基于AVR微控制器的交流信號(hào)峰值檢測與校正

摘要：微控制器外圍電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)是一個(gè)比較成熟的領(lǐng)域，相比硬件，軟件系統(tǒng)的研發(fā)周期更短，投入更少，在中國更加具有發(fā)展空間。基于AVR單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，采用一種全新的檢測交流信號(hào)峰值的算法，并輔以相應(yīng)的自校正算法來實(shí)現(xiàn)精確的峰值檢測。通過硬件上的實(shí)現(xiàn)證明此種算法的速度非常快，精度高達(dá)0．1％，在測控工業(yè)應(yīng)用中具有非常好的前景。
關(guān)鍵詞：峰值檢測；自我校正；算法

0 引言
    單片機(jī)在民用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用主要以測量和控制為主。一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)除了健全的軟件系統(tǒng)外，往往還需要外圍電路的支持。而現(xiàn)如今，對一些傳統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，因此在硬件上要想有所突破要比在軟件算法的突破難得多。拿峰值檢波電路來說，理論上，交流電源在正半周的一段時(shí)間內(nèi)，通過二極管對電容充電，使電容上的電壓逐漸趨近于峰值電壓。只要RC足夠大，可以認(rèn)為其輸出的直流電壓數(shù)值上十分接近于交流電壓的峰值。但是由于泄放電流的影響，輸出電流很難精確地等于輸入電流的峰值。盡管有很多改良后的解決方案，但無論是哪一個(gè)種檢波電路，它們的一個(gè)相通的缺點(diǎn)就在于電路是非線性的。非線性的電路使內(nèi)部的軟件系統(tǒng)不能用相對簡單的方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的校正。系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下(包括溫度，電路，測量工具等)，誤差值隨輸入值按一定規(guī)律變化，這種變化可以是線性或非線性的。非線性系統(tǒng)誤差通常采用查表法來修正，通過實(shí)際校準(zhǔn)將各校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存入校準(zhǔn)表中，在以后的實(shí)際測量中，通過查表求得修正了的測量結(jié)果，因此需要建立大量的校正點(diǎn)數(shù)據(jù)來提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，增加算法的計(jì)算量和復(fù)雜程度就不可避免的了。一個(gè)系統(tǒng)研發(fā)人員追求的是簡潔度與先進(jìn)性，而不是復(fù)雜度，因此簡化外部模擬輸入電路是當(dāng)務(wù)之急。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    圖1給出的是精密電壓表與精密電流表的模擬輸入部分電路。整個(gè)電路只用到放大器與分壓電路，設(shè)計(jì)簡潔，而且在低頻區(qū)系統(tǒng)誤差是線性的，因此用作AVR內(nèi)部ADC的模擬輸入電路。

    不足的是，圖l中的LM324放大器對高頻信號(hào)的頻率響應(yīng)不理想。如果用傳統(tǒng)的峰值計(jì)算的算法，利用Nyquist定理，在采樣頻率不小于信號(hào)頻率的條件下，對多個(gè)樣本的幅值進(jìn)行綜合運(yùn)算如下：
   
    這種方法對采樣頻率有較高的要求，尤其是高頻輸入的時(shí)候，要求高速的ADC，而且樣本數(shù)過大會(huì)造成計(jì)算量加大，所以要想在高頻區(qū)有所應(yīng)用非常困難。如果使用專用轉(zhuǎn)換芯片又會(huì)增加產(chǎn)品制作的成本，而且存在系統(tǒng)誤差難測算的問題。因此筆者在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上都做出了一些新的嘗試。

    硬件電路方面，借助圖2的頻率測量電路和AVR的輸入捕捉功能(ICP)配合來測算輸入信號(hào)的頻率。74HCU04是高速的16進(jìn)制CMOS反相器，傳輸時(shí)間很短，具有很好的頻率特性。2 正弦波峰值測量理論的建立
    算法上，通過測算出來的信號(hào)周期值，在1／4個(gè)周期上任取兩點(diǎn)就可以推導(dǎo)求出信號(hào)的峰值，下面是對該方法的推導(dǎo)和求證。
    首先，利用AVR ATmega64的定時(shí)器1的輸入捕捉功能，在單位圓的1／4周期內(nèi)截取兩個(gè)點(diǎn)yl，y2。無論它的捕捉屬性是上升沿還是下降沿，因?yàn)檠訒r(shí)的關(guān)系不可能絕對準(zhǔn)確地捕捉到電平翻轉(zhuǎn)的瞬間時(shí)刻，也就是說檢測的初相不同于真實(shí)的初相，又因?yàn)槌跸鄷?huì)隨著峰值和頻率發(fā)生變化，因此不能用勾股定理中使用相位相加為90度方法取出兩點(diǎn)再求出峰值。具體的推導(dǎo)如下。
    

    在公式(17)中，y1和y2的相位是已知的，幅值可以通過內(nèi)部ADC采樣得到。那么，求峰值的問題就迎刃而解了。

3 算法實(shí)現(xiàn)
    前面提到，通過AVR內(nèi)部的ICP捕捉到的初相和實(shí)際初相有偏差，但因?yàn)樵谙乱粋€(gè)周期來臨的時(shí)刻又會(huì)出現(xiàn)相同的偏差，所以并不影響周期計(jì)算的結(jié)果。只要利用Timerl的ICP中斷服務(wù)程序，就可以輕松求得信號(hào)周期，然后再將y1的相位增量(φ1=30所對應(yīng)的周期分量：周期的1／12)加到輸出比較寄存器上，以此來控制ADC的啟動(dòng)并對y1進(jìn)行采樣。同時(shí)利用輸出比較中斷服務(wù)程序和y2的相位增量，開啟ADC并對y2進(jìn)行采樣。
    因?yàn)橥獠康哪M輸入部分是線性電路，在實(shí)際測量時(shí)，只要取兩點(diǎn)做為校正點(diǎn)，讀取和測取兩組真實(shí)值和誤差值，就能求得下面二元二次方程的解Ki和K0：
   

4 總結(jié)
    本文中采用一種新的峰值測算方法，打破傳統(tǒng)方法中對硬件的過度依賴，不僅方法新穎，而且大大簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，將測控功能最大程度地轉(zhuǎn)移到軟件系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)，使得校正工作變得十分簡單而有效。同時(shí)，這種檢測方法具有超乎尋常的高精度，可達(dá)O．1％，為工業(yè)測控的一些技術(shù)難題提供了很好的解決方案。