簡易數(shù)字顯示交流毫伏表

1、簡易數(shù)字顯示交流毫伏表摘要：本系統(tǒng)由高級模擬器件、CPLD，可實現(xiàn)具有自動量程轉(zhuǎn)換功能的真有效值測量、交流頻率測量和標準幅度可控的正弦波輸出等功能。測量部分具有高輸入阻抗（R2M,C<2.5pF），寬頻帶范圍（10 HZ-5M HZ）,寬電壓范圍（1mV-250V）,高精度（有效值，頻率<10-6）的優(yōu)越性能?？蓾M足多方位的需要。關(guān)鍵詞：靜電計 頻率計 高頻放大 真有效值 1.系統(tǒng)方案選擇與論證1.1設(shè)計要求設(shè)計并制作一個簡易數(shù)字顯示的交流毫伏表，示意圖如圖-1所示。圖-1 簡易數(shù)字顯示交流毫伏表示意圖基本要求（1） 電壓測量a、 測量電壓的頻率范圍100Hz500KHz。b、 測

2、量電壓范圍100mV100V（可分多檔量程）。c、 要求被測電壓數(shù)字顯示。d、 電壓測量誤差±5%±2個字。e、 輸入阻抗1M，輸入電容50pF（本項可不做測試，在電路設(shè)計中給予保證）f、 具有超量程自動閃爍功能。（2） 設(shè)計并制作該儀表所需要的直流穩(wěn)壓電源。發(fā)揮部分（1） 將測量電壓的頻率范圍擴展為10Hz1MHz。（2） 將測量電壓的范圍擴展到10mV200V。（3） 交流毫伏表具有自動量程轉(zhuǎn)換功能。（5） 其他。1.2系統(tǒng)基本方案及框圖根據(jù)題目要求及適當?shù)陌l(fā)揮，我們的硬件電路主要包括輸入信號的有效值測量、輸入信號的頻率測量。其中前兩者構(gòu)成一個測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)包括：信

3、號調(diào)理模塊、A/D，D/A模塊、信號真有效值轉(zhuǎn)換模塊、CPLD頻率測試模塊、算法控制器模塊、鍵盤顯示模塊、語音播報及打印模塊、電源模塊等。圖-3所示。為實現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設(shè)計方案并進行了論證，我們選取了較好的方案實現(xiàn)。MSP430F149鍵盤LCD顯示可編程信號放大器AD603高阻抗緩沖器保護電路交流真有效值轉(zhuǎn)換AD63712位A/D轉(zhuǎn)換信號輸入頻率測量CPLD波形整形D/A轉(zhuǎn)換DAC0832電源串口到PC機圖-3 測量系統(tǒng)框圖各模塊方案選擇和論證（1）有效值測量部分：方案一：用分立元件搭焊高頻放大電路，用精密整流電路測量輸入信號的真有效值。這種方案成本較低。但是這種電路結(jié)構(gòu)

4、復雜，調(diào)試困難，精度低，溫漂大，穩(wěn)定度低。而且，放大電路的放大倍數(shù)難以準確控制，導致放大和測量的結(jié)果不準確。方案二：用優(yōu)質(zhì)運算放大器做前級跟隨放大，用專用真有效值轉(zhuǎn)換芯片做有效值轉(zhuǎn)換。這種方案成本較高。但是，通過合理的選擇各級運放，可以做到電路簡單可靠，輸入阻抗高、測量精度高、近似無級量程轉(zhuǎn)換的優(yōu)良性能。（2）頻率測量部分：作為擴展功能對輸入交流信號的頻率進行測量。要實現(xiàn)快速準確的測量頻率，必須要有良好的硬件響應(yīng)速度和良好的測量策略。方案一：用單片機的計數(shù)器對基準時鐘源進行計數(shù)。然后通過計數(shù)的比值計算出被測信號的頻率。這種方案節(jié)省硬件，用一片單片機實現(xiàn)計數(shù)，運算等工作。但是，由于單片機內(nèi)部的計

5、數(shù)器所能計數(shù)的頻率有限，更重要的是開始計數(shù)和停止計數(shù)難以做到同步，所以，此種方法測得的頻率精度低，范圍窄。方案二：用8253等專用硬件計數(shù)器配合邏輯電路設(shè)計一套硬件測量電路。此種電路如果能合理設(shè)計，能做到實時性好，測量準確。但是設(shè)計起來較為麻煩。需要的硬件多，電路制作復雜。方案三：采用CPLD（復雜可編程邏輯器件）編寫代碼實現(xiàn)頻率計數(shù)功能。可編程邏輯器件響應(yīng)速度快可以達到十幾納秒甚至幾納秒，響應(yīng)頻率可以達到幾十兆甚至上百兆，可以實現(xiàn)高速計數(shù)?？删幊踢壿嬈骷梢杂么a實現(xiàn)硬件的功能，易于修改，而且性能優(yōu)于傳統(tǒng)的電路連接方式，對于一定規(guī)模的數(shù)字電路尤其顯示了其優(yōu)越性。系統(tǒng)各模塊的最終方案（1）有效

6、值測量部分：我們選用方案二：用各種優(yōu)質(zhì)運算放大器做信號調(diào)理，用有效值轉(zhuǎn)換專用芯片AD637作為有效值測量器件。（2）頻率測量部分：我們選用方案三：用CPLD作為硬件平臺進行同步計數(shù)，然后用單片機進行數(shù)據(jù)讀取、處理。精度可達<10-6，測量速度可達0.2s/次。2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)2.1系統(tǒng)硬件的基本組成概述本系統(tǒng)由電源、保護電路、分壓跟隨、信號放大、信號真有效值轉(zhuǎn)換、A/D、D/A、CPLD頻率測試、算法控制器、鍵盤、顯示、語音播報、打印、電源等十幾個模塊組成。各部分緊密聯(lián)系，形成了一套完善的測量系統(tǒng)。2.2有效值測量單元電路的設(shè)計有效值轉(zhuǎn)換電路總攬此部分為交流毫伏表的主要構(gòu)成部分，

7、負責輸入信號的處理以及測量。圖-4為此部分電路圖，可分為分壓網(wǎng)絡(luò)，輸入緩沖級，高頻放大級以及測量級。 圖-4有效值測量原理圖 高頻放大級經(jīng)過分壓后的信號一般是比較微弱的，還不能直接去進行真有效值轉(zhuǎn)換，需要放大至合適的幅值。這種放大器應(yīng)該是可變的，以保證使輸入電壓都放大到一個合適的幅度。我們設(shè)計了兩種方案，一種方案是通過繼電繼來改變串入放大的電路的放大級，通過不同放大倍數(shù)的組合來實現(xiàn)更多放大比，這種方法增加了繼電器的使用，使得切換時有大量的噪聲，且不能實現(xiàn)任意放大比；另一種方案就是采用程控放大器，通過電壓來控制放大倍數(shù)，從而得到最合適的輸出幅值，我們采用了此種方案。我們選擇了AD603可變增益放

8、大器。AD603在增益為11dB至31dB范圍內(nèi)具有90MHz的帶寬，通過兩級AD603級聯(lián)可實現(xiàn)20dB至60dB極寬范圍的增益，從而使得放大紡輸出的有效值在2V附近，達到最高的精度。超低溫漂基準源AD586的輸出經(jīng)過分壓產(chǎn)生500mV的電壓加在增益控制腳GNEG上，而單片機DA輸出01V的電壓加在GPOS上，從而使控制電壓Vg（Vgpos-Vgneg）在500mV至500mV內(nèi)，增益公式為Gain80Vg+20dB。由于AD603的輸入電阻僅為100歐姆，對于級間耦合電容，則需要很大才能達到理想的低頻響應(yīng)，我們用0.1uF，1uF和470uF的電容并聯(lián)，達到全頻帶都有理想的響應(yīng)。由于AD6

9、03的輸出幅值僅為-2V，所以我們級聯(lián)了一級由AD811構(gòu)成的同相放大器，其增益為2.從而提高了放大器輸出的幅度，進而提高了精度。如圖-8所示：圖-8高頻放大原理圖真有效值轉(zhuǎn)換一個交變信號的有效值的定義為：    這時，VRMS為信號的有效值，T為測量時間，V（t）是信號的波形。V(t)是一個時間的函數(shù)，但不一定是周期性的。    對等式的兩邊進行平方得：    右邊的積分項可以用一個平均來近似：    這樣式（2）可以簡化為：VRMS2=AvgV2（t） 

10、0;  (4)    等式兩邊除以VRMS得：VRMS=AvgV2(t)VRMS    （5）這個表達式就是測量一個信號真實有效值的基礎(chǔ)、AD公司的真有效值直流變換器也正是采用了這一原理。AD637是ADI的一款單片集成高精度真有效值轉(zhuǎn)換芯片，0.2V有效值輸入時，頻響為600K，而當輸入信號有效值高于1V是，頻響可高達8M。圖-9 AD637內(nèi)部原理圖圖-10 AD637外圍接線圖AD637可提供幅度值和分貝值兩種輸出接口，以滿足不同的需要 。在這里我們接成幅度輸出，然后經(jīng)過AD變換 ，由單片機進行處理。2.2.6 A/D

11、變換 12位AD2.3等精度頻率計電路設(shè)計由于輸入的信號是交流信號而CPLD（現(xiàn)場可編程邏輯器件）和施密特觸發(fā)器是數(shù)字芯片，不識別負信號，要把輸入交流信號變?yōu)橹绷餍盘?。用兩個電阻實現(xiàn)電壓鉗位功能，鉗位后的信號經(jīng)7414（施密特觸發(fā)器）整形為方波后直接輸入CPLD對其計數(shù)。原理圖如圖-11所示。由于CPLD可以實現(xiàn)高速響應(yīng)，可以實現(xiàn)準確計數(shù)。 圖-11頻率計原理圖2.5 電源電路設(shè)計本系統(tǒng)采用±5V，±12V直流供電。用多抽頭變壓器產(chǎn)生多路交流低壓，橋堆整流，電容濾波，再經(jīng)LM2576T、LM7905、LM7812、LM7912穩(wěn)壓給系統(tǒng)供電。電路總功耗<20W。3.系

12、統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)對軟件的要求不高，用前后臺式的程序即可能輕松完成系統(tǒng)的基本任務(wù)。3.1程序流程圖電壓頻率測量系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)初始化自動量程轉(zhuǎn)換啟動CPLD頻率測試真有效值測量計算讀取結(jié)果計算頻率CPLD并行測量頻率刷新顯示前臺程序：后臺程序：進入鍵盤中斷調(diào)檔語音播報數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)打印顯示設(shè)置中斷返回看門狗程序復位校準主循環(huán)任務(wù)判斷圖-17控制程序流程圖3.2程序核心簡介自動量程轉(zhuǎn)換程序有效值測量部分的待測電壓范圍寬，為保證精度，必須設(shè)定多個不同的量程。我們多量程是通過分壓網(wǎng)絡(luò)和程控放大器的相互組合來實現(xiàn)的。分壓網(wǎng)絡(luò)分為兩檔：1/2分壓，1/201分壓。程控放大器（級聯(lián)AD603）的線性增益調(diào)節(jié)范

13、圍為-20dB到60dB。經(jīng)測定，在-3dB到46dB的范圍內(nèi)線性度最好，噪聲最小，所以我們選用此區(qū)域。這樣1/2分壓網(wǎng)絡(luò)與程控放大器組合，可以得到-6dB到43dB的增益調(diào)節(jié)范圍。1/201分壓網(wǎng)絡(luò)與程控放大器組合，可以得到-46dB到3dB的增益調(diào)節(jié)范圍。我們分別選擇此兩個增益調(diào)節(jié)范圍為“交流毫伏檔”和“交流伏特檔”。前者能把電壓范圍為10mV到2.82V的搬移到2V，后者能把1V到282V的電壓搬移到2V。我們通過D/A轉(zhuǎn)換器微調(diào)程控放大器的增益，使輸入電壓搬移到2V附近，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器得到較為準確的結(jié)果電壓（接近2V）。通過D/A給出的增益值和A/D得到的結(jié)果電壓可以運算出待測電壓

14、的有效值。這樣做的目的是：一、A/D轉(zhuǎn)換器輸入的結(jié)果電壓接近滿偏，精度高。二、真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637的隨頻率變化的最佳線性區(qū)就在2V附近。這樣在很大程度上提高了系統(tǒng)的測量精度。測量系統(tǒng)的測量過程分為半自動換檔和全自動換檔。半自動換檔即為只給定“伏特檔”或“毫伏檔”，而在此兩范圍內(nèi)通過“D/A掃描”實現(xiàn)自動搜索并鎖定量程。半自動量程換檔的好處在于用戶可以事先估測待測電壓的大體范圍，然后選擇兩檔之一，這樣可以減輕“D/A掃描”的負擔，提高測量速度和測量準確度。全自動量程選擇是讓系統(tǒng)在全量程內(nèi)搜索電壓值。這樣會減慢測量速度，但可以不必估計待測電壓的大體范圍，使用較方便。由于分壓網(wǎng)絡(luò)與跟隨緩沖器之

15、間的低泄露保護二極管的鉗位作用，即使在低壓檔加上最高點壓，也不會燒壞系統(tǒng)。所以，系統(tǒng)盡可以在全量程內(nèi)搜索電壓值，這為全自動量程換檔提供了可能性。換檔過程采用誤差積分式的算法。根據(jù)當前檔測得的結(jié)果電壓與2V進行比較，通過比較誤差調(diào)整D/A增益給定。這樣換檔超調(diào)小，速度快。頻率測試的VHDL程序等精度頻率計的實現(xiàn)方法可以簡單的用圖-19表示：圖-19等精度頻率計主控結(jié)構(gòu)圖-19 中預置門控信號CL可由單片機發(fā)出，CL的時間寬度對測頻精度影響較小，只是影響測頻的最小值，所以可以在0.1秒至1秒間任意選取，令其為Tp。B和T是兩個可控的32位高速計數(shù)器,BEN和TEN分別是各自的計數(shù)使能信號，高電平有

16、效。20M標準信號源從B的時鐘輸入端BCLK輸入，被測信號經(jīng)整形后從與B相似的32位高速計數(shù)器T的時鐘輸入端TCLK輸入。測頻開始前，首先發(fā)一個清0信號CL,高電平有效，是兩個計數(shù)器、D觸發(fā)器和4位選通信號均置0，然后由單片機發(fā)出測頻允許命令，即令預置門控信號CL為高電平，這時D觸發(fā)器要一直等到被測信號的上升沿到來之后Q端才被置1（即令START為高電平），與此同時，將同時啟動兩個計數(shù)器B和T，進入計數(shù)允許周期。在此期間，B和T兩個計數(shù)器分別對被測信號和標準信號同時計數(shù)。當Tp秒之后，預置門控信號被單片機置為低電平，但此時兩個計數(shù)器并沒有停止計數(shù)，一直等到隨后而來的被測信號的上升沿到來時，才通

17、過D觸發(fā)器將這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉。由圖-20所示，CL的寬度和發(fā)出時間都不會影響計數(shù)使能信號EN(START)的寬度，EN的允許計數(shù)周期在任何情況下都恰好等于待測信號TCLK的完整周期數(shù)，這正是確保TCLK在任何輸入條件下都能保持恒定精度的關(guān)鍵所在。CL寬度的改變以及隨機出現(xiàn)的時間誤差最多只有基準源信號BCLK的一個時鐘周期，若BCLK由精確穩(wěn)定的石英晶體振蕩器（20MHz）發(fā)出，則在任何情況下測量誤差只有兩千萬分之一秒。圖-20 頻率計測控時序設(shè)在一次預置門時間Tp中對被測信號（頻率為Fx）計數(shù)為Nx,標準頻率信號（頻率為Fs）計數(shù)為Ns個，則有下式成立：Fx/Nx=Fs/Ns可得到測得的頻

18、率為：Fx=(Nx/Ns)*Fs最后當START由高變低之后由單片機發(fā)出15個SEL脈沖，4位計數(shù)器的不同輸出值控制16選1多路選擇器將測得的BCLK和TCLK的個數(shù)4位為一輸出單元經(jīng)寄存器被單片機讀入，由于用CPLD進行32位的計算占用大量資源，影響速度。所以由善于計算的凌陽16位單片機完成，在單片機內(nèi)計算出被測頻率的值并顯示結(jié)果。4. 系統(tǒng)測試4.1 測試儀器數(shù)字式雙蹤示波器TDS2012，信號發(fā)生器TFG2040，交流毫伏表等HG20704.2 指標測試以下為本系統(tǒng)在實驗室里測得的結(jié)果。真有效值測試真有效值測量的測試包括交流毫伏表在同一電壓下對不同頻率的響應(yīng)情況，和在同一頻率下對不同量程

19、電壓值得響應(yīng)情況。由于篇幅所限，這里只列出了在1.000V下的頻率響應(yīng)和在1kHz下的幅值響應(yīng)，以供參考。更詳測試請參照實物。頻率響應(yīng)測試：序號頻率輸入電壓測試結(jié)果誤差110Hz1.000V0.9960.4%2100Hz1.000V0.998V0.2%31kHz1.000V1.001V0.1%410kHz1.000V1.001V0.1%5100kHz1.000V1.007V0.2%61MHz1.000V0.997V-0.3%72MHz1.000V0.996V-0.4%幅值響應(yīng)測試：序號頻率輸入電壓測量結(jié)果誤差11kHz10mV10.10mV1%21kHz100mV99.01mV0.99%31kHz1V1.005V0.5%41kHz10V10.03V0.3%51kHz50V50.13V0.26%61kHz100V99.8V0.2%71kHz200V201.0V0.5%81kHz250V251.5V0.6%頻率測試序號電壓輸入頻率測試結(jié)果誤差11.000V10Hz10.0001Hz0.0001%21.000V100Hz99.9999Hz0.0001%31.000V1kHz1.00000KHz0%41.000V10kHz10.0000KHz0%51.000V100kHz100.000KHz0%61.000V1MHz1.00000MHz0%71.000V5MHz5.00000M