低频电压真有效值测量系统正文Word文件下载.docx

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方案一软件算法过于复杂，编程难度较大，而方案二软硬件都较简单，故设计中选用方案二。

3单元模块设计

系统总体框图：

系统主要由真有效值转换模块、AD0808采样处理模块、单片机处理模块、LED显示模块组成。

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1真有效值转换模块

真有效值转换模块采用的芯片是AD736，AD736是AD公司推出的真有效值直流变换器。

和以往的有效值测量技术不同，真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真实有效值，它不是采用整流加平均测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术。

采用AD736可以简化仪器的设计，增加信号测量品种，并且灵敏度、精确度也大大改善。

系统的核心是测量交流电压的有效值，因此有效值测量的精度将直接影响系统最终的精度。

该器件是按有效值隐含运算而设计，能计算任意复杂波形的高精度真有效值--直流转换器件，其精度优于0.3%，波峰因素≤5，相对稳定时间快，是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。

AD736有效值测量原理如下:

一个交变信号的有效值定义为

（1）

这里，

为信号的有效值，T为测量时间，

是一个时间的函数，但不一定是周期性的。

对等式两边进行平方得：

（2）

右边的积分项可以用一个平均来近似

（3）

这样式

（2）可以简化为：

（4）

等式两边除以

得：

（5）

这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础。

AD736也是采用的这一原理。

图中CC为低阻抗输入端耦合电容一般取值为10～20uF；

CF为输出端滤波电容一般取10uF；

CAV为平均电容，它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。

其大小将直接影响到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。

多数情况下可选33uF。

设计电路：

图3.1.1.1真有效值转换模块

因为本次设计要求测量的是-10V——+10的低频信号，而AD736主要用于便携测试仪表，它的静态功耗电流小于200µ

A,可接受的信号有效值为0～200mV,但如加上衰减器，可增大测量范围。

同时我们知道，AD0808与单片机能接受的电压信号约为5V,。

可先通过一个衰减模块将信号先衰减50倍送入AD736，从AD736出来后将信号放大25倍，然后在经过单片机的程序处理将衰减的两倍弥补，最终正确的显示在LED上。

图3.1.1.2衰减、放大器电路

3.1.2AD采样处理模块

本模块使用了AD0808，其主要作用是将模拟信号转化为数字信号，经过转换单片机可以对信号经行处理，最后实现对测量信号的显示。

AD0808需要NE555提供时钟信号才能正常工作。

图3.1.2AD0808采样处理

3.1.3单片机处理模块

本次设计的单片机处理模块功能主要是对衰减了两倍的数据进行放大处理以及使测量数据正确的显示在LED数码管上。

图3.1.3单片机处理模块

3.1.4LED显示模块

本模块主要实现测量数据的显示设计本模块主要注意应加一个上拉电阻在P1口。

图3.1.4LED显示

3.1.5稳压电源电路模块

本文的设计采用了稳压电源电路，将220V交流电压转变为

和

，来满足系统设计中的供电需要。

图3.1.5稳压电源电路

3.2电路元器件的选择

本次设计选用了真有效值转换芯片AD736对不同波形信号的电压真有效值转换，该器件是按有效值隐含运算而设计，能计算任意复杂波形的高精度真有效值--直流转换器件，其精度优于0.3%，波峰因素≤5，相对稳定时间快，是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。

选择了ADC0808来对模拟信号进行采样变换后成为数字信号，ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。

单片机选用了我们熟悉的51单片机，51单片机使用广泛，功能强大，同时我们学习时是由51单片机来讲解的，便于我们更好地进行电路设计和程序的编写。

数码管选择了7SEG-MPX4-CC 

四个共阴二极管显示器，因为单片机I/O输出的电流过小不足以驱动数码管，加上拉电阻可以解决这个问题。

3.3特殊器件的介绍

3.3.1AT89C51单片机引脚结构与功能

图3.3.1AT89C51单片机

主要特性：

（1）与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程闪烁存储器（3）寿命：

1000写/擦循环数据保留时间10年（4）全静态工作：

0Hz-24Hz（5）三级程序存储器锁定（6）128*8位内部RAM（7）32可编程I/O线（8）两个16位定时器/计数器（9）5个中断源（10）可编程串行通道（11）低功耗的闲置和掉电模式（12）片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.3.2AD736真有效值转换芯片介绍

（1）AD736的引脚及内部结构

图3.3.2.1AD736引脚排列图3.3.2.2AD736内部框图

AD736引脚：

+Vs：

正电源端，电压范围为2.8～16.5V；

-Vs：

负电源端，电压范围为-3.2～-16.5V；

Cc：

低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（≤200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为10～20μF.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；

VIN：

高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10MΩ，以减少对被测电压的分流。

该端有两种工作方式可选择：

第一种为输出AC+DC方式。

该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；

第二种方式为AC方式。

该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。

　　COM：

公共端；

　　Vo：

输出端；

　　CF：

输出端滤波电容，一般取10μF；

CAV：

平均电容。

它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。

其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。

多数情况下可选33μF。

AD736的内部框图如图3.3.2.2所示。

它主要由输入放大器、全波整流器、有效值单元（又称有效值芯子RMSCORE）、偏置电路、输出放大器等组成。

芯片的2脚为被测信号VIN输入端，工作时，被测信号电压加到输入放大器的同相输入端，而输出电压经全波整流后送到RMS单元并将其转换成代表真有效值的直流电压，然后再通过输出放大器的Vo端输出。

偏置电路的作用是为芯片内部各单元电路提供合适的偏置电压。

目前市场上的万用表大多采用简单的整流加平均电路来完成交流信号的测量，因此这些仪表在测量RMS值时要首先校准，而且用这种电路组成的万用表只能用于指定的波形如正弦波和三角波等，如果波形一变，测出的读数就不准确了。

真有效值直流变换芯片AD736则不同，它可以直接测得输入信号的真实有效值，并和输入波形无关。

（2）AD736的典型应用电路

AD736有多种应用电路形式。

图3.3.2.3为双电源供电时的典型应用电路，该电路中的+Vs与COM、-Vs与COM之间均应并联一只0.1μF的电容以便滤掉该电路中的高频干扰。

Cc起隔直作用。

若按图中虚线方向将1脚与8脚短接而使Cc失效，则所选择的就是AC+DC方式；

去掉短路线，即为AC方式。

R为限流电阻，D1、D2为双向限幅二极管，超过压保护作用，可选IN4148高速开关二极管。

图3.3.2.3AD736在双电源供电时的高阻抗应用电路

图3.3.2.4为采用9V电池的供电电路。

R1、R2为均衡电阻，通过它们可使VCOM=E/2=4.5V.C1、C2为电源滤波电容。

上述图3和图4电路均为高阻抗输入方式，适合于接高阻抗的分压器。

图3.3.2.4采用9V电池的高阻抗应用电路

图3.3.2.5和图3.3.2.6分别为低阻抗输入方式时，用双电源供电和采用9V单电源供电时的典型应用电路。

图3.3.2.5双电源低阻抗应用电路图3.3.2.69V电池供电低阻抗应用电路

（3）注意事项

　　图3.3.2.7是由单片机8098和AD736等芯片组成的可测量交直流有效值的智能化RMA仪表组成框图。

图3.3.2.7智能化RMS仪表组成框图

应用AD736来制作RMS仪表时，应注意以下几个问题：

（1）当被测交流电压超过200mVRMS时，必须在AD736前加一级分压器，以将被测电压衰减到200mV以内。

在采用AD736典型电路制作RMS仪表时，可在AD736的输出端接1.0级、200mV直流毫伏表，或接3位半数字电压表（DVM）。

也可利用典型的500型万用表的直流电压档，加上AD736的典型应用电路改制成RMS仪表，AD736应用电路的电源可取自万用表内的9V电池。

（2）若要测量交流电流的真有效值，应在AD736前面加一级分流器。

此时应用AD736可选图6所示电路。

　　（3）设计高精度真有效值RMS时，还应考虑被测电压的波峰因素Kp（波峰因数Kp是被测信号的峰值与真有效值之比）的影响，应仔细选择合适的CAV.常见的正弦波、言波、三角波和锯齿波的Kp≤2，此时CAV可取33μF.但对于窄脉冲或晶闸管的波形，由于Kp>

2，因此应适当增大CAV的容量，以延长取平均值的时间，从而减少由Kp>

2所引起的附加误差。

AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。

其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±

3%.

3.3.3ADC0808/ADC0809芯片介绍

ADC0808和ADC0809除精度略有差别外（前者精度为8位、后者精度为7位），其余各方面完全相同。

它们都是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。

利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。

1）主要技术指标和特性

（1）分辨率：

8位。

（2）总的不可调误差：

ADC0808为±

LSB,ADC0809为±

1LSB。

（3）转换时间：

取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。

（4）单一电源：

+5V。

（5）模拟输入电压范围：

单极性0～5V；

双极性±

5V,±

10V（需外加一定电路）。

（6）具有可控三态输出缓存器。

（7）启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。

（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。

2）内部结构和外部引脚

ADC0808/0809的内部结构和外部引脚分别如图11.19和图11.20所示。

内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下：

图3.3.3.1ADC0808/0809内部结构框图

（1）IN0～IN7——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。

（2）D7～D0——A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。

8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。

（3）ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。

地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。

（4）VR（+）、VR（-）——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。

在单极性输入时，VR（+）=5V，VR（-）=0V；

双极性输入时，VR（+）、VR（-）分别接正、负极性的参考电压。

图11.20ADC0808/0809外部引脚图

表11.3地址信号与选中通道的关系

地址

选中通道

ADDC

ADDB

ADDA

1

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

（5）ALE——地址锁存允许信号，高电平有效。

当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。

在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。

（6）START——A/D转换启动信号，正脉冲有效。

加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。

如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。

（7）EOC——转换结束信号，高电平有效。

该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。

该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。

在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。

（8）OE——输出允许信号，高电平有效。

当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。

在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。

3）工作时序与使用说明

ADC0808/0809的工作时序如图11.21所示。

当通道选择地址有效时，ALE信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随ALE之后（或与ALE同时）出现。

START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位，在该上升沿之后的2μs加8个时钟周期内（不定），EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后EOC再变高电平。

微处理器收到变为高电平的EOC信号后，便立即送出OE信号，打开三态门，读取转换结果。

图11.21ADC0808/0809工作时序

模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行（当然，不能在转换过程中进行），然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成（因为ADC0808/0809的时间特性允许这样做）。

这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。

在与微机接口时，输入通道的选择可有两种方法，一种是通过地址总线选择，一种是通过数据总线选择。

4软件设计

本次软件设计采用的是KeiluVision4，由于设计采用了简化编程算法的硬件设计方案，软件的设计相对简单，只需要将ADC0808模数转换后的真有效值放大两倍，然后在数码管上显示出来即可。

4.1程序设计流程图

4.2程序设计

#include<

at89x51.h>

absacc.h>

math.h>

#defineunitunsignedint

#defineucharunsignedchar

#defineADXBYTE[0X7FF8]//AD的地址

sbitled1=P2^0;

sbitled2=P2^1;

sbitled3=P2^2;

sbitled4=P2^3;

sbitad_busy=P3^2;

ucharad_data;

uchardatadis[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

ucharcodeled_segment[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,

0x07,0x7F,0x6F};

voiddata_pro（）;

voiddelay（k）;

voiddi