基于 AT89C52 的多周期同步测频技术的实现黄晓峰 上海工程技术大学高职学院,上海 200437 摘 要：论述了传统的频率测量方法的原理及误差。提出了基于 AT89C52 实现多周期同步测频的新方法。 构造了与待测信号同步的多周期闸门时间，实现了时基信号与待测信号的准同步计数，系统只用一个定时/ 计数器 T2 实现了多周期同步测频。该频率测试仪结构简单，成本较低，能够在高低频段范围内实现频率参 数的等精度测量，具有较高的测量精度和较短的系统反应时间。 关键词：频率测量；多周期同步；闸门时间；AT89C52；捕捉方式； 关键词：频率测量；多周期同步；闸门时间；AT89C52；捕捉方式；等精度测量 中图分类号： 中图分类号： 文献标识码： 文献标识码：B 文章编号： 文章编号： Realization of multi-cycle synchronization based on AT89C52 HUANG Xiao-Feng Vocational Technical College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 200437 Abstract：The traditional frequency measuring principles and the errors are introduced. The new way of ： multi-cycle synchronization based on 89C52 is presented. By structuring multi-cycle gate time synchronistically with the frequency signal, the system use only T2 to acquire under synchronous time base with the frequency signal, and realize the new method of multi-cycle synchronization frequency measuring .With the characteristics of a simple structure ,low cost, high accuracy and short measuring time, this frequency meter can realize equal precision measurement from high frequency to low frequency . Keyword：frequency measurement; multi-cycle synchronization; gate time;AT89C52; capture function；equal ： precision measurement 0 引言 频率作为一种最基本的物理量，是电子测量技术中最重要的被测量之一。本文详细论 述了传统频率测量方法及原理， 并对各种方法的测量误差进行了分析。 为保证频率测量精度 和兼顾测量反应时间， 采用多周期同步测频技术， 设计了以 AT89C52 单片机为核心的频率参 数测试仪， 由于充分利用 AT89C52 片内定时器/计数器 T2 所特有的捕捉功能， 使得该频率参 数测试仪的软硬件结构简单， 实现了对高低频段频率参数的等精度测量， 具有较高的测量精 度和较短的系统反应时间。 1 传统测频方法及其误差分析 频率测量的方法主要有 M 法、T 法以及 M/T 法 [1] 。M 法的基本测频原理是在选定的 闸门时间 T 内对被测脉冲信号进行计数，根据计数值 N x 和闸门时间 T 求得所测脉冲信号的 频率。在 M 法中，由于闸门时间 T 由标准频率源决定，而单片机的标准频率源是由晶振频 率分频后获得， 因而保证了闸门时间 T 的精确性。 但由于闸门的启闭与待测计数脉冲不同步， 闸 门开 通时间 通常 不是待 测信 号周期 的整数 倍， 存在 待测脉 冲信号 的计 数量 化误差 ?N x = ±1 。由 M 法的测频原理可知，待测信号频率 1 fx = Nx N ? f0 = x N0 T （1） 设待测脉冲频率的准确值为 f xd ， 由于单片机测频系统中的标准频率源通常是由晶振产 生的频率信号分频后得到的， 而晶振的稳定性很高， 只要按测量精度要求选择合适的晶振后， 由标准频率源的不稳定性所造成的测频误差就可以被忽略掉 （文中的误差分析均是在忽略标 准频率源的不稳定性下做出的） 。设 δ Mx 为测量的相对误差 δM x = f xd = 得 δ Mx = f xd ? f x f xd （2） N x + ?N x T = ?N x N x + ?N x ≤ (3) f xd ? f x f xd 1 Nx (4) 由式(4)知， 当待测脉冲信号频率较高时， 在闸门时间 T 内被测信号脉冲的计数值 N x 较 大， δ Mx 很小，M 法能够达到较高的测量精度；而当待测脉冲信号频率较低时，在闸门时间 T 内 N x 较小， δ Mx 很大，测频精度降低。例如，被测信号的频率为 100HZ，则在 1S 内的相对误差 δ M x =1％。 而当待测脉冲信号的频率为 10HZ， f x 在 T =1S 内的相对误差 δ M x =10％。 则 虽然可以通过增大闸门时间 T 来提高测量精度，但闸门时间 T 过长将使系统的测量时间过 长，无法满足实时性的要求。 T 法的基本原理是在待测脉冲的一个周期内对标准频率信号进行计数，根据计数值 N 0 和标准信号的频率 f 0 求得待测脉冲信号的频率。在 T 法中，由于闸门时间 T 由待测脉冲信 号决定，不存在待测脉冲信号计数的量化误差 ?N x 。但由于闸门的启闭与标准频率源不同 步，故存在对标准频率源信号的计数量化误差 ?N 0 = ±1 。由 T 法的测频原理可知，待测信 号频率 f x = 1 N 0T0 = f 0 N 0 其中 T0 为标准频率源信号的周期。同理，可得 (5) δ Tx = f xd ? f x f0 f = ? 0 N 0 + ?N 0 N 0 f xd f0 N 0 + ?N 0 (6) 2 = ?N 0 N 0 ≤ 1 N 0 由于闸门时间 T 是待测脉冲信号周期的整数倍， 当待测脉冲频率较低时， 闸门时间 T 较 长，对标准频率源的计数值 N 0 较大，测量精度高；而当待测脉冲频率较高时，闸门时间 T 过短，甚至与标准频率源信号周期相近，故高频测量时 T 法存在严重的测量误差。 理论分析表明， 无论采取何种补偿措施， 都无法同时消除对待测脉冲和标准信号的计数 量化误差。将 M 法和 T 法结合起来就是 M/T 法，M/T 法结合了 M 法和 T 法各自的优点，在被 测信号频率较高时采用 M 法，频率较低时采用 T 法，这样在高、低频信号测量中都能获得较 高的精度。但由于在 M 法中， ?N x 随着被测信号频率的降低而增大，在 T 法中 ?N 0 随着被 测信号频率的增大而增大， 因此必存在 M 法和 T 法的分界点， 在该点高低频测量的相对误差 相等且达到最大，即 δ max = δ M x = δ T x 。我们将该点的频率称为中界频率 f C ，由式(1)知 N x = f x ? T ，由式(5)得 N 0 = f 0 f x ，则中界频率 f C = f 0 T 。虽然 M/T 法能够在两端获 得高精度，但在中界频率处的误差却总是最大的。本系统采用多周期同步测频原理，利用 AT89C52 片内定时器/计数器 T2 所特有的捕捉方式，实现对信号频率、周期、脉宽以及占空 比的测量。 2 多周期同步测频原理及其误差分析 多周期同步测频技术的基本原理是在待测脉冲的 m 个周期内同时对对待测脉冲和标准 信号计数， 根据待测脉冲的计数值 N x 和标准信号的计数值 N 0 求得被测信号的频率 [2,3] 。 由 于闸门时间 T 为待测脉冲的 m 个周期即闸门时间与待测脉冲同步，从而消除了待测脉冲的 计数量化误差 ?N x 。但由于闸门的启闭与标准信号不同步，故仍存在对标准信号的计数量 化误差 ?N 0 = ±1 。设两个计数器在闸门时间 T 内同时对待测脉冲和标准信号的计数值分别 为 N x 和 N 0 ，则待测信号频率 fx = Nx T f0 = N0 T 消去闸门时间 T ，得 f x = N x ? f 0 N 0 (7) (8) (9) 同理，相对误差 δ = f xd ? f x f xd f0 f ?N ? Nx ? 0 x N + ?N 0 N0 = 0 f0 ? Nx N 0 + ?N 0 (10) = ?N 0 N 0 ≤ 1 N 0 = 1 f 0T 3 由式(10)知， δ 只与标准频率源的频率 f 0 和闸门时间 T 有关，与待测脉冲的频率 f x 无 关，实现了整个测量频段内的等精度测量，使测量精度大大提高。对于标准信号的计数量化 误差 ?N 0 ，虽然可以通过提高标准频率源的频率 f 0 和加大闸门宽度 T 来减小，但需要考虑 标准频率源工作频率的限制，以及加大闸门宽度 T 所带来的系统测量时间的增加。 3 基于 AT89C52 的多周期同步测频技术的实现 AT89C52 片内有 1 个 16 位的定时/计数器 T2，T2 除具备和定时/计数器 T0、T1 相同的 功能外，还具有捕捉方式、16 位自动重装等功能 [4,5] 。所谓捕捉功能就是当 T2 的外部输入 端 T2EX(P1.1)的输入电平发生负跳变时,就会把 TH2 和 TL2 的内容同时记录到特殊功能寄存 器 RCAP2H 和 RCAP2L 中，并将外部中断标志 EXF2 置位，向 CPU 发出中断申请信号。T2 的 捕捉功能避免了 CPU 在读计数值的高字节时， 低字节还在变化所引起的读数误差， 更重要的 是，T2EX(P1.1)上输入电平连续两次负跳变的计数差值,就是外部输入脉冲的周期。 依据多周期同步测频技术的原理，将 AT89C52 的定时/计数器 T2 设置为定时器捕捉工 作方式，闸门时间 T 为 m 个待测脉冲周期，被测信号经放大、整形、分频后送入 T2 的外部 输入端 T2EX(P1.1)，在待测信号产生第一次负跳变时，TH2 和 TL2 中的内容（即时基脉冲计 数值）被同时捕捉至特殊功能寄存器 RCAP2H 和 RCAP2L，并在 T2 外部中断服务程序中记录 待测信号下降沿的数目， 以此实现闸门开启及待测脉冲及和时基脉冲的同时计数， 闸门时间 到时（即 T2 的外部输入端 T2EX 检测到第 m + 1 个待测脉冲下降沿） ，一次测量过程结束。 在此过程中， 当外部待测脉冲的下降沿到来或定时器 T2 产生对时基脉冲的计数溢出时， T2 外部中断标志 EXF2 或 T2 溢出标志 TF2 置位，并向 CPU 发出中断申请信号。CPU 相应中 断后，在 T2 中断服务程序中通过软件判断是 EXF2 还是 TF2 产生的中断，并进行相应的处 理，是 EXF2 产生的中断就记录下待测脉冲下降沿的数目，若是 TF2 就记录下 T2 对时基脉 冲的溢出次数。待测频率具体的计算如下： 设闸门时间 T 内共产生了 m + 1 次 T2 外部中断（ m 个待测脉冲）及 N 次 T2 溢出中断， 且设第一个待测脉冲的下降沿到来时 T2 对时基的计数值为 l1 ， m + 1 个待测脉冲的下降沿 第 到来时 T2 对时基的计数值为 l2 ，则 T2 对时基的计数过程如下（包括 N 次 T2 溢出中断） 。 l1 L65535 → 0L65535 → 0L65535 → 0LLL0L65535 → 0Ll2 则闸门时间 T = ( l2 ? l1 + 65536 × N ) × T0 = mTx 其中 T0 为单片机时基信号周期， Tx 为待测脉冲信号周期，故被测信号频率为 fx = k ( l2 ? l1 + 65536 × N ) × mT0 （11） 其中 k 为可编程分频器相应的分频数 4 4 系统的软硬件设计 本系统采用多周期同 步 测 频 原 理 [3] ， 以 盘 AT89C52 单片机为核心， 显 利用其片内定时器/计数 示 器 T2 所特有的捕捉功能， 器 XTAL2 利用定时器 T2 的捕捉功 复位电路 RESET VSS 能及外部中断，软硬件结 GND 合完成待测信号与闸门信 图1 系统硬件组成框图 号的同步，以及待测信号 与时基信号的同时刻计数，使用一个定时器/计数器 T2 实现多周期同步测频技术，使得频率 测试仪的软硬件结构简单易于实现。系统硬件组成框图如图 1 所示，主要由放大限幅电路、 波形转换与整形电路、可编程分频器电路、单片机最小应用系统及键盘显示器电路组成。输 入的正弦波、 三角波等各种形式的小信号电压经放大限幅后， 通过波形转换电路转换为方波 信号，再利用 7414 整形为 TTL 电平信号，利用可编程分频器来扩展频率测量范围的上限， 这样将经过了放大、整形、分频后的待测脉冲送入单片机最小应用系统的 P1.1（T2 的外部 输入端 T2EX） ，通过键盘显示器电路来实现被测频率参数（频率、周期、脉宽和占空比） 的选择与动态显示。 放 大 被测信号 与 限 幅 波 形 变 换 整 形 可 编 程 待测脉冲 分 频 器 +5V VCC P1.1 XTAL1 键 软件采用自顶向下的模块化设计方法 [6] ，将 T2中断服务程序流程图 N 各个功能分成独立的模块，由系统的监控程序统 一管理执行。整个系统由初始化模块、键输入模 块(用于测量参数的选择)、信号频率测量模块、 数据处理模块、数据显示模块等组成。上电后， 首先进入系统初始化模块，在初始化子程序中完 成对定时/计数器 T2 的定时器及捕捉方式的设置， 并启动 T2。 频率测量模块由 T2 中断服务程序完成， 当外 部待测脉冲的下降沿到来或定时器 T2 产生对时基 脉冲的计数溢出时，T2 向 CPU 发出中断申请。 CPU 响应中断后， 通过软件判断是 EXF2 还使 TF2 产生的中断，并进行相应处理。T2 中断服务程序 流程图如图 2 所示。 5 结束语 本文讨论了传统频率测量方法的原理及误 差。在此基础上，对多周期同步测频技术的原理 及其误差进行了详细分析。由于多周期同步测频 技术的测量精度与被测信号的频率无关，实现了 整个测量频段内的等精度测量，消除了 M 法中对 T2外部中断？ Y T2外中断次数加1 T2溢出中断 次数加1 Y 第1个外部 脉冲下降沿？ N 第m+1个外部 脉冲下降沿？ 捕捉寄存器 内容送时基 计数单元1 Y 捕捉寄存器内容 送时基计数单元2 存外中断次数 外中断次数清零 存T2溢出次数 溢出次数清零 清TF2中断 标志 清EXF2中断标志 中断返回 图2 T2中断服务程序流程图 5 被测脉冲信号的计数量化误差 ?N x = ±1 ， 克服了 M/T 法中高低频两端精度高而中界频率附 近测量误差最大的缺陷。 本文提出了基于 AT89C52 实现多周期同步测频方法， 利用 T2 的捕 捉功能和外部中断产生与待测信号同步的闸门时间，通过 T2 的定时功能实现了时基信号与 待测信号的同步计数，使得系统只用一个定时器/计数器 T2 就实现了多周期同步测频技术， 该系统软硬件结构简单，具有较高的测量精度和较短的系统反应时间。 参考文献： 参考文献： [1] 尹克荣.智能仪表中的频率测量方法[J].长沙电力学院学报,2002, 17(1):74-76 [2] 章军,张平,于刚.多周期同步测频测量精度的提高[J].电测与仪表,2003,40(6):16-18 [3] 王连符.测频系统测量误差分析及其应用[J].中国科技信息,2005,(18A):94-94 [4] 李全利.单片机原理及应用技术[M].北京：高等教育出版社，2001 [5] 李群芳 黄建.单片微型计算机与接口技术[M].北京：电子工业出版社,2002 [6] 孙传友,孙晓斌,汉泽西等，测控系统原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002 作者简介: 作者简介: 黄晓峰(1969-),男,甘肃省甘谷县人,副教授,硕士,研究方向为检测技术及智能仪器仪表、计算机控制。 E-mail: 电话： 6
基于 MCS_51单片机的直流电机转速测控系统设计摘要： 给出了一种基于89C51单片机以及 PWM 控制思想的高精度、高稳定、多任务直流电机转速测控系 统的硬件组成及关键单元设计方法。实验结果表明该系统能实时、有效地对直流电机转速进行监测与控制， 而且输出转速精度高、稳定性好。 0 引言 目前使用的电机模拟控制电路都比较复杂，测量范围与精度不能兼顾， 且采样时间较长， 难以测得 瞬时转速。本文介绍的电机控制系统利用 PWM 控制原理， 同时结合霍尔传感器来采集电机转速， 并经 单片机检测后在显示器上显示出转速值， 而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量， 并 超限自动报警。本系统同时设置有按键操作仪表， 可用于调节电机的转速。 1 系统方案的制定 直流电机控制系统主要是以 C8051单片机为核心组成的控制系统， 本系统中的电机转速与电机两端的 电压成比例， 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比， 因此， 由 MCU 内部的可编程计数器阵列 输出 PWM 波， 以调整电机两端电压与控制波形的占空比， 从而实现调速。本系统通过霍尔传感器来实 现对直流电机转速的实时监测。系统的设计任务包括硬件和软件两大部分，其中硬件设计包括方案选定、 电路原理图设计、PCB 绘制、线路调试； 软件设计包括内存空间的分配， 直流电机控制应用程序模块的 设计， 程序调试、软件仿真等。 2 硬件设计 C8051是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片， 具有64个数字 I/O 引脚， 片内含有 VDD 监视器、 看门狗定时器和时钟振荡器， 是真正能独立工作的片上系统， 并能快捷准确地完成信号采集和调节。同 时也方便软件编程、干扰防制、以及前向通道的结构优化。 本单片机控制系统与外部连接可实时接收到外部信号， 以进行对外部设备的控制， 这种闭环系统可 以较准确的实现设计要求， 从而制定出一个合理的方案， 图1所示是电机测控系统框图。 图1 电机测控系统框图。 本系统先由单片机发出控制信号给驱动电机， 同时通过传感器检测电机的转速信号并传送给单片机， 单片机再通过软件将测速信号与给定转速进行比较， 从而决定电机转速， 同时将当前电机转速值送 LED 显示。此外， 也可以通过设置键盘来设定电机转速。系统中的转速检测装置由霍尔传感器组成， 并通过 A/D 转换将转速转换为电压信号， 再以脉冲形式传给单片机。这种设计方法具有频率响应高(响应频率达 20 kHz 以上)、输出幅值不变、抗电磁干扰能力强等特点。其中霍尔传感器输入为脉冲信号， 十分容易与 微处理器相连接， 也便于实现信号的分析处理。单片机的 T0口可对该脉冲信号进行计数。 设计时， 可通过单片机的 P0.1～P0.5 五个接口来完成键盘的输入， P1.6口可完成鸣叫和报警， P2.0 接电机， P2.1～P2.4接显示器的位选， P0口为显示器段选码， 其硬件连接电路如图2所示。 图2 硬件连接电路图。 本系统的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)原理是： 脉冲宽度调制波由一列占空比不同的矩形脉 冲构成， 其占空比与信号的瞬时采样值成比例。该系统由一个比较器和一个周期为 Ts 的锯齿波发生器组 成。脉冲信号如果大于锯齿波信号， 比较器输出正常数 A， 否则输出0。图3所示为脉冲宽度调制系统的 调制原理和波形图。 图3 脉宽调制过程。 设样本 τk 为均匀脉冲信号， 它的第 k 个矩形脉冲可以表示为： 其中， x {t} 是离散化信号； Ts 是采样周期，τ0是未调制宽度， m 是调制指数。现假设脉冲幅度为 A， 中心在 t=kTs 处， τk 在相邻脉冲间变化缓慢， 那么， 其 Xp (t) 可表示为： 其中， 为电机角速度，结合式(2) 可见， 脉冲宽度信号可由信 号 x (t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当 τ0<<> 因此， 脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。C8051单片机有2个12位的电压方式 DAC， 每个 DAC 的输出摆幅为0 V~VREF， 对应的输入码范围是0x000~0xFFF。通过交叉开关配置可将 CEX0~CEX4 配置到 P2 端口， 这样， 改变 PWM 的占空比就可以调整电机速度。 LED 显示采用动态扫描方式， 并用单片机 I/O 接口扩展输出， 再由三极管驱动各显示器的位选端并 放大电流。独立式按键采用查询方式， 按键输入均采用低有效， 上拉电阻可用于保证在按键断开使其 I/O 口为高电平。单片机的 I/O (P0.1~0.5)引脚所扩展的5个按键分别定义为： 设置、启动、移位、开始、＋1 功能。硬件电路确定以后， 电机转速控制的主要功能将依赖于软件来实现。 3 软件设计 本系统的软件程序的设计可分为5个步骤： 分别是综合分析并确定算法； 设计程序流程图；合理选择和分配内存单元以及工作寄存器； 编写程 序； 上机调试运行程序。 应用软件的设计可采用模块化结构设计， 其优点是每个模块的程序结构相对简单， 且任务明确， 易 于编写、调试和修改； 其次是程序可读性好， 对程序的修改可局部进行， 而其他部分可以保持不变， 这 样便于功能扩充和版本升级； 另外， 对于使用频繁的子程序， 可以建立子程序库， 以便于多个模块调 用； 最后是便于分工合作， 多个程序员可同时进行程序的编写和调试工作， 故可加快软件研制进度。 本程序采用8051单片机的 C 语言编程来实现。 在系统的程序设计中， 可采用模块化编程实现。 整个软件由主程序模块、转速测量模块、时钟模块、数据通信模块、动态显示模块等组成。各模块均 采用结构化程序设计思想设计， 因而具有较强的通用性； 而采用模块化程序结构则可使软件易于调试、 维护和移植。 系统软件可根据硬件电路的功能与 AT89C51各管脚的连接情况对软件进行设计。以便明确各引脚所要 完成的功能， 从而方便进行程序设计和内存地址的分配， 最终完成程序模块化设计。 本系统为直流电机测控系统。根据系统性能要求， 除复位电路外， 还应该设置一些功能键： 包括启动键、设置键、确定键、移位键、加1键等。由于本系统中的单片机还有闲置的 I/O 口线，而系 统要求所设置的按键数量也不多， 因此， 可以采用独立式按键结构。 根据直流电机控制系统的结构， 该电机转速控制系统为一简单的应用系统， 可以采用顺序的设计方 法。这种设计由主程序和若干个中断服务程序构成， 整个电机转速测控系统可分成六大模块， 每个模块 完成一定的功能。图4所示是根据电路图确定的程序设计模块图。 图4 直流电机控制软件设计模块图。 其中主程序模块主要设置主程序的起始地址、中断服务程序的起始地址、有关内存单元及相关部件的 初始化和一些子程序调用等。其主程序流程图如图5所示。 图5 主程序流程图。 对于定时器 T1 (1s) 子程序的设计，其实在单片机中，定时功能既可以由硬件(定时/计数器) 实现，也 可以通过软件定时程序来实现。软件延时程序要占用 CPU 的时间， 因而会降低 CPU 的利用率。而硬件定 时则通过单片机内的定时器来定时， 而且， 定时器启动以后可与 CPU 并行工作， 故不占用 CPU 的时间， 从而可使 CPU 具有较高的工作效率。 本系统采用硬件定时和软件定时并用的方式， 即用 T1溢出中断功能来实现10 ms 定时， 而通过软件 延时程序实现1 ms 定时。其中 T1定时器中断服务程序的功能主要实现转速值的读入、检测与缓存处理。 对于定时器 T1的计数初值计算， 由于本系统采用的是6 MHz 的时钟频率， 所以， 一个机器周期时 间是2 ?s。这样， 根据 T1定时器产生500 ?s 的定时， 便可以计算出计数初值。 本文设计的转速测控系统的工作方式寄存器 TMOD=00010000B， T1定时器以工作方式2来完成定时。 4 程序调试 程序调试可在伟福仿真软件上进行编制， 该软件支持脱机运行， 纯软件环境可模拟单步、跟踪、全 速、 断点； 源文件仿真、 汇编等， 并可支持多文件混合编程。 仿真调试后的目标程序可以固化到 EPROM， 然后用专门的程序烧写器对89C51单片机进行程序烧写。 5 结束语 本设计采用 C51进行编程， 程序占用存储器单元少， 执行速度快， 并能够准确掌握执行时间， 实 现精细控制。同时由于采用89C51为 CPU，并利用噪声抵抗能力较强的 PWM 控制技术、串行口扩展显示 器接口和 I/O 口扩展键盘， 因而可省去片外 RAM， 而且体积小， 功能全， 小巧灵活，操作方便， 又 可安装在工作现场单独工作。因而具有较大的实用价值和良好的应用前景。
文
摘
随着计算机技术的发展，传统仪器开始转向计算机化。虚拟仪器是现代计算机技术、仪器技术以及其他新技术完美结合的产物，其强大的功能已完全超出了仪器概念本身。本文首先叙述了虚拟仪器的概念、发展、组成等，接着采用图形化编程软件Labview设计了虚拟示波器以及它的虚拟频谱分析功能，重点介绍了Labview中使用第三方板卡——研华PCL-812PG实现外部模拟信号采集的方法。最后总结了本文所做的主要工作并提出了进一步研究的设想：虚拟仪器在internet网中的远程测控。
关键词:
虚拟仪器、PCL-812PG、Labview.
Abstract
With the development of computer, traditional instrument has developed into computerize instrument. Virtual Instrument is a perfect combination of modern computer technology, instrument technology and other new technology. Its strong function is beyond the instrument itself. This paper first introduce the development, concept, form of the virtual instrument, design the virtual scope, virtual-frequency-analysis instrument by using the programming software Labview, then gather the analogue signal outsides by PCL-812PG, transferred into digital signal, show in the computer. At last, this paper put forward the further research: the distance-usage of the virtual instrument in the internet.
Keywords:
Virtual Instrument、PCL-812PG、Labview.
目
录
第一章
绪论
1. 1
虚拟仪器的概述----------------------------------------------(1)
1. 2
软件开发工具的简介----------------------------------------(1)
1. 3
本文的主要工作----------------------------------------------(2)
第二章
虚拟示波器的实现
2. 1
图形化的编程语言Labview---------------------------------(3)
2. 2
虚拟示波器实时波形显示界面的实现和框图程序-----(3)
2. 3
快速傅立叶变换(FFT)和Labview分析库中的FFT VI-(6) 2. 4
虚拟频谱分析功能软面板和方框图的实现--------------(7)
第三章
声卡的作用和主要技术参数
3. 1
声卡的作用-------------------------------------------------(10)
3. 2
声卡的主要技术参数--------------------------------------(10)
3. 3
LabVIEW中相关声卡操作函数简介------------------(10)
四章 实验分析结果
4. 1
实验设备-------------------------------------------------------(14)
4. 2
实验内容-------------------------------------------------------(14)
4. 3
实验步骤-------------------------------------------------------(14)
第五章 结束语----------------------------------------------------------(16)
参考文献--------------------------------------------------------------------(17)
第一章
绪论
随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是20世纪90年代提出的新概念，是现代计算机技术，仪器技术及其他新技术完美结合的产物。虚拟仪器技术的提出与发展，是21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向。
1. 1
虚拟仪器的概述
虚拟仪器是现代技术与计算机技术结合的产物。随着计算机技术特别是计算机的快速发展，CPU处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐认识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地完成原来的功能。如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪器的所有功能模块都集中在一台计算机中了，而软件就成了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”一说的来历[1]。
所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中，可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。
虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由数据采集与控制、数据分析与处理、结果显示三部分组成。对于传统仪器，三部分几乎均由硬件完成，对于虚拟仪器，后两部分主要由软件来实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计的工作量和复杂性都大大减小。
1. 2
软件开发工具的简介
应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必需的软件工具。应用软件开发环境的选择，可以开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好、功能强大的应用程序。软件在虚拟仪器中处于重要的地位，它肩负着对数据进行分析处理的任务，如数字滤波，频谱变换等。通常在编制虚拟仪器软件时，有两种方法：一种是传统的编程方法，采用高级语言，如VC、C++，C++ Buider；另一种是采用流行的图形化编程方法，如采用NI公司的labview。这次的毕业设计我主要是采用labview编程方法，因为它是图形化的编程语言，界面形象直观，有很多按钮、控件可以直接用来表示实际的仪器。虚拟仪器系统的软件主要包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设定特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态。应用程序主要对采集来的数据信号进行分
(1)
析处理，用户可以根据编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。软面板程序用来提供与虚拟仪器的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个和传统仪器相似
的图形界面，用于显示测量和处理的结果；另一方面，用户也可以通过控制软面板上的开关和按钮，模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现对虚拟仪器系统的控制。
1. 3
本文的主要工作
数字示波器是实验、教学、科研中常用的电子仪器，可以采集信号并进行分析，但传统仪器都具有设备更新慢、功能单一、价格贵等缺点。本文主要是实现虚拟示波器的功能：从外界采样模拟信号，转化为相应的数字信号，在计算机上实现波形的显示，并能够进行简单的波形处理，比如说，可以延时采样，可以显示波形的最大值、最小值、平均值，并能够根据需要放大波形的倍数，在采样的任何时期可以结束采样。另外，还利用快速傅立叶变换实现了简单的频谱分析功能的实现。具体如下：
（1）
具有声卡采集参数设定功能；具有录音和重放功能；可以实现声音数据的采集；能够完成功率谱信号的显示与分析；
（2）
声音采集数据能够储存并根据需要调用；
（3）
具有声音信号滤波及处理功能。
（4） 基于LABVIEW的声卡虚拟示波器应具有美观实用的用户界面。
音频格式
设置
数据采集（声卡）
数据处理
波形显示
频谱分析
数 据 储 存
虚拟示波器结构框图
第二章
虚拟示波器的具体实现
2. 1
图形化的编程语言labview
labview主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域，它是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，主要是以框图形式编写程序。它与C等传统编程语言有着诸多相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序调制工具，以及层次化、模块化的编程特点。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而labview使用图形语言（即：各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序。用labview编程无须太多的编程经验，因为labview使用的都是测试工程师熟悉的术语和图标，如各种旋钮，开关，波形图等，界面直观形象。
labview是一个功能强大的集成开发环境，它完整的集成了与GPIB、VXI、RS-232和内插式数据采集卡等硬件的通讯。Labview还具有内置程序库，提供了大量的连接机制，通过DLLs、共享库、OLE等途径实现与外部程序代码的连接。使用labview开发环境，用户可以创建32位的编译程序，从而为常规的数据采集、测试等任务提供了更快的执行速度。labview是真正的编译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境而单独运行[2]。
一个labview程序包含三个主要部分：前面板、框图程序、图标/连接端口。前面板是labview程序的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是仿真真实仪器的前面板。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/连接端口用于把labview程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用，这使labview得以实现层次化，模块化编程。
2. 2
虚拟示波器的界面实现
图2-1是虚拟示波器的主界面：上半部分是波形显示部分，用于显示采集的波形，下半部分是对波形的频谱分析。
图2-1 示波器主界面的实现
采集来的信号首先要在图2-1的波形实时显示部分进行显示，即图2-2。
图2-2 波形实时显示界面
如图2-2的软面板是实时波形显示窗口，可以显示实时采样波形。右上边可以直接得到采样数据的最大值、最小值、平均值。右下边包含了放大倍数、采样延迟时间两个旋钮。通过这两个旋钮，可以调整实时波形在屏幕上的显示效果。另外，面板上还有采样结束按钮，用于结束采样。波形实时显示面板下面是一个工具面板：用X和Y按钮可以改变X、Y轴的比例。如果想让绘制的图形自动适应变化的坐标比例，可以单击每个按钮左边的锁定
(4)
开关，使其自动锁定。第二列的两个是设置X、Y轴刻度值数字表示方式的快捷方式，单击后可以对精度等特性进行设置。第三列的第一个是波形缩放工具，当用赋值工具单击它时，可弹出波形缩放方式的选择项，如图2-3所示：
各功能如下：第一个按钮是矩形缩放。选择该项后，在显示区上，按住鼠标左键可以拉出一个方框，方框内的波形将被放大。横着第二个是水平缩放按钮：波形只在水平方向上被放大，垂直方向上保持不变。第三个是垂直缩放按钮：波形只在垂直方向上被放大，水平方向上保持不变。
第二行第一个是取消缩放：取消最近的一次缩放操作。接下来的两个是连续缩放按钮。选中该项后，在显示区内按住鼠标左键，波形将以鼠标指针停留位置为中心进行连续缩放。
图2-3 工具面板的演示
(5)
2-4 实时波形的框图程序
2-4的框图中，左面是一个while循环框，图框中随机采样信号与面板上的放大倍数旋钮对应的图标相乘（板卡的驱动先不考虑），然后输入到实时波形屏幕中，接着信号流向图框外，并变成数组型数据。框图下方，设置采样延迟时间，由面板上的旋钮控制。另外还有采样结束的控制按钮。
右边循环框外是对数组信号进行处理。通过labview 6i本身提供的子程序，可以得到数据的最大值、最小值和平均值。
该虚拟示波器是单通道虚拟示波器，要想设计多通道的示波器，只需在这个基础上，在面板上加上几个屏幕显示控件，框图程序类似上图即可。当需要把信号进行其他的处理时，我们可以选择labview自带的信号处理部件，也可以把编好的C程序或是matlab程序加入到系统中，扩充系统的功能。
2. 3
快速傅立叶变换(FFT)和labview分析库中的FFT VI
从DAQ板上获得的采样信号是时域信号，这种信号给出了采样时刻信号的幅度，但是很多情况下，更想了解的是频率成分，而不是幅度值。频域表示法就表示了单个频率成分，这种表示法可以给出更多关于信号和系统的信息。
从时域的采样数据变为频域的算法，称为离散傅立叶变化（DFT）。DFT将采样信号的时域跟频域联系起来。DFT广泛应用于谱分析、应用力学、光学、医学图像、数据分析、仪器及远程通信等方面[2]。
(6)
假设从DAQ板上获得N个采样信号，对这N个样本进行DAT变换，结果仍将为N个样本，但它却是频域表示法。时域的N个样本与频域的N个样本之间的关系如下：
假设信号采样率为fs，采样间隔为t，有t=1/fs，采样信号表示为Xi，
0＜i＜N-1（即有N个样本），对这N个样本进行傅立叶变换，公式如下：
Xk=X1*e（-j2*3.1415926*0/N）+X2*e（-j2*3.1415926*1/N）+……+Xi*e[-j2*3.1415926*（N-1）/N]
注意时域跟频域中均有N个样本。同时域中的时间间隔对应的频率间隔f为：f=fs/N=1/Nt，f也称为频率分辨率，增多采样次数N或减小采样频率fs均能减小f（提高频率分辨率）。
对N个采样数据进行DFT是个非常耗时的过程，大约需要n的平方次复数运算；但如果N是2的幂，假设N=2m,对N进行DFT就只需要m*N/2次操作，大大提高了速度，这种算法叫做快速傅立叶变换（FFT），它其实就是当采样N是2的幂时，进行DFT的一种快速算法。FFT的优点在于速度快，且节省内存，这是因为当VI操作FFT时，无需额外的存储缓冲区，但它要求输入序列N必须是2的幂。而DFT速度比FFT慢得多，这是由于它需要额外的缓冲区来存储中间的结果，但是DFT对任一个序列都适用。FFT中为了使采样次数N等于2的幂，可以在输入序列末尾加0。例如：若N=10，可以在输入序列末尾加6个0，使得采样次数的总数为16（2的4次方）。
分析库中有两种VI用来计算信号的FFT，即Real FFT VI和Complex FFT VI。两者的区别在于，Real FFT对实信号进行FFT，Complex FFT对复信号进行FFT，值得注意的是，两者的输出均为复数。由于大多数信号都是实数值，因此可以用 Real FFT VI，当然也可以用Complex FFT VI，只是将虚数部分置为0。由于远程通信中的信号一般都为复数信号（实部、虚部均不为0），此时应该使用Comlex FFT VI,对复电位进行调制将产生复信号。
2. 4
虚拟频谱分析功能软面板和方框图的实现
图2－5中，按界面上的运行按钮，在显示界面上分别会显示时域波形和经过FFT以后的频域波形。
(7)
2-5
虚拟频谱分析功能软面板的实现
2-6 虚拟频谱分析功能框图的实现
(8)
图2-6中：
Arbitrary Wave
—— 用于产生一个随机的波形，
Real
FFT —— 对输入的采样数据进行FFT，
Complex To Polar —— 将FFT的复数输出分为实、虚两部分（幅值和相位），相位部分以弧度为单位，但屏幕上只显示FFT的幅值。
(9)
第三章
声卡在虚拟示波器设计与实现
1．认识声卡
随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，虚拟仪器逐渐成为现代仪器的发展方向，其中大部分虚拟仪器都是基于各种数据采集卡的，如NI公司的PCI－6221数据采集卡，研华公司PCL－1800型数据采集卡，ISA型数据采集卡AC1820。在对采样频率要求不高的情况下，可以利用计算机的声卡进行数据的输入和输出。声卡是一个非常优秀的音频信号采集系统，其数字信号处理包括模数变换器ADC（Analogue Digital Converter）和 数模变换器DAC（Digital Analogue Converter），ADC用于采集音频信号，DAC则用于重现这些数字声音。声卡已成为多媒体计算机的一个标准配置，因此基于声卡的虚拟仪器具有成本低，兼容性好，通用性和灵活性强的优点，可以不接受硬件限制，安装在多台计算机上。本文利用LabVIEW8.2中的数字声音记录节点，编程实现了基于声卡的虚拟双踪数字存储示波器，采样速率为44.1KHz，线路输入端口最高电压限制为1V，对高于1V的信号采用比例运算放大电路衰减后输入，能适合
函数信号发生器的设计与制作
系别：电子工程系 专业：应用电子技术 届：07届 姓名：李贤春
摘 要
本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。
关键词 ICL8038，波形，原理图，常用接法
一、概述
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。
二、方案论证与比较
2.1·系统功能分析
本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案：
2.2·方案论证
方案一∶采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
方案二∶采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。
方案三：采用8038单片压控函数发生器，8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz～300KHz。
三、系统工作原理与分析
3.1、ICL8038的应用
ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；改变外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为1%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比变化范围为2%～98%；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源（V+）：+10～+30V，双电源（+V）（V-）：±5V～±15V。图1-2是管脚排列图，图1-2是功能框图。8038采用DIP-14PIN封装，管脚功能如表1-1所示。
3.2、ICL8038内部框图介绍
函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示（图1-1），共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为 和 ，它们的输入电压等于电容两端的电压uC，输出电压分别控制RS触发器的S端和 端；RS触发器的状态输出端Q和 用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；充点电流Is1、Is2的大小由外接电阻决定。当Is1=Is2时，输出三角波，否则为矩尺波。两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。
3.3、内部框图工作原理
★当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的 ，输出Q=0， ；
★使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为
IS1=I
因充电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性上升。
★当上升为VCC/3时，电压比较器Ⅱ输出为高电平，此时RS触发器的 ，S=0时，Q和 保持原状态不变。
★一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的 时，Q=1时， ，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2-IS1=I因放电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性下降。
起初，uC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平，但 ，其输出不变。
★一直到uC下降到VCC/3时，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，此时 ，Q=0， ，使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。
由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，Q和 为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。
结论：改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。
3.4、方案电路工作原理（见图1-7）
当外接电容C可由两个恒流源充电和放电，电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压（指+Vcc、-VEE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节，但必须I2＞I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压UC随时间线性上升，当达到电源电压的确2/3时，电压比较器I的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2＞I1（设 I2=2I1），I2将加到C上进行反充电，相当于C由一个净电流I放电，C两端的电压UC又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变，使触发器输出为方波，经反相缓冲器由引脚9输出方波信号。C上的电压UC，上升与下降时间相等（呈三角形），经电压跟随器从引脚3输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波的两端变为平滑的正弦波，从2脚输出。
其中K1为输出频段选择波段开关，K2为输出信号选择开关，电位器W1为输出频率细调电位器，电位器W2调节方波占空比，电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真。
图1-1
3.5、两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示。
图1-4
3.6、常用接法
如图（1-2）所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。
如图（1-5）所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。
图1-5
当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，图(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为
故RA<2RB。
为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如图（1-6）所示电路，电阻20K与电位器RW2用来确定8脚的直流电压V8，通常取V8≥2/3Vcc。V8越高，Ia、Ib越小，输出频率越低，反之亦然。RW2可调节的频率范围为20HZ20~KHZ。V8还可以由7脚提供固定电位，此时输出频率f0仅有Ra、Rb及10脚电容决定，Vcc采用双对电源供电时，输出波形的直流电平为零，采用单对电源供电时，输出波形的直流电平为Vcc/2。两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。在引脚8与引脚6之间直接加输入电压调节振荡频率，最高频率与最低频率之差可达1000:1。
3.7、实际线路分析
可在输出增加一块LF35双运放，作为波形放大与阻抗变换，根据所选择的电路元器件值，本电路的输出频率范围约10HZ～20KHZ；幅度调节范围：正弦波为0～12V，三角波为0～20V，方波为0～24V。若要得到更高的频率，还可改变三档电容的值。
图1-6
表 1-1 ISL8038管脚功能
管 脚 符 号 功 能
1，12 SINADJ1，SINADJ2 正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压，
SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。
2 SINOUT 正弦波输出
3 TRIOUT 三角波输出
4，5 DFADJ1，DFADJ2 输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。
6 V+ 正电源
7 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压
8 FMIN 调频电压输入端
9 SQOUT 方波输出
10 C 外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比
11 V- 负电源端或地
13，14 NC 空脚
四、制作印刷电路板
首先，按图制作印刷电路板，注意不能有断线和短接，然后，对照原理图和印刷电路板的元件而进行元件的焊接。可根据自己的习惯并遵循合理的原则，将面板上的元器件安排好，尽量使连接线长度减少，变压器远离输出端。再通电源进行调试，调整分立元件振荡电路放大元件的工作点，使之处于放大状态，并满足振幅起振条件。仔细检查反馈条件，使之满足正反馈条件，从而满足相位起振条件。
制作完成后，应对整机进行调试。先测量电源支流电压，确保无误后，插上集成快，装好连接线。可以用示波器观察波形发出的相应变化，幅度的大小和频率可以通过示波器读出 。
五、系统测试及误差分析
5.1、测试仪器
双踪示波器 YB4325(20MHz)、万用表。
5.2、测试数据
基本波形的频率测量结果
频率/KHz
正弦波 预置 0.01 0.02 2 20 50 100
实测 0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193
方波 预置 0.01 0.02 2 20 50
实测 0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038
三角波 预置 0.01 0.02 1 2 20 100
实测 0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.0191
5.3、误差分析及改善措施
正弦波失真。调节R100K电位器RW4，可以将正弦波的失真减小到1%，若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时，在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了。
输出方波不对称，改变RW3阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RW3可使波形对称。
没有振荡。是10脚与11脚短接了，断开就可以了
产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。也有可能是因为2030功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。
5.4、调试结果分析
输出正弦波不失真频率。由于后级运放上升速率的限制，高频正弦波（f>70KHz）产生失真。输出可实现0.2V步进，峰-峰值扩展至0～26V。
图1-2
图 1−7
六、结论
通过本篇论文的设计，使我们对ICL8038的工作原理有了本质的理解，掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理。利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单，调试方便，功能完备。可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。
七、参考文献
【1】谢自美《电子线路设计.实验.测试（第三版）》武汉：华中科技大学出版社。2000年7月
【2】杨帮文《新型集成器件家用电路》北京：电子工业出版社，2002.8
【3】第二届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选编。北京：北京理工大学出版社，1997.
【4】李炎清《毕业论文写作与范例》厦门：厦门大学出版社。2006.10
【5】潭博学、苗江静《集成电路原理及应用》北京：电子工业出版社。2003.9
【6】陈梓城《家用电子电路设计与调试》北京：中国电力出版社。2006
用PLC实现智能交通控制
1 引言
据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。
智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。
比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。
2 车辆的存在与通过的检测
(1) 感应线圈(电感式传感器)
电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线(特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋)。当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图1(a)中虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅(本论文所涉及的检测工作方式)和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。
电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为 2×3m，电感约为100μH.这种传感器可检测的电感变化率在0.3％以上[1，2]。
电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑, 它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。
(2) 电路
检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器, 并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成:信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。原理框图如图2所示, 输出脉冲波形见图1(b)。
(3) 传感器的铺设
车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地(停车线处)以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，方案如图3(以典型的十子路口为例)，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。
3 用PLC实现智能交通灯控制
3.1 控制系统的组成
车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器(PLC)来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。本例选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便[3]。
利用PLC，可使上述描叙的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠。
本设计例中,PLC选用FX2N-64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。信号灯的选择:在本例中选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯(箭头方向型)。
3.2 车流量的计量
车流量的计量有多种方式:
(1) 每股行车道的车流量通过PLC分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器1(见图3)时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量(动态值)，可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。
(2) 先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。如，将东西向的(见图3)左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，再与其它的3个方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。
(3) 统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则(不影响行车安全的多道相向行驶)累加统计。如，东、西相向的2个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据(下面的例子就是按此种方式)。
以上计算判别全部由PLC完成。可以把以上不同计量判别方式编成不同的子程序，方便调用。
3.3 程序流程图
本例就上述所描述的车流量统计方式,就图3中的十字路口给出一例PLC自动调整红绿灯时长的程序流程图如图5所示，其行车顺序与现实生活中执行的一样[4]，只是时间长短不一样。
(1) 当各路口的车辆滞留量达一定值溢满时(相当于比较严重的堵车)，红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式;
(2) 当东、西向路口的车辆滞留量比南、北向路口的大时(反之亦然)，该方向的通行时间=最小通行定时时间＋自适应滞环比较增加的延时时间(是变化的)，但不大于允许的最大通行时间。其中最小定时时间是为了避免红绿灯切换过快之弊;最大通行时间是为了保障公平性，不能让其它的车或行人过分久等。进一步的说明在后面的注释中。
(3) 自适应滞环比较(本例的核心控制规律)增加的时间的确定若东、西向车辆滞留量≥南、北向一个偏差量σ(如30辆车或其它值)时，先让东、西向的左转弯车左行15s(定时控制，值可改)，再让直行车直行30s(直行时间的最小值，值可改)后再加一段延时保持，直至东、西向的车辆滞留量比南、北向的车辆滞留量还要少一个偏差量σ，才结束该方向的通行，切换到其它路上，否则一直延时继续通行下去，直至到达最大通行时间而强制切换。滞环特性如图6所示。实际应用时σ的值需整定，过小则导致红绿灯切换过频，过大又不能实现适时控制。
3.4 流程图注释
(1) 流程图中的15s、30s、75s等时间分别为交管部门定的车辆左转弯时间、直行最小时间、允许的最大通行时间;σ为车流量的偏差量。以上值及其4个路口车流量的满溢值均可在程序初始化中任意更改。
(2) 车辆左转弯是造成交通堵塞很重要的一个方面，应加以适当限制，故车辆左转弯始终采用最小定时控制，以减小系统的复杂程度，提高可靠性。
(3) 车辆通行的时间中包含绿、黄灯闪烁的时间，红、黄、绿各灯的切换与现用的方式相同，不再赘述。
(4) 人行道的红绿灯接线与现用的方式相同，其绿灯点亮的时刻与该方向车辆直行绿灯点亮的时刻同步一致，但要较车辆直行绿灯提前熄灭，采用定时控制，如绿灯定时亮18s。其目的是不让右转弯车辆过分受人行道灯的限制。若人车分流，右转弯车辆不受限制。较简单，流程图中略。
(5) 车流量的计量是不间断的，与控制呈并行关系，该系统属多任务处理，编程尤其应注意。
4 结束语
比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低，特别适合繁忙的、未立交的交通路口，更适合于四个以上的路口，也可方便连网。
参考文献
[1] 黄继昌等. 传感器工作原理及应用实例[M]. 北京:人民邮电出版社,1998.
[2 ]张万忠. 可编程控制器应用技术[M]. 北京:化学工业出版社,2001.
[3] 英R.J.索尔特. 道路交通分析与设计[M]. 张佐周等译. 北京:中国建筑工业出版社,1982.
不是很完整，您可以拿去做借鉴，
希望对您有帮助。
这是我们学校的机电系的一篇，看看行不行！
【论文摘要】
机械传动式轮胎定型硫化机横梁运动形式已知有三种，即升降翻转运动，升降平移运动，直接升降运动。三种运动都是由曲柄滑块机构实现的。由于在前两种运动中横梁必须通过一拐点，因而其滑块变异为导轮，而直接升降运动，既可使用滑块，也可使用导轮。曲柄由减速机经减速齿轮获得转。曲柄的固定支点为机架，运动支点与主连杆下端活销连接，主连杆上端与横梁端轴活销连接。曲柄转动时，经由主连杆推动横梁端轴沿既定的轨迹运动。三种运动形式中，前两种运动的轨迹基本相同，但辅助运动不同，而第三种只是前两种运动的一部分。由此，在硫化机开模到终点时，横梁处于三种不同的状态。因而适用于不同类型的硫化机。
一、升降翻转型运动
据文献介绍，升降翻转运动形式分为：间接导向的升降翻转运动；直接导向的升降翻转运动；单槽杠杆导向的升降翻转运动。其中最常用也最简单的是直接导向的升降翻转运动。单槽杠杆导向的升降翻转运动在大规格B型定型硫化机如1900B，2160B等机型上曾经使用过，但已逐渐被直接导向的升降翻转运动取代。而间接导向的升降翻转运动在国内的定型硫化机上尚未见使用。本文介绍的升降翻转型运动就是直接导向的升降翻转型运动。梁端轴外的主导轮和副连杆上的副导轮，直接讨论横梁端轴的运动。
横梁的运动轨道由一竖直开式主导槽和与其相接且夹角小于90°的开式导轨组成。为保持横梁运动的平稳性并实现横梁的自转，还有一个与开式主导槽平行的闭式副导槽。开模时，横梁端轴在开式主导槽中上升，与横梁固定连接的副连杆 下 端中心轴在闭式副导槽中同步上升，此时横梁做平动。当横梁端轴离开竖直开式主导槽进入开式导轨后，横梁端轴的运动轨迹便不再与闭式副导槽平行。此时，在主连杆和副连杆的共同作用下，横梁端轴在开式主导轨上边移动边自转。在横梁运动极限位置，主连杆两活销中心连线与曲柄支点中心连线重合。实际运动中，一般不会到达极限位置。
Φ=α+β
其中α为副连杆与横梁竖直中心线间的夹角
β=arcSin
上式中，h，l是由横梁本身结构决定的，它们也决定了α的值。由此式可知，横梁的翻转角度首先取决于其自身的结构。在其结构确定之后，与硫化机的开模长度有关。开模到极限时，其翻转角度达到最大值。
直到二十世纪末，几乎所有的B型定型硫化机都使用升降翻转运动。这是由B型硫化机的特点和它的适用范围决定的。首先，B型中心机构在装胎和卸胎时，胶囊都是完全拉直的，这使得上环升得很高。其次，早期使用的硫化机的抓胎爪都是长式的，而且当时的轮胎主要是斜交胎，其生胎高度也较大。为了将生胎顺利地装入下模，中心机构上方必须有足够的空间。使用升降翻转的运动形式，在完全开模的状态下，中心机构上方是完全敞开的，使装胎，卸胎操作十分方便。再次，我们知道，轮胎硫化后，与硫化模型间的粘着力是很大的。其值不仅与轮胎和模型间的接触面积成正比，而且随着接触面积的增大，单位面积的粘着力也随着增大。这就使得大型轮胎如载重轮胎，工程轮胎等的粘着力非常之大，从而极大地增加了脱模的难度，甚至将轮胎拉伤。为了减小粘着力，目前最常用的方法是往模型上喷洒隔离剂（硅油与水的混合液）。而要进行这种操作，只有在上模翻转一定的角度之后才便于进行。
一般地说，规格在1525以上的定型硫化机应该有自动喷洒隔离剂装置。国外企业对此比较重视，国内企业似乎不太在意。
几乎所有的轮胎定型硫化机的调模机构都使用螺纹副结构。在保持良好润滑的条件下，这种结构调整方便、可靠，承载能力也较大。但螺纹副较其它配合的间隙偏大。尤其是调模机构受硫化室高温的影响，其螺纹副的间隙较常温下使用的又偏大。硫化机开模合模时，螺蚊副由竖直状态转入接近水平状态或反过来由近水平状态转入垂直状态时，其间隙的分布是不断变化的。随着硫化机不断地开模、合模，这种间隙分布的变化周而复始地进行。很显然，它不但影响运动的平稳性，也损害了螺纹副的配合精度，进而影响上下模间，上模和中心机构间的同轴度。在使用活络模时，横梁翻转后，活络模操纵缸的活塞杆压向一侧。活塞杆与活络模的上胎侧模连接，又会影响模型的精度和寿命，还会影响活塞杆与缸的配合，甚至引起缸的泄漏。
二、升降平移型运动
采用升降平移运动形式时，横梁端轴的运动轨迹与采用升降翻转运动形式基本相同。根本区别在于，它的副导槽是一个中心线与横梁端轴中心运动轨迹完全相同的封闭式导槽。因而在横梁的整个运动过程中，其端轴中心轨迹与副连杆轴中心的轨迹完全相同。横梁保持平动。图2为其机构运动简图。
不考虑装胎机构固定在横梁前面的结构，与升降翻转型运动一样，完全开模时，中心机构上方也是完全敞开的。由于横梁没有翻转，调模机构的螺纹副始终处于竖直状态。与升降翻转型运动相比，它不但提高了运动的平稳性，而且极大地提高了开合模的重复精度，更容易保证上下模型及其与中心机构间的同轴度，也改善了模型尤其是活络模型及其操纵缸的使用条件。
到二十世纪末，如同所有的机械传动式B型定型硫化机都使用升降翻转运动一样，B型以外的所有机型，如A型、AB型、C型等，则全都采用升降平移运动。这是因为A型、AB型、C型等机型一般都只用于硫化中小型轮胎，通常不需要喷洒隔离剂。尤其对于硫化中小型子午线轮胎，使用升降平移运动在一定程度上能提高轮胎的硫化质量。
根据前面的论述，大型B型硫化机由于需要喷洒隔离剂而采用升降翻转运动是合理的。而所有的B型硫化机包括硫化小胎的1030B型硫化机也使用升降翻转运动则有些让人费解。能让人接受的解释只能是为了设备的标准化、系列化，便于管理。
三、直接升降型运动
直接升降型运动实际上只是升降翻转和升降平移运动的一部分。它借鉴液压传动式轮胎定型硫化机的运动方式，横梁只在中心机构的正上方升降。很显然，直接升降型运动较前两种运动形式更简捷，也更容易实现。同时由于横梁只在一个方向做上下运动，其运动精度也得以大大提高。
在升降翻转和升降平移运动中，曲柄绕固定支点在一定的角度范围内摆动，整个传动装置做正反转运动。而直接升降型运动，曲柄旋转一周，横梁便完成一个升降周期，传动装置无须反转。
采用直接升降型运动，横梁的最大升降高度等于两倍的曲柄长度。由于设备体度的限制，曲柄不可能做的很长，因而开模的高度就非常有限。它不适用于B型硫化机，只能用于A型、AB型、C型等硫化机中硫化乘用子午胎、轿车子午胎。
直接升降的运动形式，使机械传动式轮胎定型硫化机的精度达到一个新的高度。当前，在液压传动式轮胎定型硫化机还不普及的条件下，它可以部分地代替液压硫化机用以硫化高等级小型子午胎。
综上所述，机械传动式轮胎定型硫化机三种运动形式的应用应该这样划分：硫化大型轮胎的B型硫化机（一般为1525B以上规格），使用升降翻转运动；一般的B型硫化机，使用升降平移运动；B型以外的其它类型硫化机，尤其是用于硫化子午线轮胎的，优先采用直接升降运动，不能使用的，用升降平移运动。
随着科学技术的进步，轮胎硫化技术也将不断发展。如果能取消往上模喷洒隔离剂的工序，则可以予言，升降翻转运动将从轮胎定型硫化机的运动中消失。那时，机械传动式轮胎定型硫化机将只有升降平移和直接升降两种运动形式。所有的B型硫化机都使用升降平移运动，其它类型的硫化机则两种运动形式兼而用之。若是这样，则机械传动式轮胎定型硫化机的运动精度将会得到极大的改善
