可测频率的交流毫伏表设计 精品.docx
《可测频率的交流毫伏表设计 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可测频率的交流毫伏表设计 精品.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
可测频率的交流毫伏表设计精品
可测频率的数字交流毫伏表设计
摘要
本设计是基于AD637电路的交流数字毫伏表电路设计。
该毫伏表是基于真有效值转换（TrueRMS-to-DCConverter）技术，以真有效值转换集成芯片AD637为核心，以微控制器（MCU）为量程转换控制，以高精确度10位分辨率串行A/D转换器为模数转换，通过LCD显示，并辅以必要的外围电路设计而成。
数字交流毫伏表系统主要由MCU控制模块、程控放大器模块、真有效值转换模块、频率测量模块、电压数字显示模块等组成，并且能够根据实际交流电压输入完成相应的量程转换功能，同时使用LCD显示测试电压值。
该电路采用TLC1594高精度串行A/D转换电路，测量范围在Vpp为0-10伏的交流信号，用LCD液晶显示。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了电路的基本原理，89C51最小系统的特点，TLC1594的功能和应用，LCD1602的功能和应用。
该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。
关键词真有效值数字显示频率测量TLC1594A/D转换器
引言
数字电压表（数字面板表）是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具，有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。
在电气测量过程中，电压是一个很重要的技术参数。
如何准确地测量模拟信号的电压有效值，一直是电测仪器研究的内容之一。
目前，低精度交流数字毫伏表大多采用平均值原理，只能测量不失真正弦信号的有效值，故受到波形失真度的限制而影响测量精确度和使用范围。
真有效值数字仪表可以测量在任何复杂波形而不必考虑波形种类和失真度的特点以及测量精确度高、频带范围宽、响应速度快的特点而得到广泛应用[1]。
在真有效值数字电压表设计中，提高系统的测量精确度、稳定性、改善线性、提高频率响应特性是本设计中的关键。
数字电压表的设计和开发,已经有多种类型和款式。
和以往的仪器、仪表有所不同的是该设计具有智能调挡功能，它是基于单片机为基础的智能化仪表，是单片机应用领域中的又一个新的亮点。
单片机的诞生和独立的技术发展道路，充分表明单片机是一个应用于对象体系的智能化工具。
这也在仪表应用领域中得到充分肯定。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
本设计的智能数字交流毫伏表则采用双积分式A/D转换方案，从原理上克服了模拟电压表的缺陷。
而且在具体设计和实现过程中有效地保证了仪器的精度和灵敏度。
所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际上,都具有传统数字电压表无法比拟的特点,这使得它的开发和应用具有良好的市场前景。
1总体方案设计
交流毫伏表系统包括:
数据采集部分、数据处理部分、结果显示部分等三个主要组成部分。
其中真有效值交流/直流转换器是核心元件。
本设计采用高精度AD637芯片，量程为Vopp：
0~10V，精确度为0.05%RDG+0.25mV.
系统设计的总体思路:
首先将模拟信号通过放大电路将电压值转换到RMS-DC变换器的工作电压范围内，然后让变换结果通过模/数转换后直接送入单片机，经软件算法的相应处理后送液晶显示。
若输入的被测信号电压不在合适的量程之内，单片机经过判断后控制模拟开关对放大电路作相应的调整，以实现仪器智能转换量程的功能，并起到了保护后续电路的作用。
系统原理框图如图1-1所示：
图1-1系统原理框图
从系统原理框图1-1中可以看出，交流毫伏表系统主要有六个功能模块：
程控放大器模块、单片机最小系统模块、真有效值转换模块、波形整形模块、A/D转换模块及液晶显示模块组成。
其中程控放大器模块、真有效值模块、A/D转换模块及波形整形模块可以归纳为数据采集部分；单片机模块和液晶显示模块可以分别认为是数据处理部分、结果显示部分。
工作流程简述：
交流电压信号经过程控放大器对交流信号进行增益调整后进入信号真有效值转换，转换后的信号经过模拟信号到数字信号的转换过程[2]；经转换后的信号经单片机处理程序先判断信号是否衰减适度，要是衰减适度就送液晶显示出来，如果衰减度太大或太小的话则进行衰减调整，经衰减合适后的信号经液晶显示出来最终结果。
2技术方案论证与比较
在技术方案中，系统功能模块主要涉及到系统的组成和元件的选择。
系统模块主要包括：
程控放大器模块、真有效值直流（RMS-DC）变换模块、模/数转换模块、频率测量、单片机最小系统模块、液晶显示模块等六个主要组成部分。
通过对以上六大模块的功能分析和比较，提出一下技术设计方案以供选择。
2.1真有效值直流变换模块设计方案
真有效值直流变换模块是本设计的重点，它的设计与器件的选择关系到交流数字毫伏表的精确度和灵敏度，通过对交流毫伏表设计文献、资料的学习和借鉴，提出以下设计方案以供选择。
方案一：
热点变换法。
此方法包括热电偶效应平衡转换和热敏三极管变换。
热电偶配对很困难，并且有相应缓慢、过载能力差等缺点。
方案二：
采样计算法。
此方法是对周期信号进行快速采样，获得很多个离散值
，
，
，…，存储在内存中再利用计算机的运算功能，按有效值数学定义：
=
[8]进行运算。
此方案虽然转换精度高，但是技术要求高，造价也高，不适合用于多位数字表的设计。
方案三：
模拟直接运算变换法。
根据有效数学定义用集成组件乘法器、开方器等依次对被测信号进行平方、平均和开方等计算，直接得出输入信号的有效值。
在这种电路设计中，当输入信号幅度变小时，平方器输出电压的平均值下降很快，输出幅度很小，往往与失调和漂移电压混淆，因此该电路动态范围很窄，精度不高。
方案四：
单片集成有效值转换组件法。
对数放大器转换是利用晶体管PN结平方律传递关系而成的。
单片集成电路AC/DC真有效值转换芯片，内部集成了实现算法求取有效值的各种电路，能将任意波形的交流电压信号直接转换成与其有效值成比例的直流电压，而不必考虑波形参数和失真度的大小。
并且AD637[21]对输入200mv带宽可达1MHz，2v以上输入时带宽可达8MHz，输入200mv以下时可以前置放大电路，且使用缓冲模式输入阻抗可达100M欧，因此AD637完全可以胜任题目要求。
比较以上四种方案，采用方案四进行AC/DC真有效值转换，电路简单，而且在理论上能保证较高的精确度，性价比较高，具有实际的参考价值。
2.2程控放大器模块设计方案
本设计的电压表显示范围为Vopp：
0V～10V，因后级有效值转换模块的输入电压范围为1.76～3.6V，因而需要进行量程的转换。
根据被测信号的大小可把电压表的量程与放大倍数设置如下表：
量程（Vopp）
5mv-
10mv
10mv-
20mv
20mv-
40mv
40mv-
80mv
80mv-
160mv
160mv-
320mv
320mv-
640mv
放大倍数
1000
500
250
125
62.5
32
16
量程（Vopp）
640mv-
1.28v
1.28v-
2.56v
2.56v-
5.12v
5.12v-
10.24v
放大倍数
8
4
2
1
根据上表，把范围在Vopp：
0V～10V内的输入信号通过两级反相放大电路放大到Vopp：
5V～10V这个范围类。
由于单级的放大倍数最大为50倍，最大频率为100KHz，即要求运放的增益带宽积最少为5MHZ。
NE5534的增益带宽积为10MHZ，能够满足性能要求，因此程控放大模块采用NE5534为核心元件，配合CD4051进行放大倍数的切换。
2.3模/数转换模块设计方案
模/数转换模块是数字交流毫伏表设计的一个重要环节，它的设计直接关系到后续电路的被测量电压信号的处理和显示的精度。
通过程控模块输出来的电压信号通过模/数转换模块把模拟被测信号转换为数字被测信号，以便后级单片机处理模块正常工作，因单片机只能接受数字信号。
并且模/数转换模块的位数直接决定被测电压的精度。
以通过学习和借鉴以往交流毫伏表的设计文献，提出以下设计方案。
方案一：
8位A/D转换器AD0809[3]
将交流电压的真有效值通过AD0809转换为数字量，然后通过由单片机AT89S51控制，将数字量用LED数码管显示出来。
由于AD0809是八位的A/D转换器，在精度方面无法达到题目的要求，所以放弃这一方案。
方案二：
31/2位A/D转换器MC14433
MC14433集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
但是MC14433的满量程为200ｍV,无法满足本题的设计要求。
方案三:
10位A/D转换器TLC1549
TLC1549是10位模数转换器。
它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSBMax（4.8mV）等特点，其量程为0-5V，基本满足本课程设计的要求。
同时其操作也比较简单，方便实用。
综合比较，选用TLC1549更容易实现题目的基本要求，也可获得良好性能。
故本系统选用方案三。
2.4LCD显示模块设计方案
液晶显示器（LCD）[5]是一种功耗很低的显示器，它具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，伴随电子技术的飞速发展，液晶显示器的价格越来越便宜，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
它的使用非常的广泛，不但在家用电器中经常应用，而且在现代电子设计中的应用也越来越多。
本设计使用的是1602液晶显示器。
1602可以显示2行16个字符，可以显示阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文等，完全满足本设计显示要求。
3系统硬件电路设计与实现
系统硬件电路设计主要包括：
程控放大器模块、波形整形模块、真有效值直流（RMS-DC）变换模块、模/数转换模块、单片机控制模块、液晶显示模块等六个主要组成部分。
下面就这五部分的硬件电路设计作如下分析和概括。
3.1程控放大器电路设计
程控放大器模块由三部分构成：
射极跟随器、模拟开关和集成运算放大器。
各部分的具体功能如下：
第一：
射极跟随器射极跟随器就是信号从发射极输出的放大器。
其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，动态电压放大倍数小于1并接近1，负载能力强，且输出电压与输入电压同相但是输出电阻低，具有电流放大作用和功率放大作用。
常作阻抗变换和级间隔离用。
本设计当中的射极跟随器用的是NE5534集成运算放大器，连接方式是基极与发射极共地，基极输入信号，发射极输出。
第二：
模拟开关模拟开关CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。
“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。
此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。
第三：
集成运算放大器根据设计要求，被测电压信号由于后级电路的输入要求要做适当的放大或缩小。
前级电路的输入电压经过射极跟随器和模拟开关之间的分档电阻后被适当的衰减或放大，为考虑到系统设计的精度要求，后级放大电路要对被测信号做适当的放大，以便真有效值转换电路能正常工作和满足系统精确度的要求。
本设计用的是NE5534集成运算放大器，它经过外围电路构成放大倍数为1—50倍（如上表所示）的信号放大器。
程控放大器模块设计过程中所用器件简介:
第一：
NE5534
NE5534是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,如果使用双电源，能达到最佳的放大效果。
NE5534特点介绍：
•小信号的带宽：
10MHZ
•输出驱动能力：
600Ω，10VRMSat在VS=±18V
•输入噪声：
4nV/HZ^2
•直流电压增益：
100000
•交流电压增益：
6000在频率为10KHZ
•功率带宽：
200KHZ
•转换速率：
每秒13V
•大电源电压范围：
从±3V到±20V
图3-1NE5534DIP封装
NE5534DIP封装如图3-1所示。
第二：
CD4051
模拟开关CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。
“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。
此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可图3-2CD4051芯片
传输峰－峰值达15V的交流信号。
第三：
程控模块原理图如下图3-3所示。
图3-3程控放大器模块
模块工作原理简述：
交流信号进入电路以后，通过两级反相放大电路进行放大。
第一级放大电路可放大的倍数为：
50，25，3，2，1。
第二级放大电路可放大的倍数为：
30，20，5，4，2，1。
通过控制CD4051，选择不同的反馈电阻，就可以实现不同的放大倍数的切换。
通过前后两级放大电路的放大倍数的不同组合，使得输入信号都能放大到Vpp为5V-10V的范围内。
3.2真有效值转换电路设计
普通数字电压表只能测量直流电压。
如果要测量交流电压，必须增加交流/直流（AC/DC）转换电路。
由于本系统采用测交流有效值的方案，所以需要对交流信号进行真有效值转换。
真有效值方法检测电压、电流的核心是TRMS/DC转换器，这类转换电路现已实现单片集成化。
就精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间因素综合考虑，本设计选用了AD公司的RMS-DC变换器件AD637。
它具有响应速度快，响应时间和信号幅度无关等特点。
根据其特性曲线，AD637在输入电压在0.2V～2V范围内有最佳频率响应，故衰减放大电路的输出信号电压应控制在该范围内。
AD637是一块高精度单片TRMS/DCC转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值。
AD637集成芯片采用了峰值系数补偿，在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1％，频带宽度在2V以上输入时可达8MHz。
AD637的制造工艺先进，采用激光修正，一般情况下不需要加外部调整元件。
惟一的外围元件是平均电容,用来设定平均时间常数，并决定低频准确度、输出波纹的大小及稳定时间。
AD637的内部有独立的缓冲放大器，既可作输入缓冲器用，亦可构成有源滤波器来减小纹波，提高测量准确度。
此外，芯片内部输入端有过压保护电路，即使输入电压超过电源电压，一般也不会损坏芯片。
AD637的内部结构框图如图3-4所示[19]，主要由缓冲器、有源整流器、偏置电路、平方/除法器和滤波电路组成。
如图3-4所示，输入电压通过有源整流器转换成单极性电流I1，加至平方/除法器的一个输入端。
平方/除法器的输出电流为，有关系式为：
（3-1）
利用
驱动
并与
构成一个低通滤波器，
经外部提供一个电流
，再通过
返回平方/除法器，完成下述隐含式有效值计算：
（3-2）
（3-3）
图3-4AD637内部结构框图
理论验证：
根据美国模拟公司提供的资料，我们可以得到在理想情况下AD637的频率响应。
当
时，频率上限为300kHz；
时，频率上限为600kHz；
时，频率上限高达8MHz。
完全能够符合本题设计需求。
图3-5AD637频率响应图
AD637的运算方程为：
（3-4）
其中，T为
的周期。
输入电压
通过AD637中的绝对值电路变成单极性电流，加至平方/除法器的一个输入端，再经低通滤波/放大器，最终在AD637的9号脚输出直流电压
。
图3-6AD637外围电路
综上所述，由AD637构成的转换电路具有准确度高，稳定性好，测量速速快等特点，可以测量各种波形的有效值，且频带宽，是一种较理想的设计。
3.3A/D转换电路设计
A/D转换电路模块的核心是TLC1549。
TLC1549的引脚功能及主要特性：
◆10位分辨率的A/D转换器◆引脚兼容TLC549和TLV1549
◆内部取样保持功能◆COMS工艺
◆总共不可调最大误差为±1LSB
◆片内系统时钟
TLC1549C、TLC1549I和TLC1549M是一个10位开关电容器，逐次逼近型的AD转换器。
这个芯片有2个数字输入端，1个三态输出口（CS），1个I/OCLOCK端口和1个数字输出端（DATAOUT）,可以实现一个三总线接口到总控制器的串行口的数据传输。
内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能,而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1LSB（4.8mV）,因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。
引脚功能：
ANALOGIN：
模拟信号输入。
电源阻抗应该小于1K欧。
外部电源到该引脚的电流应大于10mA。
CS：
片选。
CS从高电平到低电平跳变可以复位内部计数器并在一个最大的启动时间
加上两个内部时钟的下降沿时间内控制和使能DATAOUT、I/OCLOCK。
在一个启动时间加上两个内部时钟的下降沿时间内CS从低电平到高电平可以禁止I/OCLOCK。
DATAOUT：
当CS为高时AD转换结果为高阻抗，当CS为低时AD转换结果有效。
在有效CS下，该引脚输出值为上次转换结果的最高有效位（MSB）的数字量。
在下一个时钟下降沿输出次高位数字量，以此顺序输出直到第9个下降沿输出最低有效位（LSB），在第10个时钟下降沿，该引脚被拉低以确保串行数据口传输超过10个时钟周期。
GND：
该引脚和内部电路的地相连，除非有特殊要求，所有的地都和该引脚相连。
I/OCLOCK：
输入/输出时钟口。
该引脚作为串行时钟的输入口有以下三个功能：
（1）在第三个时钟下降沿时，模拟输入电压开始给阵列电容充电一直到第10个时钟下降沿。
（2）之前转换结果的9个剩余位随着该引脚在DATAOUT引脚上逐位输出。
（3）在第10个时钟下降沿，该引脚可以控制转换结果传输到内部控制器。
REF+：
正参考电压的值（通常接VCC）接到REF+引脚上。
REF-：
负参考电压的值（通常接地）接到REF-引脚上。
最大输入电压的范围是REF+电压和REF-电压的差值。
VCC：
正电源电压。
详细描述：
当CS为高电平时，I/OCLOCK为初始禁止状态、DATAOUT为高阻抗状态。
当串口将CS拉低后，随着CLOCK和DATAOUT的使能开始转换数据。
然后串口开始提供一个顺序时钟，同时接受DATAOUT上次的转换结果。
通过串口设置CLOCK口10-16个时钟周期，在第一次的10个时钟周期内完成模拟信号的取样。
TLC1549有6个基本的串口时间模式。
这些模式取决于时钟的速度和对CS的操作。
这些模式包括模式1：
（快速模式）10个时钟周期的转换时间并且CS为高
模式2：
（快速模式）10个时钟周期的转换时间并且CS为低
模式3：
（快速模式）11~16个时钟周期的转换时间并且CS为高
模式4：
（快速模式）16个时钟周期的转换并且CS为低
模式5：
（慢速模式）11~16个时钟周期的转换并且CS为高
模式6：
（慢速模式）16个时钟周期的转换并且CS为低
图3-10A/D转换电路
3.4单片机最小系统电路设计
单片机即微控制器[10],它集中央处理器、存储器、输人输出电路等为一体,可以完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。
那么,一个最简单的单片机系统都由哪些电路组成呢？
从图可以看出,典型的单片机系统包括晶振、复位、电源、系统的输人控制、输出显示,以及其他外围模块等。
单片机的工作流程,就是在系统时钟的作用下,一条一条地执行存储器中的程序。
单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容,以及单片机内部的时钟电路组成,晶振的频率越高,单片机处理数据的速度越快,系统功耗也会相应增加,稳定性也会下降。
单片机系统常用的晶振频率6MHZ、11.0592MHZ、12MHZ等，本设计的系统用的是12MHZ的晶振。
电容使用的是30PF或22PF的都可以。
系统刚上电时,单片机内部的程序还没有开始执行,需要一段准备时间,也就是复位时间。
一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。
当程序跑飞或死机时类似于电脑的死机,也需要进行系统复位。
复位电路有很多种,典型的电路如图所示。
在产品开发中,有时专门用一个芯片来设计复位电路,单片机基本工作电路其他外围器件单片机输出显示电源时钟电路图单片机典型系统组成稳定性真的很重要。
对于复位电阻和电容的选择,图中的复位电阻和电容是经验值,实际制作时,可以用同一个数量级的代替。
单片机的EA脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。
由于现在单片机内部的FLASH容量都很大,因此基本都是从内部的存储器读取程序,即不需要外接ROM来存储程序,因此,EA脚必须接高电平这点一定要注意,很多初学者常常将脚悬空,导致程序执行不正常。
下图所示为最小系统方框图：
图3-11单片机最小系统
根据初步设计方案分析，设计这样一个简单的应用系统，可以选择带有EPROM的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。
Intel公司的8051、80C51和8751芯片均可以选用。
鉴于STC系列芯片在烧录时比较简单，使程序写入更加方便，我们选用STC系列的89C51单片机。
该型号单片机用很少的外围元器件就可以完成串口的下载，不但简单易行，而且价格低廉、购买方便。
可多次写入，便于调试。
STC89C51芯片采用DIP-40封装形式，管脚配置如图4-2所示：
40只引脚按其功能来分，可以分为如下3类：
（1）电源及时钟引脚：
Vcc、GND；XTAL1、XTAL2。
（2）控制引脚：
PSEN、ALE、EA、RESET。
（3）I/O口引脚：
P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
引脚功能介绍：
（1）电源引脚：
Vcc（40引脚）：
接+5V电源。
GND（20引脚）：
接地。
（2）时钟引脚：
XTAL1（19引脚）：
外接晶体的1个引脚。
该引脚的内部是一个反相放大器的输入端。
这个反相放大器构成了片内振荡器。
如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2（18引脚）：
接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。
若采用外部时钟振荡器时，把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
（3）控制引脚：
图3-12STC89C51芯片
RST/VPD（9引脚）：
RST复位信号输入端，高电平有效。
VPD：
备用电源的输入端。
ALE（30引脚）：
地址所存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。
PSEN（29引脚）：
程序存储器允许输出控制端。
EA（31引脚）：
内外程序存储器选择控制端。
当EA引脚为高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC值超过0FFFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
（4）I/O口引脚：
P0口：
双向8位三态I/O口，此口为地址总线及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。
P1口：
8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。
P2口：
8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型T
升级会员 