最新可测频率的交流毫伏表.docx
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最新可测频率的交流毫伏表
可测频率的交流毫伏表
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
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