1和C7 構成峰值檢波電路，U3：B構成緩沖電路，Q1為單片機控制電容放電的三極管。峰值保持電路存在電壓負反饋，可達到穩定輸出電壓的目的。U2構成模數轉換電路。

峰值保持電路的工作原理：誤差放大器將待測信號電壓Vo1與緩沖器輸出電壓Vo4進行比較放大，Vo3=A（Vo1-Vo4），A為運放U4的開環增益。當Vo1>Vo4時，由于A較大（通常可達105以上），因此很快出現Vo3>Vc，二極管D1導通，電容C7充電；當Vo1

電容電壓Vc的如式（1）所示。

式（1）中，t0為電容充電起始時刻，tc為充電時間長度，Z為二極管D1級電容的等效總阻抗。

由于單片機每次進行峰值檢測前，均先通過三極管Q1將電容放電后再充電，因此可認為t0初始時刻Vc≈0，則式（1）可寫成式（2）。

由于電壓通過回路反饋到誤差放大器輸入端需要一定的時間，而運放的開環增益A較大，充電阻抗Z較小，由式（2）可知，在此段時間內，電容電壓會存在過沖現象[5]，如圖6所示。因此，單片機在采集數據時，須等待電容電壓恢復穩定之后再進行。

在選擇器件時，需要注意幾點：（1）由于誤差放大器起到調整控制電路穩定輸出的關鍵作用，要求構成誤差放大器的運放U4壓擺率要盡可能大，壓擺率越大，則調整速度越快，輸出就越穩定。（2）D1檢波二極管的響應時間和反向電流要小。（3）針對低頻信號，保持電容值要大一些；高頻信號則要小容量即可。（4）緩沖器U3：B的輸入阻抗要盡可能大。

1.3 程序設計

程序流程如圖7所示。設計思路是：（1）使用定時器產生1s的閘門時間，在這1s內，利用外部中斷對整形電路輸出的方波信號進行周期數累計[6]，即可得出信號頻率值。（2）在主程序中，進行峰值電壓采集、數據處理及數據顯示。

初始化主要包括定時器、外部中斷相關設置等。

數據處理的目的是對采集的峰值電壓數據進行去噪聲處理，減小測量誤差。方法是多次采集電壓數據，并對數據進行排序，去掉最大值和最小值，取剩余數據的平均值。

2? 系統仿真測試與結果分析

本設計選用了常用且成本低廉的器件，并在Protues上進行仿真實驗。常用且經濟的運放中，NE5532的壓擺率相對較高，為9 V/?s，選其作為峰值檢測電路中的誤差放大器；LM324的輸入阻抗相對較高且價格低廉，選用它構成峰值檢測電路的緩沖器。由于研究的是低頻信號，其他電路對運放的要求不高，使用NE5532和LM324剩余的運放即可。AD轉換器使用8位串行模數轉換器TLC548。

表1為幅值測量數據。表中相對誤差計算公式如式（3）。

由表1可以看出，峰峰值為1～5V的測量誤差基本在10%以內，對于低成本幅頻測量設計方案而言，準確率較高。0.5V以下時，由于信號較小，AD分辨率低，導致了測量相對誤差大，可通過將待測信號放大后再檢測來提高測量精度。另外，頻率越大，測量誤差也越大。若要提高測量精度，需使用頻率響應性能更好的器件。

表2為頻率測量數據。由表2可看出，峰峰值為0.1～5V時，頻率測量相對誤差均小于1%，測量誤差來源主要為±1誤差和閘門時間誤差[3]。當然，此數據為仿真實驗數據，部分實際噪聲干擾或電路的不穩定等影響因素并未考慮到，因此與實際電路測試數據間會存在偏差。

3? 教學過程設計

教學設計流程如圖9所示。

3.1 任務發布

設計一個低頻信號幅頻綜合檢測系統。要求：信號頻率范圍為10Hz～10kHz，測量誤差≤10%；峰峰值范圍為0.5mV～5V，測量誤差≤20%。

3.2 設計原理講解

（1）講解檢測系統框圖的工作原理；（2）電路設計難點為峰值保持電路，需著重講解；（3）講解程序設計思路。

3.3 學生自主設計

學生理解原理之后，自行查閱相關文獻，完成各個部分電路的設計，并進行仿真驗證。整個過程學生為主體，教師為主導。

3.4 作品制作與調試

繪制原理圖及PCB，發廠家進行PCB打樣，焊接調試、測試，以及對測試結果進行誤差分析，并鼓勵學生自行查找發現問題、解決問題，從而提高學生的創新實踐能力[7-8]。

3.5 驗收答辯

考查學生對作品工作原理的理解，作品制作流程的掌握，以及鍛煉學生的溝通表達能力。

4? 結語

綜合考慮單片機綜合應用設計實驗的可行性、經濟性，該文設計了低成本的低頻信號幅頻綜合檢測實驗，并從系統設計方案、測頻電路設計、峰值檢測電路設計、程序設計和測試數據誤差分析等方面進行了詳細的闡述。實驗結果表明，設計方案經濟可行，適用于測量誤差要求不高的場合。綜合實驗考查學生的知識面廣，可鍛煉學生知識綜合應用的能力，可加強學生的創新能力和實踐能力，可培養學生學會從問題分析、方案設計、成本考慮、方案實施、測試結果誤差分析以及提出解決方案等多方面分析問題和解決問題的能力。

參考文獻

[1]高慶華，崔承毅，周曉丹，等.虛實結合單片機綜合設計實驗教學探索[J].工業和信息化教育，2018（1）：17-21.

[2]崔承毅，陳景，高慶華，等.單片機綜合設計實驗中的智能窗戶設計[J].實驗技術與管理，2020，37（9）： 71-74

[3]陳尚松，郭慶，黃新.電子測量與儀器[M].5版.北京：電子工業出版社，2020.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[5]肖云鳳，黃光明. 寬輸入動態范圍峰值保持電路設計[J].核電子學與探測技術，2020，40（2）：359-363.

[6]曹新建，施雷.便攜式多功能頻率計的設計與實現[J]. 儀表技術與傳感器， 2022（6）： 35-39.

[7]劉曉紅，趙麗清，于艷.單片機與電力電子技術課程教學模式探索[J].科技資訊，2022，20（24）：199-203.

[8]柏艷紅，李虹，趙志誠，等. 自動化專業開設綜合實驗課的探索與實踐[J]. 實驗技術與管理， 2022，44（4）： 187-190.