基于dspic數(shù)字信號處理器的工頻電參數(shù)測量單元設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于dsPIC數(shù)字信號處理器的工頻電參數(shù)測量單元設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p>

3、<p>　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，家用電器和機(jī)器越來越多，都需要用到交流電。交流電的質(zhì)量與居民日常生活和工業(yè)生產(chǎn)越來越緊密，于是工頻電參數(shù)測量就應(yīng)運(yùn)而生。為了確定日常交流電的質(zhì)量，工頻電參數(shù)測量的方法也發(fā)展到了一定程度。有很多種方法測量諧波方法比如模擬濾波法、鎖相環(huán)等。本設(shè)計(jì)是用時(shí)下最流行的測量方法利用快速傅里葉變換測量信號的諧波和基波</p><p>　　隨著大規(guī)模集成電

4、路的快速發(fā)展，單片機(jī)的集成度越來越高，計(jì)算速度越來越快，功能越來越強(qiáng)。通過單片機(jī)來計(jì)算快速傅里葉變換在要就不是很高的情況已經(jīng)能夠輕松完成。本設(shè)計(jì)就是運(yùn)用微星公司開發(fā)的DSPIC單片機(jī)，因?yàn)樽詭Я薉SP引擎，大大加快計(jì)算速度?？梢詣偃芜@個(gè)項(xiàng)目。本設(shè)計(jì)對頻率、功率、功率因素、基波、諧波和諧波含量等做了測量。采樣兩個(gè)周期，采樣點(diǎn)數(shù)為256，頻率分辨率達(dá)到25Hz。該方案集成度高，擴(kuò)展功能豐富，使用升級方便等特點(diǎn)。能應(yīng)用于一般的工頻測量場合。&

5、lt;/p><p>　　關(guān)鍵詞：工頻，電參數(shù)，單片機(jī)，諧波</p><p>　　Design of dsPIC to measurement Electrical parameters of power frequency</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the high

6、speed development of social economy and the continuous improvement of living standards, At the same time more and more home appliances and machines has been used, but they also depends on Alternating Current. Alternating

7、 Current is close to daily lives and industrial production. According to the present situation Measurement of power frequency has came into being. To ensure the quality of AC, The way to measurement of power frequency is

8、 become mature. There are a lot of approach to</p><p>　　With the high speed development of large scale integrated circuit, the integration of single chip is more and more intensive. More and more fast calcul

9、ation speed and powerful. Under the normal circumstances it is easy to calculate the Fast Fourier Transform. In my design the single chip is product of microchip, it is name is dspic. Because of dsp engine in dspic, so i

10、t greatly increased the computational speed. Can be qualified for this project. The electrical parameters is : frequency, power, </p><p>　　Keywords: power frequency, electrical parameters, signal chip, harmo

11、nic </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p>

12、;<p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3工頻電參數(shù)測量技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.1 國外工頻電參數(shù)測量的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 我國工頻電參數(shù)測量的研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容和研究思路5</p><p>

13、;　　1.4.1研究思路5</p><p>　　1.4.2論文結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)7</p><p>　　2.1傅里葉變換7</p><p>　　2.1.1傅里葉變換歷史和現(xiàn)在的應(yīng)用7</p><p>　　2.1.2 快速傅里葉變換的理論7</p><p>

14、;　　2.2 快速傅里葉變換軟件實(shí)現(xiàn)10</p><p>　　3Dspic數(shù)字信號控制器介紹13</p><p>　　3.1 Dspic數(shù)字信號控制器的概述13</p><p>　　3.2 使用的內(nèi)部資源14</p><p>　　3.2.1 12AD轉(zhuǎn)換器14</p><p>　　3.2.2 DMA控制器1

15、5</p><p>　　3.3.3 輸入捕捉16</p><p>　　4模擬前級輸入電路18</p><p>　　4.1 總體設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.2 各個(gè)電路介紹18</p><p>　　4.2.1 基準(zhǔn)電路18</p><p>　　4.2.2 過零比較電路19<

16、/p><p>　　4.2.3 比較抬升電路20</p><p>　　4.2.4 門電路20</p><p>　　4.2.5 移相電路22</p><p>　　4.2.6 電源23</p><p>　　5設(shè)備方案與總體設(shè)計(jì)25</p><p>　　5.1總體方案框圖25</p>

17、<p>　　5.2 程序流程介紹26</p><p><b>　　7總結(jié)與展望27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄29</b></p>

18、<p>　　附錄圖1 模擬前級輸入原理圖29</p><p>　　附錄圖2 模擬前級輸入PCB版圖29</p><p>　　附錄圖3 模擬前級輸入實(shí)物圖30</p><p>　　附錄圖4 DSPIC最小系統(tǒng)原理圖30</p><p>　　附錄圖5 DSPIC最小系統(tǒng)PCB版圖31</p><p>　

19、　附錄圖6 DSPIC最小系統(tǒng)實(shí)物圖31</p><p>　　附錄圖7 整體實(shí)物圖32</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　自從1894年，尼古拉．特斯拉發(fā)明交流電以來。由于其能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電，和相對于直流電的獨(dú)

20、特優(yōu)勢。就是它能夠利用建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的交流發(fā)電機(jī)可以很經(jīng)濟(jì)方便的把機(jī)械能、化學(xué)能等其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能。</p><p>　　近百年來交流電得到了廣泛的應(yīng)用，不論從人們的日常生活中，還是在工業(yè)的生產(chǎn)中都離不開交流電。比如說家里用的電燈、電視機(jī)和各種各樣的家電都離不開交流電。工業(yè)中則交流電主要用于大型的電機(jī)和電熱系統(tǒng)。交流電根據(jù)各個(gè)國家的情況不同也會有所不同。但是基本上可以分為60Hz、50Hz，38

21、0/220V、200/115V。我畢業(yè)設(shè)計(jì)中所說的工頻就指的是60Hz或50Hz的交流電。交流電可以說是19世紀(jì)最偉大的發(fā)明。</p><p>　　近十多年來數(shù)字信號處理技術(shù)同計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路一樣，有了日新月異的發(fā)展。由于它本身的一系列優(yōu)點(diǎn)，所以在能有效地促進(jìn)各個(gè)工程技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)改造和科學(xué)發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也更加深入、廣泛，越來越受到人們的重視。</p><p>　　在數(shù)字信號處理中，

22、離散傅里葉變換（DFT）是一種常用的方法。它在各個(gè)工程和領(lǐng)域中扮演著重要角色。傅里葉變換已經(jīng)有一邊多年的歷史。雖然傅里葉變換也有著本身的局限性。但是它能夠把信號從時(shí)域變換到頻域，我們知道頻域分析往往比時(shí)域分析更直觀、更優(yōu)越，不僅僅是因?yàn)樗念l域看起來和分析起來簡單。更因?yàn)橐子诜治鰪?fù)雜信號。學(xué)過數(shù)字信號處理的都知道，DFT(Discrete Fourier Transform)的計(jì)算量，根據(jù)點(diǎn)數(shù)的增加幾乎是稱指數(shù)遞增。需要花很長的時(shí)間或者

23、需要大規(guī)模的芯片來支持。即用DFT在工程中進(jìn)行信號的分析在FFT沒有出現(xiàn)以前是不切實(shí)際的。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　對工頻的電參數(shù)進(jìn)行測量是非常有必要的。其中包括：峰峰值、有效值、功率、功率因素、基波、諧波含量。在企業(yè)和工廠中功率、功率因素是兩個(gè)非常重要的電參數(shù)。但是隨著數(shù)字信號處理和各種科技的不斷發(fā)展，在生產(chǎn)和生活中

24、人們對電的要求也越來越高。這樣，基波、諧波含量也就越來越受到人們的重視。</p><p>　　功率：即單位時(shí)間內(nèi)做功的快慢。在工業(yè)生產(chǎn)中，首先考慮的往往是功率的大小，比如說空調(diào)功率、電機(jī)的功率。這些值往往表示了一個(gè)電器它的能力的大小。功率大能力大，功率小能力自然就小。選擇多少功率的電器，要根據(jù)實(shí)際情況來決定，小了大了，都不好。</p><p>　　功率因素：在交流電中，電壓與電流之間的相位

25、差的余弦叫做功率因素。這是一個(gè)非常重要的電參數(shù)。我們知道功率分為有功功率和無功功率。有功功率即真正的轉(zhuǎn)化為熱能、機(jī)械能、光能或化學(xué)能等。但是有些做功是需要的條件，一般是一些感性負(fù)載，電動機(jī)、變壓器、日光燈及電弧爐等。比如電動機(jī)，這需要通過電磁感應(yīng)的逆變換來產(chǎn)生，如今一般電機(jī)里面的磁場都是電磁場，但是這些電磁場本身并不做功，只是為做功提供必要的條件。但是也會消耗電能。這些電感性的設(shè)備在運(yùn)行過程中不僅需要向電力系統(tǒng)吸收有功功率，還同時(shí)吸收無

26、功功率。這些多出的無功功率同樣會造成電能在輸送過程中造成電能損耗。這是我們不想看到的，所以測量功率因素和使功率因素盡可能大那是非常有必要的。</p><p>　　基波和諧波含量：在復(fù)雜的周期性振蕩中，包含基波和諧波。和該振蕩最長周期相等的正弦波分量稱為基波。相應(yīng)于這個(gè)周期的頻率稱為基本頻率。頻率等于基本屁股率的整數(shù)倍的正弦波分量稱為諧波。在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所導(dǎo)致的。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，于

27、所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波使電能的產(chǎn)生、傳輸和利用率降低，使電器設(shè)備過熱、產(chǎn)生振蕩和噪聲。并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至造成故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，是諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀，諧波還會引起機(jī)電保護(hù)和自動裝置誤操作，是電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，他使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡

28、化。</p><p>　　1.3工頻電參數(shù)測量技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 國外工頻電參數(shù)測量的研究現(xiàn)狀</p><p>　　諧波測量伴隨著交流電系統(tǒng)發(fā)展的全過程，誕生了很多種測量諧波的方法。最早的諧波測量是采用伯尼濾波器實(shí)現(xiàn)的。具體方法是輸入信號放大后送入一組并行聯(lián)結(jié)的常通濾波器，每個(gè)濾波器的中心頻率都不一樣，不過都是固定的，為工頻的整數(shù)倍。

29、出來的結(jié)果然后送至顯示器顯示出測量中所含諧波成分及其幅值。雖然這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，輸出阻抗低，品質(zhì)因素易于控制。但是，誤差很大，而且實(shí)時(shí)性不好。濾波器設(shè)計(jì)是中心頻率對電路元件參數(shù)十分敏感，隨著器件的老化，檢測效果有明顯變差，難以獲得理想的扶貧和相頻特性[1]。</p><p>　　圖1-1模擬濾波器諧波檢測設(shè)計(jì)方案</p><p>　　利用傅里葉變換來分析諧波使當(dāng)今應(yīng)用最多也是最

30、廣的一種方法。隨著集成電路、和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展。更重要的是FFT（Fast Fourier Transformation ）的出現(xiàn)，使原來運(yùn)算量龐大的DFT（Digital Fourier Transformation）變成可能。這種方法，準(zhǔn)確度較高，功能多，使用方便。缺點(diǎn)是雖然FFT大大縮短了計(jì)算時(shí)間，但是計(jì)算時(shí)間還是較長。實(shí)時(shí)性不是很好。以現(xiàn)在的DSP和用硬件做的FPGA來實(shí)現(xiàn)FFT已經(jīng)是非常快了，實(shí)時(shí)性可以做的很高。<

31、;/p><p>　　設(shè)x（n）為N點(diǎn)有限長序列，其DFT為</p><p>　　一般來說,x(n)和 錯(cuò)誤!未找到引用源。都是復(fù)數(shù)，X（k）也是復(fù)數(shù)。</p><p>　　另外在采用過程中，當(dāng)信號頻率和采樣頻率不一致時(shí)，會產(chǎn)生頻率的泄漏和柵欄效應(yīng)，使測量結(jié)果不準(zhǔn)確，尤其是相位誤差很大。減少頻率泄漏的方法有3中</p><p><b>

32、　　數(shù)字式鎖相器法</b></p><p>　　這種方法是通過鎖相環(huán)原理來減少快速傅里葉變換當(dāng)中的柵欄效應(yīng)和頻率泄漏</p><p>　　圖1-1頻率同步數(shù)字鎖相框圖</p><p><b>　　修正理想采樣頻率法</b></p><p>　　就是首先測量，采樣信號的頻率，然后知道了采樣信號的頻率之后。算出需

33、要用多少頻率去采樣。這樣在某種程序上可以減少頻率泄漏。</p><p><b>　　加窗插值法</b></p><p>　　該方法主要是對沒一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行修正。從而達(dá)到理想頻率的采樣值。常見的窗函數(shù)有：海明窗、漢寧窗等。這種方法計(jì)算量少。可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。但是頻率泄漏最多只能減少50%[2]。</p><p>　　1974年，法國信號處理工程師J.M

34、orlet提出了小波變換。傅里葉變換很好，但是也</p><p>　　他的局限性。它在分析非穩(wěn)態(tài)信號，比如說上電時(shí)突然的跳變等是分析不出來的。小波變換是針對傅里葉分析方法在分析非穩(wěn)態(tài)信號方面局限性形成和發(fā)展起來的一種十分有效的時(shí)頻分析工具。在某種程度上，小波變換克服了傅里葉變換在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無局部性的缺點(diǎn)，對波動諧波、快速變化諧波的檢測有很大優(yōu)越性。但是小波變換雖然是根據(jù)傅里葉變換而提出的一種新的理

35、論，被稱為數(shù)學(xué)顯微鏡。但是小波變換并不能完全取代傅里葉變換，因?yàn)樾〔ㄗ儞Q在穩(wěn)態(tài)諧波測量方面并不具備理論優(yōu)勢[3]。</p><p>　　現(xiàn)在有了更多的諧波測量方法：</p><p>　　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測量方法</p><p>　　基于Pisarenko法和Music法的諧波測量方法</p><p>　　基于虛擬磁勢法的諧波測量方法<

36、/p><p>　　基于Kalman綠波、遺傳算法、模擬退火算法的諧波測量方法</p><p>　　1.3.2 我國工頻電參數(shù)測量的研究現(xiàn)狀</p><p>　　在我國，早期的時(shí)候也是通過模擬電路的測量方法，通過好幾個(gè)并聯(lián)的濾波器，使中心頻率在諧波的頻率上，來測量諧波含量的大小。這種方法畢竟有很多局限性。</p><p>　　80年代，我國電網(wǎng)主要

37、是通過電能質(zhì)量監(jiān)測儀器來監(jiān)測線路中的諧波畸變頻率以及各次諧波含量，為監(jiān)控電能質(zhì)量服務(wù)。</p><p>　　伴隨著，集成電路和數(shù)字信號處理理論的不斷發(fā)展。我國也漸漸開始通過DSP等數(shù)字信號處理能力強(qiáng)的芯片。來進(jìn)行對信號采集后做快速傅里葉變換。還可以通過用FPGA來做一個(gè)高點(diǎn)數(shù)的快速傅里葉變換。</p><p>　　如今隨著IC工藝的不斷提高，集成度大大加擴(kuò)大。世界上一些做IC很強(qiáng)的公司，比

38、如說：德州儀器、microchip等。紛紛推出了自己的電能計(jì)量芯片。其中包括了頻率、峰峰值、有效值、基波和諧波等電參數(shù)。但是諧波的精度和次數(shù)并不是很多。但這些芯片滿足民用是沒有問題的。所以在各大電能計(jì)量表中，都可以看到計(jì)量芯片的使用。</p><p>　　現(xiàn)在我國飛速發(fā)展，也是個(gè)用電大國，為了減少諧波帶來的危害，實(shí)時(shí)監(jiān)測是一個(gè)非常重要的任務(wù)。各大院校和公司都在研發(fā)新一代的諧波測量方法。</p>&l

39、t;p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容和研究思路</p><p><b>　　1.4.1研究思路</b></p><p>　　本文通過研究目前工頻電參數(shù)測量最普遍的方法。那就是通過信號的采集，然后通過快速傅里葉變換。因?yàn)楣ゎl信號是50Hz，周期時(shí)間是20ms。我這里是進(jìn)行2個(gè)周期的采樣再算一次傅里葉變換。也就是40ms。這里我用的方法是上面講的，修正理想采樣頻率來

40、減少快速傅里葉變換的柵欄效應(yīng)和頻率泄漏。我用的單片機(jī)是microchip公司的Dspic。里面內(nèi)嵌了17*17的乘法器、一個(gè)40位ALU、兩個(gè)40位飽和和累加器和一個(gè)40為雙向桶形移位器。這段時(shí)間足夠算快速傅里葉變換。研究的具體內(nèi)容如下：</p><p>　　收集相關(guān)信息，了解時(shí)下工頻電參數(shù)測量的背景及發(fā)展?fàn)顩r。研究現(xiàn)在主流的工頻電參數(shù)測量的方法。然后根據(jù)自己的現(xiàn)有的材料和自己理論知識的功底。確定整個(gè)工頻電參數(shù)測

41、量系統(tǒng)的組成部分及各個(gè)部分的功能及用途。</p><p>　　為了測量信號的基波和諧波含量，這里就必須用到快速傅里葉變換。在課堂上，老師和課本只是從數(shù)學(xué)理論的高度給我們解釋了，什么是快速傅里葉變換和它的一些用圖。但是要把近代的數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到實(shí)際生活還是需要從新溫故快速傅里葉變換的方法。理解傅里葉變換的具體過程，用軟件寫出整個(gè)過程。還需要理解傅里葉變換的物理意義，從結(jié)果中提取出基波和諧波的幅值 。</p>

42、;<p>　　在處理數(shù)字信號的時(shí)候，我們一般選擇用數(shù)字信號處理器件（DSP），由于我這里還需要驅(qū)動一塊大屏幕的液晶顯示器。同時(shí)又要處理大量數(shù)據(jù)。Microchip公司新推出的Dspic系列單片機(jī)，里面內(nèi)嵌了功能強(qiáng)大的Dsp處理單元。完全可以滿足我的控制和實(shí)時(shí)信號處理的要求。根據(jù)我需要完成的功能，去學(xué)習(xí)Dspic的用法，和它需要用的編譯環(huán)境，還有學(xué)習(xí)它需要用到的各個(gè)外設(shè)的用法。</p><p>　　因

43、為輸入的信號是交流信號，也就是帶正負(fù)，但是單片機(jī)的AD輸入端口只能輸入正信號，這里就必須設(shè)計(jì)一個(gè)自抬電路升高電壓。同時(shí)為了測出信號的頻率，可以把原始信號通過一個(gè)過零比較電路，來得到一個(gè)方波信號，然后再輸入單片機(jī)的輸入捕捉端口，通過測量一個(gè)周期內(nèi)定時(shí)器的個(gè)數(shù)，測得信號的頻率。</p><p>　　信號采樣處理之后需要把數(shù)據(jù)顯示出來。這就必須用到液晶顯示器。通過學(xué)期液晶顯示器的用法把數(shù)據(jù)顯示出來。</p>

44、<p>　　設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件平臺，畫好PCB，編寫各模塊的測試驅(qū)動程序，給出流程圖和部分程序。</p><p>　　對本文工作做出總結(jié)，提出存在的問題及展望。</p><p><b>　　1.4.2論文結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　全文的結(jié)構(gòu)如下：</b></p><p>

45、;　　第一章 緒論。本章主要介紹工頻電參數(shù)測量以及這些參數(shù)的重要的意義的相關(guān)背景。首先討論了交流電的由來后，電參數(shù)有哪些和我們?yōu)槭裁匆獙@些電參數(shù)進(jìn)行測量。接下來具體介紹了這些電參數(shù)的物理意義和在生產(chǎn)生活中的影響。最后著重介紹了諧波的測量歷史，和現(xiàn)代諧波測量的各種方法，詳細(xì)介紹了利用快速傅里葉變換求諧波的方法。</p><p>　　第二章 快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)。本章主要從快速傅里葉變換的理論出發(fā)。從傅里葉變換的最初

46、用途和歷史，并從數(shù)學(xué)理論上講述傅里葉變換在當(dāng)今數(shù)字信號處理中的重要地位。并溫故之前的理論知識，提出在單片機(jī)上可行的快速傅里葉變換的c語言程序，寫出程序，并介紹程序中的重要步驟。</p><p>　　第三章 Dspic數(shù)字信號控制器介紹。本章首先介紹了Dspic這款單片機(jī)的一些基礎(chǔ)知識。然后著重介紹我在畢業(yè)設(shè)計(jì)中需要用到的一些內(nèi)部資源。最后畫出最小系統(tǒng)的原理圖，然后制成PCB板。</p><p&

47、gt;　　第四章 模擬前級輸入電路。本章主要介紹信號輸入時(shí)為了測出各種的電參數(shù)，模擬前級的電路。把各個(gè)電路分開來進(jìn)行著重介紹。同時(shí)簡單介紹了液晶顯示器的內(nèi)部構(gòu)架和它的用法。</p><p>　　第五章 設(shè)備方案與總體設(shè)計(jì)。本章主要介紹了，把模擬前級、單片機(jī)和液晶輸出夠成一個(gè)系統(tǒng)，然后主要討論了，程序的流程。</p><p>　　第六章 計(jì)算結(jié)果和校對。根據(jù)輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校對和分析。<

48、/p><p>　　第七章 總結(jié)與展望。本章是對本文所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，說明了系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足。</p><p>　　2快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　2.1傅里葉變換</b></p><p>　　2.1.1傅里葉變換歷史和現(xiàn)在的應(yīng)用</p><p>　　傅里葉分析的研究與應(yīng)用至今已經(jīng)

49、經(jīng)歷了一百余年。1822年法國數(shù)學(xué)家傅里葉（J.Fourier，1768-1830）在研究熱傳導(dǎo)理論時(shí)發(fā)表了“熱的分析理論”著作，提出并證明了將周期函數(shù)展開為正弦級數(shù)的原理，奠定了傅里葉級數(shù)的理論基礎(chǔ)。其后，泊松（Poisson）、高斯（Gauss）等人把這一成果應(yīng)用到電學(xué)中去。</p><p>　　20世紀(jì)70年代以來，隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展，人們對傅里葉變換的研究產(chǎn)生了興趣，它為通信、數(shù)字信號處理

50、等技術(shù)領(lǐng)域的研究提供了多種途徑和手段。雖然人們認(rèn)識到傅里葉分析絕不是信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中唯一的變換方法，但也不得不承認(rèn)，在此領(lǐng)域中，傅里葉分析始終有著極其廣泛的應(yīng)用，和研究其他變換方法的基礎(chǔ)。</p><p>　　在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，本來傅里葉變換是沒什么地位。因?yàn)樗枰幚淼臄?shù)據(jù)量是在是太大了，后來出現(xiàn)了所的“快速傅里葉變換”，使得它這一數(shù)學(xué)工具賦予了新的生命力。而且，這十多年來數(shù)字計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路技術(shù)

51、突飛猛進(jìn)。傅里葉變換有了更多的發(fā)揮的空間[4]。</p><p>　　2.1.2 快速傅里葉變換的理論</p><p>　　在數(shù)字信號處理中，離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform,DFT）是常用的變換方法。</p><p>　　設(shè)x（n）為N點(diǎn)有限長序列，其DFT為</p><p>　　反變換（IDFT）為&l

52、t;/p><p>　　兩者的差別只在于 錯(cuò)誤!未找到引用源。的指數(shù)不同，以及插一個(gè)常數(shù)因子 錯(cuò)誤!未找到引用源。，因而下面我們只要討論DFT正變換（2-1）式的計(jì)算量。（2-2）式計(jì)算量是完全相同的。</p><p>　　一般來說，x(n）和 錯(cuò)誤!未找到引用源。都是復(fù)數(shù)，X(k）也是復(fù)數(shù)，因此每計(jì)算一個(gè)X(k)值，需要N次復(fù)數(shù)乘法以及(N-1)次復(fù)數(shù)加法。而X(k)一共有N個(gè)點(diǎn)（k從0取到N

53、-1）,所以完成整個(gè)DFT運(yùn)算總共需要 錯(cuò)誤!未找到引用源。次復(fù)數(shù)乘法及N(N-1)次復(fù)數(shù)加法。我們知道復(fù)數(shù)運(yùn)算實(shí)際上是由實(shí)數(shù)運(yùn)算來完成的，(4-1)式可寫成</p><p>　　由此式可見，一次復(fù)數(shù)乘法需要用四次實(shí)數(shù)乘法和二次實(shí)數(shù)加法；一次復(fù)數(shù)加法則需二次實(shí)數(shù)加法。因而每運(yùn)算一個(gè)X(k)需要4N次實(shí)數(shù)乘法及2N+2(N-1)=2(2N-1)次實(shí)數(shù)加法。所以整個(gè)DFT運(yùn)算總共需要4 錯(cuò)誤!未找到引用源。次實(shí)數(shù)乘法

54、和N×2(2N-1) = 2N(2N-1)次實(shí)數(shù)加法。</p><p>　　下面討論減少運(yùn)算工作量的途徑。仔細(xì)觀察DFT的運(yùn)算就可以看出，利用系數(shù) 錯(cuò)誤!未找到引用源。的一下固有特性，就可以減小DFT的運(yùn)算量：</p><p>　　錯(cuò)誤!未找到引用源。的共軛對稱性</p><p>　　錯(cuò)誤!未找到引用源。的周期性</p><p>　

55、　錯(cuò)誤!未找到引用源。的可約性</p><p><b>　　由此可得出</b></p><p>　　這樣，（1）利用這些特性，使DFT運(yùn)算中有些項(xiàng)可以合并；（2）利用 錯(cuò)誤!未找到引用源。的對稱性、周期性和可約性，可以將長序列的DFT分解為短序列的DFT[5]。</p><p>　　圖2-1 8點(diǎn)基-2FFT算法</p>&

56、lt;p>　　上面這張圖是，按時(shí)間抽選（DIT）的8點(diǎn)基-2FFT算法。由此流程圖可見，當(dāng) 錯(cuò)誤!未找到引用源。時(shí)，共有L級蝶形，每級都由N/2個(gè)蝶形運(yùn)算組成，每個(gè)蝶形有一次復(fù)數(shù)乘、二次復(fù)加，因而每級運(yùn)算都需要N/2次復(fù)數(shù)和N次復(fù)加，這樣L級運(yùn)算總需要</p><p>　　復(fù)乘數(shù) 錯(cuò)誤!未找到引用源。</p><p>　　復(fù)加數(shù) 錯(cuò)誤!未找到引用

57、源。</p><p>　　直接計(jì)算DFT與FFT算法的計(jì)算量之比較為</p><p>　　圖2-2 DFT與FFT的運(yùn)算量之比</p><p>　　2.2 快速傅里葉變換軟件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　經(jīng)過上面的分析，并通過圖2-1，大家可以看到要解決快速傅里葉變換的計(jì)算問題，我們需要解決三件事情。首先，從圖上可以看出，輸入數(shù)據(jù)必須是倒位

58、序存儲，這樣輸出來的結(jié)果才是正常序列輸出。如果輸入的是正常序列那么輸出的必然是倒位序列，所以說倒位序列是必須處理的。我們以128點(diǎn)的快速傅里葉變換為例：</p><p>　　Int b0=b1=b2=b3=b4=b5=b6=0;</p><p>　　b0=i&0x01; b1=(i/2)&0x01; b2=(i/4)&0x01;b3=(i/8)&0x01;

59、b4=(i/16)&0x01; b5=(i/32)&0x01; b6=(i/64)&0x01;</p><p>　　invert_pos = x0*64+x1*32+x2*16+x3*8+x4*4+x5*2+x6;</p><p>　　大家可以對比教科書上的倒位序程序，會發(fā)現(xiàn)這種算法充分利用了C語言的位操作能力，非常容易理解而且位操作的速度很快。經(jīng)過這樣一部簡單的計(jì)

60、算，倒位序列算是完成了。這是用c語言的軟件實(shí)現(xiàn)方法。有些DSP是內(nèi)部有硬件的倒位序模塊，能很快的把數(shù)據(jù)變成倒位序，大大節(jié)省時(shí)間。</p><p>　　第二個(gè)要解決的問題就是蝶形運(yùn)算。大家從圖上可以看出，并可以想象的到。無論多少點(diǎn)的快速傅里葉變換，它都是由蝶形運(yùn)算構(gòu)成的。除了蝶形運(yùn)算它就沒有其他的運(yùn)算了。所以說，只要解決了蝶形運(yùn)算，那么快速傅里葉變換也就好辦了[6]。</p><p>　　圖

61、2-3 單個(gè)蝶形運(yùn)算</p><p>　　根據(jù)此圖，蝶形公式：</p><p>　　X(K) = X’(K) + X’(K+B)W PN （2-3）</p><p>　　X(K+B) = X’(K) - X’(K+B) W PN （2-4）</p><p>　　其

62、中W PN= cos（2πP/N）- jsin（2πP/N） （2-5）</p><p>　　大家都知道，這些參與運(yùn)算的量都是復(fù)數(shù)，所以設(shè)</p><p>　　X(K+B) = XR(K+B) + jXI(K+B)（2-6）</p><p>　　X(K) = XR(K) + jXI(K)

63、 （2-7）</p><p>　　把（2-5）、（2-6）、（2-7）代入（2-3）、（2-4）得：</p><p>　　XR(K)+jXI(K)= XR’(K)+jXI’(K)+[ XR’(K+B) + jXI’(K+B)]*[ cos（2πP/N）-jsin（2πP/N）]</p><p>　　XR(K+B)+jX

64、I(K+B)= XR’(K)+jXI’(K)- [ XR’(K+B)+jXI’(K+B)] *[ cos（2πP/N）-jsin（2πP/N）]</p><p>　　繼續(xù)分解得到下列四個(gè)式子:</p><p>　　XR(K)= XR’(K)+ XR’(K+B) cos（2πP/N）+ XI’(K+B) sin (2πP/N) （1）</p><p>　　XI(K)

65、= XI’(K)-XR’(K+B) sin（2πP/N）+XI’(K+B)cos (2πP/N) （2）</p><p>　　XR(K+B)= XR’(K)-XR’(K+B) cos（2πP/N）- XI’(K+B) sin (2πP/N) （3）</p><p>　　XI(K+B)= XI’(K)+ XR’(K+B) sin（2πP/N）- XI’(K+B) cos (2πP/N)

66、 （4）</p><p>　　這四個(gè)公式在程序執(zhí)行時(shí)是順序執(zhí)行的，所以：</p><p>　?。?）、（4）中的XR’(K)和 XI’(K)分別用TR和TI代替。經(jīng)過式（3）后， XR(K+B)的值已變化，也同樣需要保存。這樣蝶形運(yùn)算算是分析完畢了。</p><p>　　第三個(gè)需要解決的問題就是蝶形運(yùn)算順序，只要把所有的蝶形運(yùn)算完畢，那么整個(gè)快速傅里葉變換也結(jié)束了

67、。接下來介紹蝶形運(yùn)算的順序。</p><p>　　現(xiàn)在世界上最流行的快速傅里葉變換，控制蝶形運(yùn)算順序的方法就是經(jīng)典的三層循環(huán)。</p><p>　　第一層：由于N=2m需要m級計(jì)算,第一層循環(huán)對運(yùn)算的級數(shù)進(jìn)行控制。</p><p>　　第二層：由于第L級有2L-1個(gè)蝶形因子（乘數(shù)），第二層循環(huán)根據(jù)乘數(shù)進(jìn)行控制，保證對于每一個(gè)蝶形因子第三層循環(huán)要執(zhí)行一次，這樣，第三層

68、循環(huán)在第二層循環(huán)控制下，每一級要進(jìn)行2L-1次循環(huán)計(jì)算。</p><p>　　第三層：由于第L級共有N/2L個(gè)群，并且同一級內(nèi)不同群的乘數(shù)分布相同，當(dāng)?shù)诙友h(huán)確定某一乘數(shù)后，第三層循環(huán)要將本級中每個(gè)群中具有這一乘數(shù)的蝶形計(jì)算一次，即第三層循環(huán)每執(zhí)行完一次要進(jìn)行N/2L個(gè)碟形計(jì)算。</p><p>　　根據(jù)上面的講述，我們可以看到。在第L級中，每個(gè)碟形的兩個(gè)輸入端相距b=2L-1個(gè)點(diǎn)。同一

69、乘數(shù)對應(yīng)著相鄰間隔為2L個(gè)點(diǎn)的N/2L個(gè)碟形。第L級的2L-1個(gè)碟形因子WPN 中的P，可表示為p = j*2m-L，其中j = 0，1，2，...，（2L-1-1）。</p><p>　　寫出三層循環(huán)。下面的是8點(diǎn)的三層循環(huán)[7]。</p><p>　　For(L=1;L<=3;L++)</p><p><b>　　{</b></

70、p><p>　　B=2^(L-1);</p><p>　　FOR(J=0;J<=B-1;J++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P=2^(3-L);</p><p><b>　　P=P*J;</b></p><p>　　

71、FOR(K=J;K<=8;K=K+2*B)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　蝶形運(yùn)算 </b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>

72、;<b>　　} </b></p><p>　　這樣用c語言實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換整個(gè)都完成了。Matlab仿真結(jié)果[8]：</p><p><b>　　輸入波形：</b></p><p>　　圖2-4 matlab模擬輸入波形數(shù)據(jù)</p><p><b>　　輸出頻譜圖：</b&

73、gt;</p><p>　　圖2-4 matlab模擬輸出波形數(shù)據(jù)</p><p>　　3 Dspic數(shù)字信號控制器介紹</p><p>　　3.1 Dspic數(shù)字信號控制器的概述</p><p>　　dsPIC33F系列的CPU采用了改良型哈佛構(gòu)架，其數(shù)據(jù)總線和程序總線是獨(dú)立的，這樣有效地消除了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。說它是改良型哈佛結(jié)構(gòu)，主

74、要在于：數(shù)據(jù)總線寬度為16位，程序總線寬度為24位；程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)也可以交換數(shù)據(jù)等。同時(shí)該芯片包含了強(qiáng)大的DSP引擎支持，擁有一個(gè)增強(qiáng)功能的指令，為數(shù)字信號處理提供了硬件支持。由于CPU擁有24位寬度的程序指令字，指令字帶有長度可變的操作碼字段。程序計(jì)數(shù)器（PC）的長度為23位，其最低位強(qiáng)制為0，因此可以尋址高達(dá)4M×24位的用戶程序存儲空間。單周期指令和預(yù)取機(jī)制可以提供大量的吞吐量。除了改變程序流的指令和表操作指令外，所有指

75、令都在單個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行。</p><p>　　dsPIC33F系列DSC擁有16個(gè)16位長度的工作寄存器堆。每個(gè)工作寄存器都可以充當(dāng)數(shù)據(jù)、地址或地址偏移寄存器（指針）。</p><p>　　dsPIC33F指令集有兩類指令：MCU類指令和DSP類指令。這兩類指令無縫地集成到CPU架構(gòu)中并從同一個(gè)執(zhí)行單元開始執(zhí)行。指令集包括很多尋址模式，并專門針對C編譯器進(jìn)行了優(yōu)化，這樣一來用戶使用c語言編譯

76、器的時(shí)候就可以達(dá)到最佳的代碼效率。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍為64KB，并可以被分成兩個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，即X數(shù)據(jù)區(qū)和Y數(shù)據(jù)區(qū)。每個(gè)存儲器區(qū)有各自獨(dú)立的地址發(fā)生單元。</p><p>　　尋址方式多樣，包括固有尋址、相對尋址、立即尋址、存儲器直接尋址、寄存器直接尋址和寄存器間接尋址、</p><p>　　最重要的是里面內(nèi)嵌了一個(gè)DSP處理引擎。大大加快了數(shù)據(jù)處

77、理的速度。DSP引擎擁有一個(gè)高速17×17位乘法器、一個(gè)40位ALU、兩個(gè)40位飽和累加器和一個(gè)40位桶形移位器。該桶形移位器在單個(gè)周期內(nèi)至多可將一個(gè)40位的值右移15位或左移16位。DSP指令可以無縫地與所有其他指令一起操作，具有最佳的實(shí)時(shí)性能，方便、直接、快速。</p><p>　　dsPIC33F系列具有完善的中斷系統(tǒng)。支持多達(dá)8個(gè)非屏蔽中斷入口和54個(gè)常規(guī)中斷入口。非屏蔽中斷的引入可以增強(qiáng)系統(tǒng)的

78、可靠性，加快MCU處理極端情況的響應(yīng)時(shí)間。對于常規(guī)中斷，MCU可以為每個(gè)中斷源分配7個(gè)優(yōu)先級之一[9]。</p><p>　　圖3-1 dsPIC33FJXXXMCX06/X08/X10 系列</p><p>　　3.2 使用的內(nèi)部資源</p><p>　　3.2.1 12AD轉(zhuǎn)換器</p><p>　　dsPIC在內(nèi)部集成了10位或1

79、2位ADC。dsPIC30F系列的10位ADC采樣速率可達(dá)到500KSPS，12位ADC的采樣速率可達(dá)到100KSPS，dsPIC33F系列的10位ADC采樣速率可達(dá)到1100KSPS，12位ADC采樣速率可達(dá)到500KSPS[10]。</p><p>　　ADC有很多個(gè)采樣轉(zhuǎn)換方式：</p><p>　　手工采樣，手動轉(zhuǎn)換。</p><p>　　自動采樣，手動轉(zhuǎn)換

80、。</p><p><b>　　計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)換觸發(fā)：</b></p><p><b>　　單通道手動采樣。</b></p><p><b>　　自動采樣轉(zhuǎn)換觸發(fā)</b></p><p><b>　　多通道同步采樣</b></p><p>

81、<b>　　多通道順序采樣。</b></p><p>　　圖3-2 ADC采樣模塊</p><p>　　3.2.2 DMA控制器</p><p>　　DMAC（Direct Memory Access Controller）稱為直接存儲器訪問控制器，是一個(gè)專門的硬件邏輯。DMA控制器可以利用其專門的地址總線、數(shù)據(jù)總線進(jìn)行獨(dú)立于CPU的數(shù)據(jù)

82、傳輸。外設(shè)與內(nèi)存之間，內(nèi)存與外設(shè)之間都可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。這種與CPU并行的直接數(shù)據(jù)傳輸大大提高了數(shù)據(jù)交換效率，降低了CPU的負(fù)荷。</p><p>　　DMA控制器除了自己的總線系統(tǒng)、中斷響應(yīng)邏輯、沖突檢測邏輯，還擁有自己的緩沖RAM，因此DMAC完全可以看作一個(gè)獨(dú)立的位處理器（或稱協(xié)處理器）。該DMA控制器是完全獨(dú)立的[11]。</p><p>　　DMA控制器有8個(gè)功能一樣的DMA

83、通道，每個(gè)通道都有自己獨(dú)立的控制寄存器和狀態(tài)寄存器。DMA主要特性包括：</p><p>　　每個(gè)通道都可以配置成從DMA專用的雙端口RAM到外設(shè)SFR。</p><p>　　每一個(gè)MDA都可以進(jìn)行16位的或8位數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　對于DMA的雙端口RAM里的數(shù)據(jù)，都可以直接進(jìn)行間接尋址進(jìn)行操作。</p><p><b>

84、;　　支持外設(shè)間接尋址。</b></p><p>　　支持單次塊操作模式。也就是說執(zhí)行一次數(shù)據(jù)傳輸DMA就停止工作。</p><p>　　支持連續(xù)塊操作模式。DMA完成數(shù)據(jù)傳輸之后重新裝載DMA緩沖區(qū)起始地址。</p><p>　　乒乓模式。兩個(gè)緩沖區(qū)，DMA完成一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸后，自動裝載另一個(gè)緩沖區(qū)的地址，如此往復(fù)。</p><p&g

85、t;　　支持自動或手動初始化模塊。</p><p>　　圖3-3 DMA控制器及其專用總線</p><p>　　3.3.3 輸入捕捉</p><p>　　輸入捕捉（Input Capture,IC）是嵌入式控制應(yīng)用常見的一種外設(shè)。輸入捕捉通常來測量事件發(fā)生的時(shí)刻，應(yīng)用在超聲波測距離、信號的周期精確測量。輸入捕捉其實(shí)就是一個(gè)定時(shí)器作為時(shí)基，根據(jù)某個(gè)捕捉輸入引腳上的事

86、件出現(xiàn)的時(shí)刻進(jìn)行捕捉工作。記下當(dāng)下時(shí)刻定時(shí)中的值。常用來輸入捕捉來獲得傳感器反饋信號或交流信號的周期。</p><p>　　圖3-4 輸入捕捉框圖</p><p>　　如圖所示是輸入捕捉的簡化框圖。輸入捕捉的工作模式主要有4種：每個(gè)下降沿捕捉、每個(gè)上升沿捕捉、沒4個(gè)上升沿捕捉、每16個(gè)上升沿捕捉、每個(gè)上升沿和每個(gè)下降沿捕捉。通過上面的圖可以看到，輸入捕捉的數(shù)據(jù)是放在具有4個(gè)深

87、度的FIFO中。有了緩沖區(qū)就可以極大緩解CPU的負(fù)擔(dān)。比如說：需要采樣四個(gè)捕捉值，輸入捕捉模塊可以自動采樣4個(gè)值，放在FIFO中，完全不需要CPU干涉，然后4個(gè)值取滿之后輸入捕捉向CPU發(fā)出中斷，在中斷函數(shù)中把四個(gè)數(shù)據(jù)一下在讀過來。</p><p>　　在dsPIC芯片中，輸入捕捉可以選擇TMR2或TMR3作為時(shí)基。定時(shí)器的時(shí)鐘可以是Fosc/2，也可以來自TxCK引腳上的經(jīng)過同步處理后的外部時(shí)鐘信號。當(dāng)事件出現(xiàn)

88、在ICx引腳上時(shí)捕捉定時(shí)器的數(shù)值[12]。</p><p><b>　　4模擬前級輸入電路</b></p><p><b>　　4.1 總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖4-1 模擬輸入前級框圖</p><p>　　自抬電路：主要是有TL431芯片作為基準(zhǔn)電壓。</p>

89、;<p>　　在移向電路、比例放大和自抬電路中的運(yùn)算放大器是精密運(yùn)算放大器OP07。</p><p>　　過零比較電路：過零比較電路中用的是比較器LM393；</p><p>　　與非門邏輯電路中所用到的是74HC00；</p><p>　　4.2 各個(gè)電路介紹</p><p>　　4.2.1 基準(zhǔn)電路</p>&

90、lt;p>　　圖4-2 基準(zhǔn)電路</p><p>　　在這個(gè)電路中我用到的芯片是TL431。它是由德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的。是一塊具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。從圖中可以看出這是一個(gè)三個(gè)腳的芯片，封裝和常見的三極管9013、8055等是一樣的。3腳是接電源，2腳接地。只要改變1、3腳和1、2腳之間的比值就可以輕松的將輸出電壓任意設(shè)置從Vref（2.5）到36V范圍內(nèi)的任何值。這個(gè)

91、器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，性能好、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。</p><p>　　從芯片資料得知，1腳和地之間的電壓Vref=2.5V，在一般情況下是不會改變的。只需要改變R29和R30的阻值就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。</p><p>　　4.2.2 過零比較電路</p><p>　　圖4-3 過零比較電路</p><p&

92、gt;　　LM393是比較常見的比較芯片。LM393內(nèi)部是由兩個(gè)差動比較器組成的兩個(gè)電壓比較器。使用相同的電源端供電，電源的變化范圍非常廣可以從2V到36V進(jìn)行變化，一般的電路設(shè)計(jì)都可以得到滿足。正常工作的溫度是從0°到70°。比較器和運(yùn)算放大器還是有本質(zhì)區(qū)別的，有的時(shí)候這兩個(gè)器件是可以相互代替的。一般比較器的輸出功率不是很大，但是它的頻率響應(yīng)特性很好，頻率很高的時(shí)候還能輸出比較好的波形。運(yùn)放一般輸出功率比較大，能輸

93、出比較大的電流。</p><p>　　在這個(gè)圖中，我把電壓信號和電流信號分別進(jìn)行了過零比較電路。這樣可以把正弦信號變成方波信號，這樣就可以用單片機(jī)內(nèi)部的輸入捕捉來確定兩個(gè)信號的頻率和他們之間的相位差。</p><p>　　LM393有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　最大輸出電流允許可以達(dá)到20mA，這個(gè)值是和電源的輸入無關(guān)的，如果輸出端短路可能造成器件燒毀。&l

94、t;/p><p>　　由于輸入是PNP晶體管輸入，基極電流會從輸入端流出。這個(gè)電流基本上是不變的，與輸出狀態(tài)無關(guān)。因此，控制變化的在輸入端。</p><p>　　輸入任一輸入共模不應(yīng)該被允許去更多的地面或0.3V以上的負(fù)負(fù)供應(yīng)。共模范圍的上限的VCC-1.5V的。</p><p>　　響應(yīng)時(shí)間是指定一個(gè)100mV的步驟和超速5.0mV。隨著更大程度的超速快，響應(yīng)時(shí)間是

95、索取的。</p><p>　　比較器將展出適當(dāng)?shù)妮敵鰻顟B(tài)，如果一個(gè)輸入變得大于VCC時(shí)，其他的輸入必須保持共模范圍內(nèi)。低輸入狀態(tài)不得小于-地面或減為0.3V供應(yīng)。</p><p>　　4.2.3 比較抬升電路</p><p>　　圖4-4 比較抬升電路</p><p>　　這里用到的運(yùn)算放大器是德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的高精度運(yùn)放

96、OP07。從圖中我們可以看到，第一個(gè)運(yùn)放的作用是：首先把兩個(gè)信號線性的疊加的起來，也就是我們常見的加法電路，這個(gè)作用是把原來的雙極性信號，變成單極性信號。接下來的電阻R2的作用是把輸入的信號變小，放入單片機(jī)的ADC范圍之內(nèi)，dsPIC的ADC范圍是0-3.3V，所以我們要把信號縮小的這個(gè)范圍之內(nèi)。下面這個(gè)電路是一個(gè)反向輸入電路。因?yàn)槲覀冎涝谑褂眠\(yùn)算放大器的時(shí)候，都是負(fù)端作為輸入，這樣一來信號就會與X軸行進(jìn)反向，原來的信號就變成負(fù)的了，

97、為了從新變成正信號，我們可以再接一個(gè)一比一的電路，從新把信號反折到Y(jié)的正半軸[13]。</p><p><b>　　4.2.4 門電路</b></p><p>　　圖4-5 門電路</p><p>　　在這個(gè)電路中，我用的芯片是74HC00。這是一個(gè)與非門電路。這塊芯片里面內(nèi)嵌四個(gè)與非門電路。</p><p>

98、;　　圖4-6 與非門真值表和波形</p><p>　　這是與非門得波形輸出和真值表。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我把電壓信號和電流信號都變成方波信號，然后輸入到這個(gè)與非門中。這樣一來可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。第一個(gè)可以看出，與非門的頻率是和兩個(gè)輸入的頻率是一樣的，只要我在輸入捕捉中比較第一個(gè)和第三的數(shù)值就是可以得出輸入A和輸入B的頻率。其二，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，輸入B的相位是超前輸入A的。輸出Y的低電平部分真好是周期的

99、一半再減去兩個(gè)信號的相位差。根據(jù)這個(gè)情況，在數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，我只要在處理輸入捕捉的時(shí)候，把第二個(gè)數(shù)據(jù)和第三個(gè)數(shù)據(jù)減一下。然后用剛才測出來的周期的一半，再減去這個(gè)數(shù)值，就可以得出這兩個(gè)波形的相位差了，而這個(gè)相位差的COS函數(shù)，就是功率因素[14]。</p><p>　　4.2.5 移相電路</p><p>　　圖4-7 移相電路</p><p>　　最簡單

100、的模擬電路移相是RC移相和LC移相，我們一般采用RC移相電路。</p><p>　　圖４－８用向量圖表示了簡單串聯(lián)電路中電阻和電容兩端的電壓UR、UC和輸入電壓U的關(guān)系，值得注意的是：向量法的使用范圍是正弦信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并且在Ｒ、Ｃ的值都已固定的情況下，由于ＸＣ的都是頻率的函數(shù)，因此，同一電路杜宇不同頻率正弦信號的向量圖表示并不相同。在這里，同樣的移相電路對不同頻率信號的移相角度是不會相同的。</p>

101、;<p>　　圖4-８ 簡單移相電路</p><p>　　根據(jù)移相的目的不同，一般可以分為０～１８０°超前移相，０～１８０°滯后移相。在本設(shè)計(jì)中我用的是０～１８０°超前移相。</p><p>　　圖4-９ 超前移相電路</p><p>　　下面就圖４－９來推導(dǎo)下移相網(wǎng)絡(luò)函數(shù)：</p>

102、<p>　　由于 錯(cuò)誤!未找到引用源。</p><p>　　以上傳遞方程的虛部為負(fù)數(shù)，而實(shí)部則根據(jù)角頻率、電容和各電阻的具體可分別取為正或負(fù)值，因此該電路的移相角度可以再第3和第4象限之內(nèi)，也可稱之為0~180°超前移相。</p><p>　　如果取R1=R2，則k=0.5，這樣在角頻率為1/（RC）時(shí)，就為+90°移相。</p><p&g

103、t;<b>　　4.2.6 電源</b></p><p>　　圖4-10 電源電路</p><p>　　LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)為1.2V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.25～13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個(gè)固定

104、電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。</p><p>　　LM1117提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封裝。輸出端需要一個(gè)至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。</p><p>　　X1117

105、是IC網(wǎng)絡(luò)超市自主的品牌，可以很好的替換LM1117。</p><p>　　X1117是一款正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)壓電路，在1A輸出電流下的壓降為1.2V。分為兩個(gè)版本，固定電壓輸出版本和可調(diào)電壓輸出版本。固定輸出電壓1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V和可調(diào)版本的電壓精度為1％；固定電壓為1.2V的產(chǎn)品輸出電壓精度為2％。內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，適用于各類電子產(chǎn)品。</p>

106、<p>　　A1117是臺灣億光研發(fā)生產(chǎn)的高效率低壓降三端線性穩(wěn)壓器，A1117提供電流限制和熱保護(hù)，以確保芯片和功率穩(wěn)定性系統(tǒng)。而在芯片上保證輸出電壓精度在±2％。同時(shí)也提供了固定電壓輸出版本和可調(diào)電壓輸出版本，可調(diào)版本能輸出從1.25V到13.8V。</p><p><b>　　特性：</b></p><p>　　提供1.8V、2.5V、2.8

107、5V、3.3V、5V和可調(diào)電壓的型號</p><p>　　節(jié)省空間的SOT-223和LLP封裝</p><p>　　電流限制和熱保護(hù)功能</p><p>　　輸出電流可達(dá)800mA</p><p>　　線性調(diào)整率：0.2% (Max)</p><p>　　負(fù)載調(diào)整率：0.4% (Max)</p><

108、p><b>　　溫度范圍</b></p><p>　　LM1117：0℃~125℃</p><p>　　LM1117I：-40℃~125℃</p><p>　　5設(shè)備方案與總體設(shè)計(jì)</p><p><b>　　5.1總體方案框圖</b></p><p>　　圖5-1

109、 總體方案框圖</p><p>　　這是工頻電參數(shù)測量模塊的總體方案圖。一個(gè)有這么幾個(gè)部分組成：模擬前級輸入電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、LCD顯示電路。其中模擬前級電路和單片機(jī)介紹前面已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，接下來介紹下LCD顯示的原理。</p><p>　　我們很早就知道物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種型態(tài)。液體分子質(zhì)心的排列雖然不具有任何規(guī)律性，但是如果這些分子是長形的(或扁形的)，它們的

110、分子指向就可能有規(guī)律性。于是我們就可將液態(tài)又細(xì)分為許多型態(tài)。分子方向沒有規(guī)律性的液體我們直接稱為液體，而分子具有方向性的液體則稱之為“液態(tài)晶體”，又簡稱“液晶”。液晶產(chǎn)品其實(shí)對我們來說并不陌生，我們常見到的手機(jī)、計(jì)算器都是屬于液晶產(chǎn)品。液晶是在1888年，由奧地利植物學(xué)家Reinitzer發(fā)現(xiàn)的，是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物。一般最常用的液晶型態(tài)為向列型液晶，分子形狀為細(xì)長棒形，長寬約1nm～10nm，在不同

111、電流電場作用下，液晶分子會做規(guī)則旋轉(zhuǎn)90度排列，產(chǎn)生透光度的差別，如此在電源ON/OFF下產(chǎn)生明暗的區(qū)別，依此原理控制每個(gè)像素，便可構(gòu)成所需圖像。</p><p>　　5.2 程序流程介紹</p><p>　　圖5-2 程序流程圖</p><p><b>　　7總結(jié)與展望</b></p><p>　　交流電發(fā)

112、明以后，得到了廣泛的應(yīng)用。世界各地都在用著交流電，而且用的場合的用于越來越多。隨著電子、電器的突飛猛進(jìn)。各種新興的產(chǎn)品日新月異，在很多電器設(shè)備和大型機(jī)器中都會用到帶電感的負(fù)載。著會很大程度上污染原來的電網(wǎng)電。所以在近幾年工頻電參數(shù)測量顯得尤為重要。也涌現(xiàn)出來很多中很有效的方法。下面就我的方法來作如下總結(jié)：</p><p>　　通過查閱相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料，了解了工頻電參數(shù)測量的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并給出了當(dāng)下幾種常通的

113、測量方法。并結(jié)合目前國內(nèi)的特點(diǎn)，提出現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，提出了本設(shè)計(jì)的優(yōu)越性和應(yīng)用的能力。</p><p>　　重新溫故了書上的知識，首先從模擬電路和數(shù)字電路入手。重新學(xué)習(xí)了模擬電路預(yù)算放大器應(yīng)用的章節(jié)，掌握了運(yùn)算放大器的幾種經(jīng)典的用法，通過理論上的計(jì)算，并在實(shí)踐的電路中得到了證實(shí)。由于其中還用到了TL431、LM393和LM1117等芯片。先從網(wǎng)上下載這些芯片的數(shù)據(jù)手冊，然后畫出原理圖，先在面包板上得到證實(shí)，在應(yīng)用