簡易幅頻特性測試儀_圖文

1、簡易幅頻特性測試儀摘要根據(jù)題目要求, 設(shè)計(jì)了一種幅頻特性測試儀。 采用精度為 8位的 DAC 芯片 DA0832, 產(chǎn)生有效值 為 1V 的正弦波。采用具有 10位 ADC 功能的單片機(jī) STC12C5A60S2,實(shí)現(xiàn)被測信號的檢測。采用運(yùn) 算放大電路,實(shí)現(xiàn)提高輸入阻抗和降低輸出阻抗的目的。采用按鍵功能,可設(shè)定輸出正弦波的頻率。 經(jīng)測試,該幅頻測試儀能夠輸出有效值為 1V 的正弦波、無明顯失真、全頻段幅度誤差在 %,輸出正 弦波的頻率范圍為 100-10kHZ 、 誤差為 %, 交流信號的測量精度為 %、 分辨率為 0.01V , 輸出阻抗小于 10,輸入阻抗大于 100k 。關(guān)鍵詞:DAC0

2、832 10位 ADC 頻率可調(diào)正弦波目錄1方案論證與比較 . 11.1總體思路 . 1 1.2各模塊方案的選擇與論證 . . 22 系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 42.1總體設(shè)計(jì) . 4 2.2硬件電路設(shè)計(jì) . 4 2.2.1拉力值測量模塊 . 4 2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 . 7 2.2.3透明膠被拉動(dòng)距離測量模塊 . 73軟件設(shè)計(jì) . 93.1算法的標(biāo)定實(shí)驗(yàn) . 9 3.2軟件流程 . . 134系統(tǒng)測試 . 154.1測試儀器、設(shè)備 . 15 4.2測試方法步驟與結(jié)果分析 . 16 4.2.1拉力值的測試 . 16 4.2.1拉伸距離的測試 . 165 結(jié)論 . 17參考文獻(xiàn): . 18附錄: . 19

3、附 1:電路圖 . 19附 2:實(shí)驗(yàn)測試圖 . 20附 3:實(shí)物圖 . 2111方案論證與比較根據(jù)題目的要求,該幅頻特性測試儀的功能是能夠輸出可調(diào)頻率的正弦波給被測電 路,并測量經(jīng)過測量電路后的正弦波信號的變化,從而得出被測電路的幅頻特性。其原理:當(dāng)被測電路的輸入為正弦信號時(shí) , 則輸出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也是一個(gè)正弦信號 , 其 頻率和輸入信號的頻率相同 , 但幅度和相位發(fā)生了變化 , 而變化取決于角頻率 X 。 若把輸出 的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和輸入正弦信號用復(fù)數(shù)表示 , 并求它們的復(fù)數(shù)比 , 則得公式(1-1 :( j G j A e = (1-1其中 G (j 稱為頻率特性 ,A (是輸出信號的幅值與輸入信

4、號幅值之比 , 稱為電路網(wǎng)絡(luò)幅頻特性。 e j ( 是輸出信號的相角與輸入信號的相角之差 , 稱為相頻特性。 其中 ,電路幅頻特性是電路網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特性 , 本文探討電路網(wǎng)絡(luò)幅頻特性參數(shù)的測試。 在實(shí) 際測量中 , 用一個(gè)隨著時(shí)間按一定規(guī)律 , 并在一定頻率范圍內(nèi)掃動(dòng)的信號對被測電路進(jìn)行 快速、定性或定量的動(dòng)態(tài)測量 , 給出被測電路網(wǎng)絡(luò)的電路網(wǎng)絡(luò)幅頻特性實(shí)時(shí)測量結(jié)果。測 量原理見圖 1-1: 圖 1-1 測量原理為了顯示被測電路在不同頻率下, 輸出信號對輸入信號的放大倍數(shù)圖像, 必須要有顯 示模塊。為了能控制儀器輸出不同范圍的頻率,必須要有按鍵輸入模塊。 圖 1-2 幅頻特性測試儀原理框圖經(jīng)

5、以上總體思路分析,得出以下系統(tǒng)原理圖,如圖 1-2所示。由本系統(tǒng)產(chǎn)生正弦激勵(lì) 信號去激勵(lì)被網(wǎng)絡(luò),通過采集輸入被測網(wǎng)絡(luò)之前的信號幅值與從被測網(wǎng)絡(luò)出來的信號的 幅值,相除得到被測對各頻率正弦信號的增益情況,從而得出被測網(wǎng)絡(luò)的電路網(wǎng)絡(luò)幅頻 特性。根據(jù)幅頻特性測試儀原理框圖可知,該測試儀主要由四部分組成,分別為正弦波 發(fā)生模塊、控制模塊、交流信號幅值檢測模塊和顯示模塊。下面對這四部分進(jìn)行方案的 選擇與論證。(1正弦掃頻信號發(fā)生模塊方案正弦掃頻信號發(fā)生器是本設(shè)計(jì)的核心部分。要求能產(chǎn)生優(yōu)于 5HZ 誤差的頻率,且在 100HZ 10KHZ 范圍內(nèi) , 步進(jìn)為 100HZ 。方案一:采用傳統(tǒng)的直接頻率合成法

6、合成。 經(jīng)過混頻、倍頻、分頻網(wǎng)絡(luò)和帶通濾波 器完成對頻率的算術(shù)運(yùn)算。但由于采用大量的模擬環(huán)節(jié),導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù) 雜,體積龐大,成本高,而且容易引入干擾,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,難以達(dá)到較高的頻譜 穩(wěn)定性。方案二:采用鎖相環(huán)間接頻率合成(PLL 。 雖然具有工作頻率高、寬帶、頻譜質(zhì)量 好的優(yōu)點(diǎn),但是由于鎖相環(huán)本身是一個(gè)惰性環(huán)節(jié),鎖定時(shí)間較長,故頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長, 很難滿足系統(tǒng)要求的高速度指標(biāo)。另外,由于模擬方法合成的正弦波參數(shù)都很難控制,不易實(shí)現(xiàn)。方案三:采用直接數(shù)字式頻率合成(DDS 。 其原理如圖 1-3所示,用控制芯片的存儲器 儲存的所需波形量化數(shù)據(jù),按不同頻率要求,以頻率控制字為步進(jìn)

7、對相位增量進(jìn)行累加, 以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù),經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換和幅度控制, 再濾波即可得到所需波形。由于 DDS 具有帶寬很寬,頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短(小于 20s , 頻率分辨率高,全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成等優(yōu)點(diǎn),以及輸出相位連續(xù),頻率、相位和幅度 均可實(shí)現(xiàn)程控, 完全可以滿足本題目的要求。 DDS 有著較多的優(yōu)點(diǎn), 但是 DDS 技術(shù)也有內(nèi) 在的缺陷雜散噪聲。 圖 1-3 DDS 原理框圖為了全面實(shí)現(xiàn)題目的要求,選擇最合適的三號方案作為正弦波掃頻信號發(fā)生器的核 心,實(shí)現(xiàn)高速、高精度、高穩(wěn)定性的正弦信號輸出。2(2控制模塊方案方案一:用 FPGA 等可編程器件作為控制模塊的

8、核心。 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏 輯功能,規(guī)模大,密度高,體積小,穩(wěn)定性高,易于功能擴(kuò)展,采用并行的輸入 /輸出方 式,提高了系統(tǒng)的處理速度,適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。就 FPGA 的制造工藝 而言, FPGA 掉電后數(shù)據(jù)會丟失, 上電后必須進(jìn)行一次配置, 因此 FPGA 在應(yīng)用中需要配置 電路和一定的程序,并且 FPGA 器件作為一個(gè)數(shù)字邏輯器件,競爭和冒險(xiǎn)正是數(shù)字邏輯器 件較為突出的問題,因此在使用時(shí)必須注意毛刺的消除及抗干擾性,從而增大了電路或 程序的復(fù)雜程度和可實(shí)施性。方案二:用 STC12C5A60S2單片機(jī)為系統(tǒng)的主控核心。 單片機(jī)具有體積小, 使用靈活, 擁有較強(qiáng)的

9、指令尋址和運(yùn)算功能等優(yōu)點(diǎn),而且單片機(jī)的功耗低,價(jià)格低廉。采用單片機(jī)作為控制器比 FPGA 更適合本系統(tǒng)的規(guī)模。 充分考慮到綜合性價(jià)比和控制 的方便程度,確定選擇方案二作為系統(tǒng)的控制核心模塊方案。(3交流信號幅值測量方案方案一:采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片 (如 AD637 。 將輸入信號轉(zhuǎn)換成有效值的形式輸出, 供后級的 A/D采樣。此種方案的測量精度較高,但由于有效值轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換的過程相對 較長(一般為幾十到幾百個(gè) ms ,對于幅頻特性,需要采集很多個(gè)點(diǎn),此種方案的測量過 程將是很長的。方案二:采用 ADC 測量方式。 這種方案只要將經(jīng)過被測電路的信號輸入經(jīng)過 ADC 轉(zhuǎn) 換,在控制芯片中對數(shù)據(jù)進(jìn)行

10、處理,篩選出幅值。該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路和程序控制都簡 單易行。 缺點(diǎn)是賦值的測量精度取決于 ADC 轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換速度和控制芯片的運(yùn)算速度。 綜合所有的因素,采用方案二更適合本設(shè)計(jì)。(4顯示模塊方案方案一:采用 LED 數(shù)碼管顯示。 雖然功耗低,控制簡單,但顯示能力有限,人機(jī)界 面較差。方案二:采用 12864液晶屏顯示。 可以顯示多種字符,并能同時(shí)顯示多組數(shù)據(jù)、漢 字,字符清晰,人機(jī)界面友好。方案二的液晶顯示方式有效解決 LED 只能顯示數(shù)字等幾個(gè)簡單字符的缺點(diǎn),具有性 能好,控制方便,顯示方式多的優(yōu)點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)采用方案二的 12864液晶顯示屏作為 顯示模塊。32 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)

11、系統(tǒng)總體框架如圖 2-1所示,由 STC12C5A60S2單片機(jī)處理器控制 DAC 轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號去激勵(lì)被網(wǎng)絡(luò), 將信號進(jìn)行處理后輸送給具有 ADC 功能的單片 機(jī),實(shí)現(xiàn)從被測網(wǎng)絡(luò)出來的信號的幅值的采集與處理目的,即可得到被測電路對各頻率 正弦信號的增益情況,從而得出被測電路的幅頻特性。 圖 2-1 系統(tǒng)總體框架2.2 硬件電路設(shè)計(jì)正弦波信號發(fā)生模塊的具體硬件結(jié)構(gòu)由 兩個(gè)部分組成,分別為 基準(zhǔn)源電路和 DAC0832轉(zhuǎn)換電路,下面對這兩部分做詳細(xì)的介紹。(1基準(zhǔn)源電路TL431 的內(nèi)部含有一個(gè) 2.5V 的基準(zhǔn)電壓, 所以當(dāng)在 REF 端引入輸出反饋時(shí), 器件可 以通

12、過從陰極到陽極很寬范圍的分流,控制輸出電壓。如圖 2-2所示的電路中,當(dāng) R1和 R2的阻值確定時(shí),兩者對 V o 的分壓引入反饋,若 V o 增大,反饋量增大, TL431的 分流也就增加,從而又導(dǎo)致 V o 下降。顯見,這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在 VI 等于基準(zhǔn) 電壓處穩(wěn)定,此時(shí)有公式(2-1 :ref o V R R V 1(21+= (2-1 選擇不同的 R1和 R2的值可以得到從 2.5V 到 36V 范圍內(nèi)的任意電壓輸出, 需要注意 的是, 在選擇電阻時(shí)必須保證 TL431工作的必要條件, 就是通過陰極的電流要大于 1 mA 。 本設(shè)計(jì)采用的是 TL431作為 DAC0832的電壓

13、基準(zhǔn)源 +2.5V,根據(jù)公式(2-2可得當(dāng) R 1取零, R 2取無窮時(shí),輸出電壓為 +2.5V。(5. 25. 2* 01(V V o =+= (2-2 圖 2-2 TL431典型應(yīng)用圖(2 DAC0832轉(zhuǎn)換電路DAC0832 是一款轉(zhuǎn)換精度為 8位, 轉(zhuǎn)換速度為 1s 的 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片。 V ref 引腳為 芯片提供參考電壓; RFB 為反饋電阻引出端 , 與運(yùn)算放大器輸出端相連接; DI7 DI0 數(shù)字量輸入信號, 其中 DI0為最低位, DI7為最高位; CS 為片選信號 , 低電平有效; WR1為寫信號 1,低電平有效; XFER 為轉(zhuǎn)移控制信號,低電平有效; WR2為寫信號

14、 2,低電 平有效; I OUT1為模擬電流輸出端 1,當(dāng)輸入數(shù)字為全 1時(shí) , 輸出電流最大,全 0時(shí) , 輸出 電流為 0,如公式(2-3 :RFB V ref256255 (2-3I OUT2為模擬電流輸出端 2,其與 I OUT1的關(guān)系如公式(2-4I OUT1 + I OUT2 = C (常數(shù) (2-4如圖 2-3所示, 通過控制片選端、 寫數(shù)據(jù)端和數(shù)據(jù)位, 從而控制 DA0832輸出模擬量, 本儀器采用如圖 2-3所示的單緩沖工作方式應(yīng)用圖, 一個(gè)輸入寄存器工作于直通狀態(tài), DAC 寄存器工作于受控狀態(tài), 此時(shí)只需一次寫操作, 就開始轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換后直接輸出數(shù)據(jù), 提高了 D/A的數(shù)

15、據(jù)吞吐量。 圖 2-3單緩沖工作方式應(yīng)用圖 其調(diào)幅的原理為:當(dāng)數(shù)據(jù)口輸入的數(shù)字量為 0FFH=255時(shí),有公式(2-5所示的電流量輸出:RFBV I ref out 2562551= (2-5 輸出電壓如公式(2-6所示:ref out o V RFB I V 256255*1-=-= (2-6斷電和串口時(shí)鐘輸入端為 PD_SCK。 通過控制輸入該端口電平的不同時(shí)序, 可以實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)輸入、輸出和增益通道的選擇,時(shí)序圖如圖 2-4所示。 圖 2-4 DAC0832 時(shí)序圖2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 2在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的方案討論中擬定采用 LM298芯片驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)。其硬件電路 如圖 2-5所示。L

16、M298內(nèi)有兩個(gè) H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,可用來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī),本方案中只用其 中的一個(gè) H 橋,標(biāo)號為 A 。在該電路中,電機(jī)的兩端各安裝有兩個(gè)二極管,這些二極管 都是從驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接到電機(jī)的電源端,或者接地端,其作用能限制和消除感應(yīng)尖 峰電壓。其驅(qū)動(dòng)原理:LM298芯片的 1EN 是標(biāo)號為 A 的 H 橋的使能端, 1A1和 1A2可以控 制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。在控制電機(jī)的時(shí)候,當(dāng)使能端 1EN 置高電平時(shí), 1A1和 1A2置不同的 高低電平時(shí), 電機(jī)實(shí)現(xiàn)正或反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)使能端 1EN 置低電平時(shí), 不管 1A1和 1A2的電 平如何變化,電機(jī)均停止轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)和停止的控

17、制。 圖 2-5 LM298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.2.3 透明膠被拉動(dòng)距離測量模塊 3該模塊的主要硬件電路是編碼盤和光電傳感器, 如圖 2-6和圖 2-7所示。 硬件結(jié)構(gòu)為:將黑白顏色塊相互間隔的編碼盤安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,編碼盤穿過微型槽型對射光電傳 感器。其原理:當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),編碼盤穿過對射式光電傳感器的槽型對射光電開關(guān)旋轉(zhuǎn), 當(dāng)編碼盤上的黑色部分擋住光線時(shí),輸出低電平,當(dāng)光線透過編碼盤的白色部分時(shí),輸 出高電平,從而產(chǎn)生高低電平變化的脈沖,即把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)的大小。 將脈沖輸送給單片機(jī)的中斷功能進(jìn)行計(jì)數(shù)即可得到拉動(dòng)的距離。根據(jù)如圖所示的編碼盤, 從白色部分和相鄰黑色部分依次穿過槽型對

18、射光電開關(guān)的時(shí) 候,將產(chǎn)生一個(gè)從高電平到低電平的下降沿,輸送給單片機(jī)的外部中斷輸入端從而觸發(fā) 中斷。根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),進(jìn)入中斷的次數(shù)與透明膠被拉動(dòng)的距離是成線性關(guān)系的。因此,累計(jì)進(jìn)入中斷的次數(shù),即可得到透明膠帶被拉動(dòng)的距離。 圖 2-6 編碼盤光電傳感器的核心部件為紅外發(fā)光二極管和硅平面光電三極管, 發(fā)光二極管不間斷地 發(fā)送紅外光束,當(dāng)編碼盤的黑色部分擋住光束時(shí),光電三極管不導(dǎo)通,輸出低電平,反 之輸出高電平。 輸出脈沖經(jīng)過 TTL 電平轉(zhuǎn)換電路, 如圖 2-5中運(yùn)算放大器、 R 3和 R 4所示, 其構(gòu)成一個(gè)單限比較器,輸出即為 TTL 電平脈沖,滿足單片機(jī)的檢測需要。 圖 2-7 光電傳感

19、器原理圖3軟件設(shè)計(jì)算法的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在該儀器的測量中, 硬件電路測量出拉力傳感器的輸出電壓值的數(shù)字量, 光電傳感器 輸出脈沖量,要測量出透明膠帶被拉伸的拉力和距離,需要軟件程序算法來實(shí)現(xiàn)。以下 兩個(gè)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)為算法的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。(1 拉力值與轉(zhuǎn)換后的電壓值的關(guān)系實(shí)驗(yàn)方法與步驟:如附圖 4所示, 將儀器放在水平的平面上, 將拉力傳感器的上端固 定在金屬支架的上端,使用電子秤稱出質(zhì)量為 M 的沙子,使用示波器測量拉力傳感器的 輸出端的電壓值 V 。即質(zhì)量為 M 的沙子所產(chǎn)生的拉力 F 對應(yīng)轉(zhuǎn)換后的電壓值 V 。重復(fù)以 上的步驟,從 1mg-5kg ,以 1mg 為步進(jìn)進(jìn)行測量。質(zhì)量 M 的沙子與產(chǎn)生拉

20、力 F 的關(guān)系如 公式(3-1所示。8. 9*MF (3-1 測試物體與轉(zhuǎn)換后的電壓值關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 3-1所示,通過 MA TLAB 對數(shù)據(jù)進(jìn)行 線性擬合分析得到如圖 3-1所示質(zhì)量與電壓值的關(guān)系圖像。表 3-1 測試物體質(zhì)量與電壓值標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測試物體質(zhì)量 /kg 電壓值 /V ADC 值0.14 0.6 890.305 1 1390.445 1.1 1750.58 1.4 2150.67 1.5 2400.785 1.6 2730.96 1.8 3291.02 2 3541.24 2.2 4031.385 2.5 4431.51 2.6 4801.66 2.9 5231.815 3.2 5

21、641.935 3.3 6012.015 3.4 6302.195 3.6 6762.33 3.8 7192.41 4 7502.62 4.2 7932.71 4.3 8202.82 4.5 8502.91 4.6 8752.995 4.8 8953.125 4.8 930 圖 3-1 測試物體質(zhì)量與電壓值的關(guān)系圖像從圖 3-1所示圖像可以得出結(jié)論,排除測量和機(jī)械誤差帶來的影響,拉力傳感器將拉 力轉(zhuǎn)換成電壓值,兩個(gè)變量之間的關(guān)系是線性的。 通過 MATLAB 對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析得到如圖 3-2所示的質(zhì)量與 ADC 值的關(guān)系圖像。圖 3-2 測試物體質(zhì)量與 ADC 值的關(guān)系圖像從圖 3-2所

22、示圖像可以得出結(jié)論, 排除測量和機(jī)械誤差帶來的影響, ADC 測量值 與拉力值之間的關(guān)系是線性的,如公式(3-2 ,其中 y 為質(zhì)量值, x 為 ADC 值。7. 53(00353. 0-=x y (3-2(2 拉動(dòng)距離與轉(zhuǎn)換后的脈沖數(shù)目的關(guān)系實(shí)驗(yàn)方法與步驟:如附圖 5所示,將儀器放在水平的平面上,游標(biāo)卡尺倒置后,將其 游標(biāo)部分捆綁在儀器的金屬支架上端,將細(xì)線的一端纏繞在減速電機(jī)的導(dǎo)輪上,另一端 捆綁在游標(biāo)卡尺的主尺上。設(shè)定好所要測量的脈沖數(shù)目 N 后,首先讀取當(dāng)前游標(biāo)卡尺的 數(shù)值 X 1,開啟電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)達(dá)到脈沖數(shù)目 N 時(shí)由單片機(jī)自動(dòng)控制電機(jī)停止。此時(shí),記錄 下游標(biāo)卡尺上的數(shù)值 X 2,即

23、所要測量的脈沖數(shù) N 產(chǎn)生的拉動(dòng)距離 X 為公式(3-3 :12X X X -= (3-3為了使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠, 從少到多不同的脈沖數(shù)目都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù) 結(jié)果如下表 3-2、表 3-3、表 3-4、表 3-5所示。表 3-2 130個(gè)脈沖標(biāo)定實(shí)驗(yàn)脈沖數(shù)目 N/個(gè) 拉動(dòng)距離 X/cm N/ X(個(gè) /mm 128 1.49 8.590604 129 1.51 8.543046 129 1.52 8.486842 129 1.5 8.6 128 1.49 8.590604 129 1.488 8.669355 129 1.52 8.486842 130 1.518 8.5639 1

24、29 1.502 8.588549 129則得平均每毫米產(chǎn)生的脈沖數(shù)目為公式(3-4 :=10101i Xi8.560658 (3-4表 3-3 320個(gè)脈沖標(biāo)定實(shí)驗(yàn)脈沖數(shù)目 N/個(gè)拉動(dòng)距離 X/cm322 3.77 8.541114058 322 3.76 8.563829787 322 3.77 8.541114058 321 3.76 8.537234043 320 3.74 8.556149733 322 3.72 8.655913978 323 3.78 8.544973545 320則得平均每毫米產(chǎn)生的脈沖數(shù)目為公式(3-5 :=10101i Xi8.560184512 (3-5表

25、 3-4 420個(gè)脈沖標(biāo)定實(shí)驗(yàn)脈沖數(shù)目 N/個(gè)拉動(dòng)距離 X/cmN/ X(個(gè) /mm420 4.96 8.467742 419 4.902 8.547532 421 4.928 8.543019 419 4.862 8.617853 420 4.939 8.503746 421 4.91 8.574338 421 4.936 8.529173 419 2.878 14.55872 421 4.97 8.470825 420則得平均每毫米產(chǎn)生的脈沖數(shù)目為公式(3-5 :=10101i Xi8.532698 (3-5表 3-5 520個(gè)脈沖標(biāo)定實(shí)驗(yàn)脈沖數(shù)目 N/個(gè)拉動(dòng)距離 X/cm N/ X(個(gè)

26、/mm 520 6.096 8.530184 522 6.116 8.53499 522 6.1 8.557377 521 6.128 8.501958 523 5.172 10.11214 523 6.206 8.427328 521 6.116 8.51864 524 6.136 8.539765 523 6.134 8.526247 521則得平均每毫米產(chǎn)生的脈沖數(shù)目為公式(3-6 :=10101i Xi8.516309 (3-6根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得到結(jié)論:一次拉動(dòng)的距離越長, 每毫米產(chǎn)生的脈沖數(shù)目就約少, 但 都維持在每毫米產(chǎn)生大概 8.5個(gè)脈沖,誤差小于 0.1個(gè)脈沖。產(chǎn)生誤差的原因在于

27、減速電機(jī)從啟動(dòng)到勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和從勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到停止都需要一定的 時(shí)間、細(xì)繩本身的彈性拉伸、測量過程中游標(biāo)卡尺的晃動(dòng)和讀取游標(biāo)卡尺數(shù)值時(shí)的誤差。根據(jù)題目的要求,測量拉動(dòng)的范圍為 0-5cm ,精度為 1mm ,如果按每毫米 8.5個(gè)脈沖 計(jì)算,則允許最大的脈沖誤差個(gè)數(shù)為公式(3-7 :17. 0505. 8= (3-7 由于 0.17大于標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)的最大誤差 0.1,因此將 8.5個(gè)脈沖作為每毫米產(chǎn)生的脈沖 個(gè)數(shù)是準(zhǔn)確的。軟件部分采用 C 語言編寫,為了配合串口通信,采用的晶振頻率為 11.0592MHZ 。由 調(diào)度模塊, ADC 模塊,外部中斷子程序,鍵盤服務(wù)程序和顯示服務(wù)子程序構(gòu)成。主程序 如圖 3

28、-3所示,進(jìn)入主程序后,首先進(jìn)行 ADC 功能、外部中斷和液晶的初始化,然后進(jìn) 入開機(jī)顯示,最后進(jìn)入大循環(huán),循環(huán)內(nèi)不斷執(zhí)行按鍵的檢測,當(dāng)有鍵按下時(shí),執(zhí)行按鍵 功能,否則直接返回。外部中斷服務(wù)程序的功能是在測量的時(shí)候?qū)怆妭鞲衅鞯拿}沖進(jìn)行計(jì)數(shù),每 1mm 時(shí) 計(jì)算拉動(dòng)的距離, 并讀取 ADC 值轉(zhuǎn)換為拉力, 當(dāng) ADC 值小于 55時(shí), 即表示透明膠帶被 拉斷,此時(shí)關(guān)閉電機(jī)。將拉動(dòng)距離與拉力兩者結(jié)合在液晶顯示屏上繪點(diǎn),并儲存該數(shù)據(jù), 最后通過串口發(fā)送信息給上位機(jī),其程序流程如圖 3-4所示。ADC 中斷中檢測輸送給單片機(jī)的電壓值,其程序流程如圖 3-5所示。 圖 3-3 主程序流程圖圖 3-5

29、ADC中斷程序流程圖 圖 3-4 外部中斷程序流程圖主程序中實(shí)時(shí)檢測按鍵功能,按鍵有四位, Function 鍵可實(shí)現(xiàn)不同功能間的切換,加 減鍵可在查詢功能時(shí)翻閱前后歷史數(shù)據(jù),確定鍵可實(shí)現(xiàn)置位、測量和量程切換功能。根 據(jù)功能標(biāo)志位 Function 的不同,進(jìn)入不同的按鍵功能,總共有 4種功能,分別為置位、 測量、量程切換和查閱歷史等功能。具體程序流程如圖 3-6所示: 圖 3-6 鍵盤服務(wù)程序4系統(tǒng)測試4.1 測試儀器、設(shè)備示波器 型號:DS1052E性能:帶寬 50MHz ;時(shí)基精度 50ppm ;垂直靈敏度 2 mV/div 5 V/div;垂直分辨率 8 bits; 圖 4-1 DS1

30、052E示波器作用:在拉力與轉(zhuǎn)換后電壓值的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中用于測量電壓值的大小。萬用表:型號:DT9205 性能 : 直流電壓測量 200mv-200v ;準(zhǔn)確度 ±0.5%; 直流電流測量 2mA-200mA ;準(zhǔn)確度 ±1.2%電阻測量 200-2M ;準(zhǔn)確度 ±0.8%;作用:在方案討論中論證電機(jī)的負(fù)載電流是否超出 LM298的最大 驅(qū)動(dòng)電流。在系統(tǒng)測試時(shí)用于檢測制作的電路板參數(shù)。 圖 4-2 DT9205萬用表電子秤型號:ACS30 性能:量程:1g-30kg ;精度:1g ;作用:在拉力與轉(zhuǎn)換后電壓值的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和儀器參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)中用于測量實(shí)驗(yàn)重物的重量。 圖

31、4-3 ACS30電子秤 游標(biāo)卡尺性能:量程:0-18cm ; 作用:在拉動(dòng)距離與轉(zhuǎn)換后脈沖數(shù)目的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和儀器參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)中用于測量實(shí)際的拉動(dòng)距離。 圖 4-4 游標(biāo)卡尺4.2 測試方法步驟與結(jié)果分析(1測試方法與步驟:如附圖 4所示, 將儀器放在水平的平面上, 拉力傳感器的上端固定在金屬支架的上端, 透明膠帶通過細(xì)線和拉力傳感器的下端連接,細(xì)線的另一端纏繞在減速電機(jī)的導(dǎo)輪上。 首先將透明膠帶的下端位置在金屬支架上進(jìn)行定標(biāo),開啟電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),手動(dòng)控制按鍵使電 機(jī)停轉(zhuǎn), 用游標(biāo)卡尺測量定標(biāo)處與拉伸后透明膠帶下端的距離即為實(shí)際拉動(dòng)距離 X 。 此 時(shí)記錄液晶顯示屏拉力的數(shù)值 F 1。使用沙子作為重物

32、拉伸透明膠帶,使用游標(biāo)卡尺測量 使其拉伸也為 X , 此時(shí)用電子秤稱出質(zhì)量重物質(zhì)量為 M 。 重復(fù)以上的步驟, 從 1mg-5kg , 分散測量 10組數(shù)據(jù)。質(zhì)量為 M 的沙子與產(chǎn)生拉力 F o 的關(guān)系如公式(4-1所示。 8. 9*MF (4-1 (2測試結(jié)果與分析:按照以上測試步驟,得出如表 4-1所示結(jié)果。表 4-1 實(shí)際拉力值與顯示拉力值測試顯示值 /kg 實(shí)際值 /kg 絕對誤差 /kg 標(biāo)稱相對誤差 /% 滿量程相對誤差 /%數(shù)據(jù)分析:誤差分析:拉力的顯示值與實(shí)際值的最大絕對誤差為 19g ,最大標(biāo)稱相對誤差為 0.478%,最大的滿量程相對誤差為 0.587%。量程:測量的最大量

33、程為 3.165kg 。重量大于該值后,顯示值保持不變。精度:測量的精度為 100mg 。(1測試方法與步驟:如附圖 5所示, 將儀器放在水平的平面上, 拉力傳感器的上端固定在金屬支架的上端, 透明膠帶通過細(xì)線和拉力傳感器的下端連接,細(xì)線的另一端纏繞在減速電機(jī)的導(dǎo)輪上。 首先將透明膠帶的下端位置在金屬支架上進(jìn)行定標(biāo),開啟電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),手動(dòng)控制按鍵使電機(jī)停轉(zhuǎn), 用游標(biāo)卡尺測量定標(biāo)處與拉伸后透明膠帶下端的距離即為實(shí)際拉動(dòng)距離 X 。 此 時(shí),查看液晶顯示的拉動(dòng)距離 L 。重復(fù)以上步驟,在 1mm-5cm 之間,分散測量 10組數(shù) 據(jù)。(2測試結(jié)果與分析:按照以上測試步驟,得出如表 4-2所示結(jié)果。表 4-2 實(shí)際拉動(dòng)距離與顯