簡(jiǎn)易數(shù)字顯示交流毫伏表

1、簡(jiǎn)易數(shù)字顯示交流毫伏表摘要：本系統(tǒng)由高級(jí)模擬器件、CPLD，可實(shí)現(xiàn)具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能的真有效值測(cè)量、交流頻率測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)幅度可控的正弦波輸出等功能。測(cè)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(mǎn)足多方位的需要。關(guān)鍵詞：靜電計(jì) 頻率計(jì) 高頻放大 真有效值 1.系統(tǒng)方案選擇與論證1.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)字顯示的交流毫伏表，示意圖如圖-1所示。圖-1 簡(jiǎn)易數(shù)字顯示交流毫伏表示意圖基本要求（1） 電壓測(cè)量a、 測(cè)量電壓的頻率范圍100Hz500KHz。b、 測(cè)

2、量電壓范圍100mV100V（可分多檔量程）。c、 要求被測(cè)電壓數(shù)字顯示。d、 電壓測(cè)量誤差±5%±2個(gè)字。e、 輸入阻抗1M，輸入電容50pF（本項(xiàng)可不做測(cè)試，在電路設(shè)計(jì)中給予保證）f、 具有超量程自動(dòng)閃爍功能。（2） 設(shè)計(jì)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(cè)量電壓的頻率范圍擴(kuò)展為10Hz1MHz。（2） 將測(cè)量電壓的范圍擴(kuò)展到10mV200V。（3） 交流毫伏表具有自動(dòng)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(dāng)?shù)陌l(fā)揮，我們的硬件電路主要包括輸入信號(hào)的有效值測(cè)量、輸入信號(hào)的頻率測(cè)量。其中前兩者構(gòu)成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)包括：信

3、號(hào)調(diào)理模塊、A/D，D/A模塊、信號(hào)真有效值轉(zhuǎn)換模塊、CPLD頻率測(cè)試模塊、算法控制器模塊、鍵盤(pán)顯示模塊、語(yǔ)音播報(bào)及打印模塊、電源模塊等。圖-3所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證，我們選取了較好的方案實(shí)現(xiàn)。MSP430F149鍵盤(pán)LCD顯示可編程信號(hào)放大器AD603高阻抗緩沖器保護(hù)電路交流真有效值轉(zhuǎn)換AD63712位A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入頻率測(cè)量CPLD波形整形D/A轉(zhuǎn)換DAC0832電源串口到PC機(jī)圖-3 測(cè)量系統(tǒng)框圖各模塊方案選擇和論證（1）有效值測(cè)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(cè)量輸入信號(hào)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(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，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(zhǔn)確控制，導(dǎo)致放大和測(cè)量的結(jié)果不準(zhǔn)確。方案二：用優(yōu)質(zhì)運(yùn)算放大器做前級(jí)跟隨放大，用專(zhuān)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(guò)合理的選擇各級(jí)運(yùn)放，可以做到電路簡(jiǎn)單可靠，輸入阻抗高、測(cè)量精度高、近似無(wú)級(jí)量程轉(zhuǎn)換的優(yōu)良性能。（2）頻率測(cè)量部分：作為擴(kuò)展功能對(duì)輸入交流信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。要實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測(cè)量頻率，必須要有良好的硬件響應(yīng)速度和良好的測(cè)量策略。方案一：用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘源進(jìn)行計(jì)數(shù)。然后通過(guò)計(jì)數(shù)的比值計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率。這種方案節(jié)省硬件，用一片單片機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，運(yùn)算等工作。但是，由于單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)

5、數(shù)器所能計(jì)數(shù)的頻率有限，更重要的是開(kāi)始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù)難以做到同步，所以，此種方法測(cè)得的頻率精度低，范圍窄。方案二：用8253等專(zhuān)用硬件計(jì)數(shù)器配合邏輯電路設(shè)計(jì)一套硬件測(cè)量電路。此種電路如果能合理設(shè)計(jì)，能做到實(shí)時(shí)性好，測(cè)量準(zhǔn)確。但是設(shè)計(jì)起來(lái)較為麻煩。需要的硬件多，電路制作復(fù)雜。方案三：采用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)數(shù)功能?？删幊踢壿嬈骷憫?yīng)速度快可以達(dá)到十幾納秒甚至幾納秒，響應(yīng)頻率可以達(dá)到幾十兆甚至上百兆，可以實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)。可編程邏輯器件可以用代碼實(shí)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(duì)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(cè)量部分：我們選用方案二：用各種優(yōu)質(zhì)運(yùn)算放大器做信號(hào)調(diào)理，用有效值轉(zhuǎn)換專(zhuān)用芯片AD637作為有效值測(cè)量器件。（2）頻率測(cè)量部分：我們選用方案三：用CPLD作為硬件平臺(tái)進(jìn)行同步計(jì)數(shù)，然后用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、處理。精度可達(dá)<10-6，測(cè)量速度可達(dá)0.2s/次。2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(hù)電路、分壓跟隨、信號(hào)放大、信號(hào)真有效值轉(zhuǎn)換、A/D、D/A、CPLD頻率測(cè)試、算法控制器、鍵盤(pán)、顯示、語(yǔ)音播報(bào)、打印、電源等十幾個(gè)模塊組成。各部分緊密聯(lián)系，形成了一套完善的測(cè)量系統(tǒng)。2.2有效值測(cè)量單元電路的設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)輸入信號(hào)的處理以及測(cè)量。圖-4為此部分電路圖，可分為分壓網(wǎng)絡(luò)，輸入緩沖級(jí)，高頻放大級(jí)以及測(cè)量級(jí)。 圖-4有效值測(cè)量原理圖 高頻放大級(jí)經(jīng)過(guò)分壓后的信號(hào)一般是比較微弱的，還不能直接去進(jìn)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(gè)合適的幅度。我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種方案，一種方案是通過(guò)繼電繼來(lái)改變串入放大的電路的放大級(jí)，通過(guò)不同放大倍數(shù)的組合來(lái)實(shí)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(shí)有大量的噪聲，且不能實(shí)現(xiàn)任意放大比；另一種方案就是采用程控放大器，通過(guò)電壓來(lái)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?cè)鲆娣?/p>

8、大器。AD603在增益為11dB至31dB范圍內(nèi)具有90MHz的帶寬，通過(guò)兩級(jí)AD603級(jí)聯(lián)可實(shí)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(dá)到最高的精度。超低溫漂基準(zhǔn)源AD586的輸出經(jīng)過(guò)分壓產(chǎn)生500mV的電壓加在增益控制腳GNEG上，而單片機(jī)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(duì)于級(jí)間耦合電容，則需要很大才能達(dá)到理想的低頻響應(yīng)，我們用0.1uF，1uF和470uF的電容并聯(lián)，達(dá)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(jí)聯(lián)了一級(jí)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(jìn)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(gè)交變信號(hào)的有效值的定義為：    這時(shí)，VRMS為信號(hào)的有效值，T為測(cè)量時(shí)間，V（t）是信號(hào)的波形。V(t)是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，但不一定是周期性的。    對(duì)等式的兩邊進(jìn)行平方得：    右邊的積分項(xiàng)可以用一個(gè)平均來(lái)近似：    這樣式（2）可以簡(jiǎn)化為：VRMS2=AvgV2（t） 

10、0;  (4)    等式兩邊除以VRMS得：VRMS=AvgV2(t)VRMS    （5）這個(gè)表達(dá)式就是測(cè)量一個(gè)信號(hào)真實(shí)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(shí)，頻響為600K，而當(dāng)輸入信號(hào)有效值高于1V是，頻響可高達(dá)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(mǎn)足不同的需要 。在這里我們接成幅度輸出，然后經(jīng)過(guò)AD變換 ，由單片機(jī)進(jìn)行處理。2.2.6 A/D

11、變換 12位AD2.3等精度頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)由于輸入的信號(hào)是交流信號(hào)而CPLD（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件）和施密特觸發(fā)器是數(shù)字芯片，不識(shí)別負(fù)信號(hào)，要把輸入交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)。用兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)電壓鉗位功能，鉗位后的信號(hào)經(jīng)7414（施密特觸發(fā)器）整形為方波后直接輸入CPLD對(duì)其計(jì)數(shù)。原理圖如圖-11所示。由于CPLD可以實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。 圖-11頻率計(jì)原理圖2.5 電源電路設(shè)計(jì)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(jì)本系統(tǒng)對(duì)軟件的要求不高，用前后臺(tái)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(cè)量系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)初始化自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換啟動(dòng)CPLD頻率測(cè)試真有效值測(cè)量計(jì)算讀取結(jié)果計(jì)算頻率CPLD并行測(cè)量頻率刷新顯示前臺(tái)程序：后臺(tái)程序：進(jìn)入鍵盤(pán)中斷調(diào)檔語(yǔ)音播報(bào)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)打印顯示設(shè)置中斷返回看門(mén)狗程序復(fù)位校準(zhǔn)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(jiǎn)介自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換程序有效值測(cè)量部分的待測(cè)電壓范圍寬，為保證精度，必須設(shè)定多個(gè)不同的量程。我們多量程是通過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)和程控放大器的相互組合來(lái)實(shí)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(jí)聯(lián)AD603）的線性增益調(diào)節(jié)范

13、圍為-20dB到60dB。經(jīng)測(cè)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(gè)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(guò)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(zhǔn)確的結(jié)果電壓（接近2V）。通過(guò)D/A給出的增益值和A/D得到的結(jié)果電壓可以運(yùn)算出待測(cè)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(mǎn)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(cè)量精度。測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程分為半自動(dòng)換檔和全自動(dòng)換檔。半自動(dòng)換檔即為只給定“伏特檔”或“毫伏檔”，而在此兩范圍內(nèi)通過(guò)“D/A掃描”實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索并鎖定量程。半自動(dòng)量程換檔的好處在于用戶(hù)可以事先估測(cè)待測(cè)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(fù)擔(dān)，提高測(cè)量速度和測(cè)量準(zhǔn)確度。全自動(dòng)量程選擇是讓系統(tǒng)在全量程內(nèi)搜索電壓值。這樣會(huì)減慢測(cè)量速度，但可以不必估計(jì)待測(cè)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(hù)二極管的鉗位作用，即使在低壓檔加上最高點(diǎn)壓，也不會(huì)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(dòng)量程換檔提供了可能性。換檔過(guò)程采用誤差積分式的算法。根據(jù)當(dāng)前檔測(cè)得的結(jié)果電壓與2V進(jìn)行比較，通過(guò)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(cè)試的VHDL程序等精度頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法可以簡(jiǎn)單的用圖-19表示：圖-19等精度頻率計(jì)主控結(jié)構(gòu)圖-19 中預(yù)置門(mén)控信號(hào)CL可由單片機(jī)發(fā)出，CL的時(shí)間寬度對(duì)測(cè)頻精度影響較小，只是影響測(cè)頻的最小值，所以可以在0.1秒至1秒間任意選取，令其為T(mén)p。B和T是兩個(gè)可控的32位高速計(jì)數(shù)器,BEN和TEN分別是各自的計(jì)數(shù)使能信號(hào)，高電平有

16、效。20M標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源從B的時(shí)鐘輸入端BCLK輸入，被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后從與B相似的32位高速計(jì)數(shù)器T的時(shí)鐘輸入端TCLK輸入。測(cè)頻開(kāi)始前，首先發(fā)一個(gè)清0信號(hào)CL,高電平有效，是兩個(gè)計(jì)數(shù)器、D觸發(fā)器和4位選通信號(hào)均置0，然后由單片機(jī)發(fā)出測(cè)頻允許命令，即令預(yù)置門(mén)控信號(hào)CL為高電平，這時(shí)D觸發(fā)器要一直等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)之后Q端才被置1（即令START為高電平），與此同時(shí)，將同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器B和T，進(jìn)入計(jì)數(shù)允許周期。在此期間，B和T兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)Tp秒之后，預(yù)置門(mén)控信號(hào)被單片機(jī)置為低電平，但此時(shí)兩個(gè)計(jì)數(shù)器并沒(méi)有停止計(jì)數(shù)，一直等到隨后而來(lái)的被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，才通

17、過(guò)D觸發(fā)器將這兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。由圖-20所示，CL的寬度和發(fā)出時(shí)間都不會(huì)影響計(jì)數(shù)使能信號(hào)EN(START)的寬度，EN的允許計(jì)數(shù)周期在任何情況下都恰好等于待測(cè)信號(hào)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(jī)出現(xiàn)的時(shí)間誤差最多只有基準(zhǔn)源信號(hào)BCLK的一個(gè)時(shí)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(cè)量誤差只有兩千萬(wàn)分之一秒。圖-20 頻率計(jì)測(cè)控時(shí)序設(shè)在一次預(yù)置門(mén)時(shí)間Tp中對(duì)被測(cè)信號(hào)（頻率為Fx）計(jì)數(shù)為Nx,標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)（頻率為Fs）計(jì)數(shù)為Ns個(gè)，則有下式成立：Fx/Nx=Fs/Ns可得到測(cè)得的頻

18、率為：Fx=(Nx/Ns)*Fs最后當(dāng)START由高變低之后由單片機(jī)發(fā)出15個(gè)SEL脈沖，4位計(jì)數(shù)器的不同輸出值控制16選1多路選擇器將測(cè)得的BCLK和TCLK的個(gè)數(shù)4位為一輸出單元經(jīng)寄存器被單片機(jī)讀入，由于用CPLD進(jìn)行32位的計(jì)算占用大量資源，影響速度。所以由善于計(jì)算的凌陽(yáng)16位單片機(jī)完成，在單片機(jī)內(nèi)計(jì)算出被測(cè)頻率的值并顯示結(jié)果。4. 系統(tǒng)測(cè)試4.1 測(cè)試儀器數(shù)字式雙蹤示波器TDS2012，信號(hào)發(fā)生器TFG2040，交流毫伏表等HG20704.2 指標(biāo)測(cè)試以下為本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)得的結(jié)果。真有效值測(cè)試真有效值測(cè)量的測(cè)試包括交流毫伏表在同一電壓下對(duì)不同頻率的響應(yīng)情況，和在同一頻率下對(duì)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(cè)試請(qǐng)參照實(shí)物。頻率響應(yīng)測(cè)試：序號(hào)頻率輸入電壓測(cè)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(cè)試：序號(hào)頻率輸入電壓測(cè)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(cè)試序號(hào)電壓輸入頻率測(cè)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