低頻電壓真有效值測量系統(tǒng)正文

..1緒論在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中,會遇到大量的非正弦波。電壓是一個很重要的參數(shù),如何準(zhǔn)確地測量模擬信號的電壓值,一直是電測儀器研究的內(nèi)容之一。目前所用的模擬電壓表多為平均值檢波,存在測量非正弦信號誤差較大、測量小信號時漂移較大的問題,致使儀器靈敏度受到限制。傳統(tǒng)測量儀表采用的是平均值轉(zhuǎn)換法來對其進行測量,但這種方法存在著較大的理論誤差。為了實現(xiàn)對交流信號電壓有效值的精密測量,并使之不受被測波形的限制,可以采用真有效值<TrueRootMeanSquare,TRMS>轉(zhuǎn)換技術(shù),亦稱為真均方根值。在電氣測量中,本文討論的低頻電壓真有效值測量系統(tǒng),從原理上克服了模擬電壓表的缺陷。而且在具體設(shè)計和實現(xiàn)過程中有效地保證了儀器的靈敏度。近年來隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透,單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深入,同時帶動傳統(tǒng)控制日新月異更新。在實時監(jiān)測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中,單片機往往作為一個核心部件來使用。電子計算機的飛躍進步,單片機的普及與推廣,為電壓測量系統(tǒng)智能化做出了貢獻。作為重要的測量工具,真有效值測量系統(tǒng)的發(fā)展可以說見證了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科技進步。從傳統(tǒng)的模擬多用表,到現(xiàn)在精確度和靈敏度越來越高的數(shù)字儀表,多用表的發(fā)展可謂是日新月異。目前的有效值測量系統(tǒng)的設(shè)計大概可以分為以下幾類：〔1基于單片機的數(shù)字有效值測量系統(tǒng),這類系統(tǒng)中,最有代表性的是89C51系列的。由于8位機在價格和性能方面的優(yōu)點,這類系統(tǒng)可以說是越來越成熟,并且能根據(jù)不同的場合選用不同的核心芯片來滿足實際的要求?！?將傳統(tǒng)測量方法和現(xiàn)代數(shù)字化測量方法有機結(jié)合起來,能適用于工頻交流電特征,同時也能適用于非工頻電參數(shù)測量,以提高通用性。在這類系統(tǒng)中,由單片機實現(xiàn)測量控制、數(shù)據(jù)分析處理、顯示和量程自動轉(zhuǎn)化等功能；由CPLD器件和高速A/D芯片組成雙通道高速同步數(shù)據(jù)采集電路,由鎖相倍頻電路實現(xiàn)周期內(nèi)均勻等樣間隔。在電子測量技術(shù)和自動控制系統(tǒng)中,通常要測量正弦波、矩形波、三角波等波形的交變電壓有效值和微弱信號中的噪聲,尤其在隨機過程測量中,只要能準(zhǔn)確測出各個窄頻帶內(nèi)與被測波形無關(guān)的有效值,就可以得到該隨機過程的功率譜密度函數(shù),進行頻譜分析和過程控制,而且電壓有效值也是電力系統(tǒng)中一個十分重要的參數(shù)。因此,交流真有效值的測量是電測領(lǐng)域內(nèi)一個重要的研究課題。目前,雖然一些數(shù)字式電壓表和智能儀器具有真有效值的測量功能,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格昂貴;而數(shù)字萬用表雖然價格低廉,但大多僅能測量正弦電壓的有效值,且準(zhǔn)確度不太高,頻率范圍不大。本文介紹的測量電路,結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉,精度較高,頻率范圍較寬,波形適應(yīng)性強。2總體方案設(shè)計方案一：利用單片機控制A/D對一個周期內(nèi)的信號進行連續(xù)多點采樣,然后通過編寫單片機程序在軟件中根據(jù)有效值計算公式,利用傅里葉變換等算法積分求平均得到有效值并且通過數(shù)碼管顯示。單片機控制被測交流信號Vin單片機控制被測交流信號VinLED顯示A/D采樣被測信號LED顯示A/D采樣方案二：采用專用有效值檢測芯片如AD736直接將交流信號轉(zhuǎn)換為直流有效值信號,然后通過A/D轉(zhuǎn)換器AD0808進行采樣處理,最后經(jīng)由單片機控制數(shù)碼管顯示輸出。LED顯示單片機控制AD轉(zhuǎn)換真有效值轉(zhuǎn)換被測交流信號VinLED顯示單片機控制AD轉(zhuǎn)換真有效值轉(zhuǎn)換被測交流信號Vin方案一軟件算法過于復(fù)雜,編程難度較大,而方案二軟硬件都較簡單,故設(shè)計中選用方案二。3單元模塊設(shè)計系統(tǒng)總體框圖：單片機處理LED顯示AD0808采樣處理真有效值轉(zhuǎn)換AD736單片機處理LED顯示AD0808采樣處理真有效值轉(zhuǎn)換AD736被測交流信號Vin系統(tǒng)主要由真有效值轉(zhuǎn)換模塊、AD0808采樣處理模塊、單片機處理模塊、LED顯示模塊組成。3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計3.1.1真有效值轉(zhuǎn)換模塊真有效值轉(zhuǎn)換模塊采用的芯片是AD736,AD736是AD公司推出的真有效值直流變換器。和以往的有效值測量技術(shù)不同,真有效值直流變換可以直接測得各種波形的真實有效值,它不是采用整流加平均測量技術(shù),而是采用信號平方后積分的平均技術(shù)。采用AD736可以簡化儀器的設(shè)計,增加信號測量品種,并且靈敏度、精確度也大大改善。系統(tǒng)的核心是測量交流電壓的有效值,因此有效值測量的精度將直接影響系統(tǒng)最終的精度。該器件是按有效值隱含運算而設(shè)計,能計算任意復(fù)雜波形的高精度真有效值--直流轉(zhuǎn)換器件,其精度優(yōu)于0.3%,波峰因素≤5,相對穩(wěn)定時間快,是當(dāng)前集成真有效值轉(zhuǎn)換器性能較好的一種。AD736有效值測量原理如下:一個交變信號的有效值定義為〔1這里,為信號的有效值,T為測量時間,是一個時間的函數(shù),但不一定是周期性的。對等式兩邊進行平方得：〔2右邊的積分項可以用一個平均來近似〔3這樣式〔2可以簡化為：〔4等式兩邊除以得：〔5這個表達(dá)式就是測量一個信號真實有效值的基礎(chǔ)。AD736也是采用的這一原理。圖中CC為低阻抗輸入端耦合電容一般取值為10～20uF；CF為輸出端濾波電容一般取10uF；CAV為平均電容,它是AD736的關(guān)鍵外圍元件,用于進行平均值運算。其大小將直接影響到有效值的測量精度,尤其在低頻時更為重要。多數(shù)情況下可選33uF。設(shè)計電路：圖3.1.1.1真有效值轉(zhuǎn)換模塊因為本次設(shè)計要求測量的是-10V——+10的低頻信號,而AD736主要用于便攜測試儀表,它的靜態(tài)功耗電流小于200μA,可接受的信號有效值為0～200mV,但如加上衰減器,可增大測量范圍。同時我們知道,AD0808與單片機能接受的電壓信號約為5V,?？上韧ㄟ^一個衰減模塊將信號先衰減50倍送入AD736,從AD736出來后將信號放大25倍,然后在經(jīng)過單片機的程序處理將衰減的兩倍彌補,最終正確的顯示在LED上。圖3.1.1.2衰減、放大器電路3.1.2AD采樣處理模塊本模塊使用了AD0808,其主要作用是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,經(jīng)過轉(zhuǎn)換單片機可以對信號經(jīng)行處理,最后實現(xiàn)對測量信號的顯示。AD0808需要NE555提供時鐘信號才能正常工作。圖3.1.2AD0808采樣處理3.1.3單片機處理模塊本次設(shè)計的單片機處理模塊功能主要是對衰減了兩倍的數(shù)據(jù)進行放大處理以及使測量數(shù)據(jù)正確的顯示在LED數(shù)碼管上。圖3.1.3單片機處理模塊3.1.4LED顯示模塊本模塊主要實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的顯示設(shè)計本模塊主要注意應(yīng)加一個上拉電阻在P1口。圖3.1.4LED顯示3.1.5穩(wěn)壓電源電路模塊本文的設(shè)計采用了穩(wěn)壓電源電路,將220V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楹?來滿足系統(tǒng)設(shè)計中的供電需要。圖3.1.5穩(wěn)壓電源電路3.2電路元器件的選擇本次設(shè)計選用了真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736對不同波形信號的電壓真有效值轉(zhuǎn)換,該器件是按有效值隱含運算而設(shè)計,能計算任意復(fù)雜波形的高精度真有效值--直流轉(zhuǎn)換器件,其精度優(yōu)于0.3%,波峰因素≤5,相對穩(wěn)定時間快,是當(dāng)前集成真有效值轉(zhuǎn)換器性能較好的一種。選擇了ADC0808來對模擬信號進行采樣變換后成為數(shù)字信號,ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān),它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號,只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808是ADC0809的簡化版本,功能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808進行A/D轉(zhuǎn)換,實際使用時采用ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換。單片機選用了我們熟悉的51單片機,51單片機使用廣泛,功能強大,同時我們學(xué)習(xí)時是由51單片機來講解的,便于我們更好地進行電路設(shè)計和程序的編寫。數(shù)碼管選擇了7SEG-MPX4-CC四個共陰二極管顯示器,因為單片機I/O輸出的電流過小不足以驅(qū)動數(shù)碼管,加上拉電阻可以解決這個問題。3.3特殊器件的介紹3.3.1AT89C51單片機引腳結(jié)構(gòu)與功能圖3.3.1AT89C51單片機主要特性：〔1與MCS-51兼容〔24K字節(jié)可編程閃爍存儲器〔3壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間10年〔4全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz〔5三級程序存儲器鎖定〔6128*8位內(nèi)部RAM〔732可編程I/O線〔8兩個16位定時器/計數(shù)器〔95個中斷源〔10可編程串行通道<11>低功耗的閑置和掉電模式<12>片內(nèi)振蕩器和時鐘電路管腳說明：VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進行校驗時,P0輸出原碼,此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時,P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流,當(dāng)P2口被寫"1"時,其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時,P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時,P2口輸出地址的高八位。在給出地址"1"時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時,P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入"1"后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流〔ILL這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示：

口管腳備選功能

P3.0RXD〔串行輸入口

P3.1TXD〔串行輸出口

P3.2/INT0〔外部中斷0

P3.3/INT1〔外部中斷1

P3.4T0〔記時器0外部輸入

P3.5T1〔記時器1外部輸入

P3.6/WR〔外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通

P3.7/RD〔外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通

P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時,要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時,ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH,不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時,/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時,此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件,XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器,因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：

整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合,并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫"1"且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前,該操作必須被執(zhí)行。

此外,AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯,可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯,支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下,CPU停止工作。但RAM,定時器,計數(shù)器,串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下,保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器,禁止所用其他芯片功能,直到下一個硬件復(fù)位為止。3.3.2AD736真有效值轉(zhuǎn)換芯片介紹〔1AD736的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.3.2.1AD736引腳排列圖3.3.2.2AD736內(nèi)部框圖AD736引腳：+Vs：正電源端,電壓范圍為2.8～16.5V；-Vs：負(fù)電源端,電壓范圍為-3.2～-16.5V；Cc：低阻抗輸入端,用于外接低阻抗的輸入電壓〔≤200mV,通常被測電壓需經(jīng)耦合電容Cc與此端相連,通常Cc的取值范圍為10～20μF.當(dāng)此端作為輸入端時,第2腳VIN應(yīng)接到COM；VIN：高阻抗輸入端,適合于接高阻抗輸入電壓,一般以分壓器作為輸入級,分壓器的總輸入電阻可選10MΩ,以減少對被測電壓的分流。該端有兩種工作方式可選擇：第一種為輸出AC+DC方式。該方式將1腳〔Cc與8腳〔COM短接,其輸出電壓為效流真有效值與直流分量之和；第二種方式為AC方式。該方式是將1腳經(jīng)隔直電容Cc接至8腳,這種方式的輸出電壓為真有效值,它不包含直流分量。COM：公共端；Vo：輸出端；CF：輸出端濾波電容,一般取10μF；CAV：平均電容。它是AD736的關(guān)鍵外圍元件,用于進行平均值運算。其大小將直接響應(yīng)到有效值的測量精度,尤其在低頻時更為重要。多數(shù)情況下可選33μF。AD736的內(nèi)部框圖如所示。它主要由輸入放大器、全波整流器、有效值單元〔又稱有效值芯子RMSCORE、偏置電路、輸出放大器等組成。芯片的2腳為被測信號VIN輸入端,工作時,被測信號電壓加到輸入放大器的同相輸入端,而輸出電壓經(jīng)全波整流后送到RMS單元并將其轉(zhuǎn)換成代表真有效值的直流電壓,然后再通過輸出放大器的Vo端輸出。偏置電路的作用是為芯片內(nèi)部各單元電路提供合適的偏置電壓。目前市場上的萬用表大多采用簡單的整流加平均電路來完成交流信號的測量,因此這些儀表在測量RMS值時要首先校準(zhǔn),而且用這種電路組成的萬用表只能用于指定的波形如正弦波和三角波等,如果波形一變,測出的讀數(shù)就不準(zhǔn)確了。真有效值直流變換芯片AD736則不同,它可以直接測得輸入信號的真實有效值,并和輸入波形無關(guān)?！?AD736的典型應(yīng)用電路AD736有多種應(yīng)用電路形式。為雙電源供電時的典型應(yīng)用電路,該電路中的+Vs與COM、-Vs與COM之間均應(yīng)并聯(lián)一只0.1μF的電容以便濾掉該電路中的高頻干擾。Cc起隔直作用。若按圖中虛線方向?qū)?腳與8腳短接而使Cc失效,則所選擇的就是AC+DC方式；去掉短路線,即為AC方式。R為限流電阻,D1、D2為雙向限幅二極管,超過壓保護作用,可選IN4148高速開關(guān)二極管。圖3.3.2.3AD736在雙電源供電時的高阻抗應(yīng)用電路為采用9V電池的供電電路。R1、R2為均衡電阻,通過它們可使VCOM=E/2=4.5V.C1、C2為電源濾波電容。上述圖3和圖4電路均為高阻抗輸入方式,適合于接高阻抗的分壓器。圖3.3.2.4采用9V電池的高阻抗應(yīng)用電路和分別為低阻抗輸入方式時,用雙電源供電和采用9V單電源供電時的典型應(yīng)用電路。圖3.3.2.5雙電源低阻抗應(yīng)用電路圖3.3.2.69V電池供電低阻抗應(yīng)用電路〔3注意事項是由單片機8098和AD736等芯片組成的可測量交直流有效值的智能化RMA儀表組成框圖。圖3.3.2.7智能化RMS儀表組成框圖應(yīng)用AD736來制作RMS儀表時,應(yīng)注意以下幾個問題：〔1當(dāng)被測交流電壓超過200mVRMS時,必須在AD736前加一級分壓器,以將被測電壓衰減到200mV以內(nèi)。在采用AD736典型電路制作RMS儀表時,可在AD736的輸出端接1.0級、200mV直流毫伏表,或接3位半數(shù)字電壓表〔DVM。也可利用典型的500型萬用表的直流電壓檔,加上AD736的典型應(yīng)用電路改制成RMS儀表,AD736應(yīng)用電路的電源可取自萬用表內(nèi)的9V電池。

〔2若要測量交流電流的真有效值,應(yīng)在AD736前面加一級分流器。此時應(yīng)用AD736可選圖6所示電路?！?設(shè)計高精度真有效值RMS時,還應(yīng)考慮被測電壓的波峰因素Kp〔波峰因數(shù)Kp是被測信號的峰值與真有效值之比的影響,應(yīng)仔細(xì)選擇合適的CAV.常見的正弦波、言波、三角波和鋸齒波的Kp≤2,此時CAV可取33μF.但對于窄脈沖或晶閘管的波形,由于Kp>2,因此應(yīng)適當(dāng)增大CAV的容量,以延長取平均值的時間,從而減少由Kp>2所引起的附加誤差。AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點是準(zhǔn)確度高、靈敏性好〔滿量程為200mVRMS、測量速率快、頻率特性好〔工作頻率范圍可達(dá)0～460kHz、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200μA.用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%.3.3.3ADC0808/ADC0809芯片介紹ADC0808和ADC0809除精度略有差別外<前者精度為8位、后者精度為7位>,其余各方面完全相同。它們都是CMOS器件,不僅包括一個8位的逐次逼近型的ADC部分,而且還提供一個8通道的模擬多路開關(guān)和通道尋址邏輯,因而有理由把它作為簡單的"數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)"。利用它可直接輸入8個單端的模擬信號分時進行A/D轉(zhuǎn)換,在多點巡回檢測和過程控制、運動控制中應(yīng)用十分廣泛。主要技術(shù)指標(biāo)和特性〔1分辨率：8位?！?總的不可調(diào)誤差：ADC0808為±LSB,ADC0809為±1LSB?！?轉(zhuǎn)換時間：取決于芯片時鐘頻率,如CLK=500kHz時,TCONV=128μs?！?單一電源：+5V?！?模擬輸入電壓范圍：單極性0～5V；雙極性±5V,±10V<需外加一定電路>?！?具有可控三態(tài)輸出緩存器?！?啟動轉(zhuǎn)換控制為脈沖式<正脈沖>,上升沿使所有內(nèi)部寄存器清零,下降沿使A/D轉(zhuǎn)換開始?！?使用時不需進行零點和滿刻度調(diào)節(jié)。2>內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳ADC0808/0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳分別如圖11.19和圖11.20所示。內(nèi)部各部分的作用和工作原理在內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中已一目了然,在此就不再贅述,下面僅對各引腳定義分述如下：圖3.3.3.1ADC0808/0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖〔1IN0～IN7——8路模擬輸入,通過3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC來選通一路?！?D7～D0——A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端,為三態(tài)可控輸出,故可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。8位排列順序是D7為最高位,D0為最低位。〔3ADDA、ADDB、ADDC——模擬通道選擇地址信號,ADDA為低位,ADDC為高位。地址信號與選中通道對應(yīng)關(guān)系如表11.3所示?！?VR<+>、VR<->——正、負(fù)參考電壓輸入端,用于提供片內(nèi)DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時,VR<+>=5V,VR<->=0V；雙極性輸入時,VR<+>、VR<->分別接正、負(fù)極性的參考電壓。圖11.20ADC0808/0809外部引腳圖表11.3地址信號與選中通道的關(guān)系地址選中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7〔5ALE——地址鎖存允許信號,高電平有效。當(dāng)此信號有效時,A、B、C三位地址信號被鎖存,譯碼選通對應(yīng)模擬通道。在使用時,該信號常和START信號連在一起,以便同時鎖存通道地址和啟動A/D轉(zhuǎn)換?！?START——A/D轉(zhuǎn)換啟動信號,正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存器清零,下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。如正在進行轉(zhuǎn)換時又接到新的啟動脈沖,則原來的轉(zhuǎn)換進程被中止,重新從頭開始轉(zhuǎn)換?！?EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,高電平有效。該信號在A/D轉(zhuǎn)換過程中為低電平,其余時間為高電平。該信號可作為被CPU查詢的狀態(tài)信號,也可作為對CPU的中斷請求信號。在需要對某個模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下,EOC也可作為啟動信號反饋接到START端,但在剛加電時需由外電路第一次啟動?！?OE——輸出允許信號,高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號時,ADC0808/0809的輸出三態(tài)門被打開,使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下,該信號往往是CPU發(fā)出的中斷請求響應(yīng)信號。3>工作時序與使用說明ADC0808/0809的工作時序如圖11.21所示。當(dāng)通道選擇地址有效時,ALE信號一出現(xiàn),地址便馬上被鎖存,這時轉(zhuǎn)換啟動信號緊隨ALE之后<或與ALE同時>出現(xiàn)。START的上升沿將逐次逼近寄存器SAR復(fù)位,在該上升沿之后的2μs加8個時鐘周期內(nèi)<不定>,EOC信號將變低電平,以指示轉(zhuǎn)換操作正在進行中,直到轉(zhuǎn)換完成后EOC再變高電平。微處理器收到變?yōu)楦唠娖降腅OC信號后,便立即送出OE信號,打開三態(tài)門,讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖11.21ADC0808/0809工作時序模擬輸入通道的選擇可以相對于轉(zhuǎn)換開始操作獨立地進行<當(dāng)然,不能在轉(zhuǎn)換過程中進行>,然而通常是把通道選擇和啟動轉(zhuǎn)換結(jié)合起來完成<因為ADC0808/0809的時間特性允許這樣做>。這樣可以用一條寫指令既選擇模擬通道又啟動轉(zhuǎn)換。在與微機接口時,輸入通道的選擇可有兩種方法,一種是通過地址總線選擇,一種是通過數(shù)據(jù)總線選擇。4軟件設(shè)計本次軟件設(shè)計采用的是KeiluVision4,由于設(shè)計采用了簡化編程算法的硬件設(shè)計方案,軟件的設(shè)計相對簡單,只需要將ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換后的真有效值放大兩倍,然后在數(shù)碼管上顯示出來即可。開始4.1程序設(shè)計流程圖開始開中斷開中斷初始化初始化處理數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示顯示4.2程序設(shè)計#include<at89x51.h>#include<absacc.h>#include<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>;voiddisplay<>;voidmain<void>//主程序{EA=1;//開中斷EX0=1;ad_data=0;//采樣值存儲單元初始化為0ad_busy=0;//中斷信號初始化為有效while<1>{ AD=0;data_pro<>; display<>;}}voiddata_pro<void>//數(shù)據(jù)處理子程序{intshu,shu1,a,b,c; shu=ad_data*2; a=shu/51; dis[4]=shu%51; dis[4]=dis[4]*10; b=dis[4]/51; dis[4]=dis[4]%51; dis[4]=dis[4]*10; c=dis[4]/51; shu1=a*100+b*10+c; dis[3]=shu1/1000; dis[2]=<shu1-dis[3]*1000>/100; dis[1]=<shu1-dis[3]*1000-dis[2]*100>/10; dis[0]=shu1-dis[3]*1000-dis[2]*100-dis[1]*10;}voidDelay<intcount> //*定義延時子函數(shù),利用循環(huán)來延時{ inti,j; for<i=0;i<count;i++> for<j=0;j<120;j++>;}voiddisplay<void>//LED顯示子程序{P1=led_segment[dis[3]];led1=0;delay<1>;led1=1;P1=led_segment[dis[2]]|0x80;//驅(qū)動方法led2=0;delay<1>;led2=1;P1=led_segment[dis[1]];led3=0;delay<1>;led3=1;P1=led_segment[dis[0]];led4=0;delay<1>;led4=1; }voidadc0809<void>interrupt0using1{ad_data=AD;//將采集數(shù)據(jù)送到ad_data變量中}5系統(tǒng)調(diào)試本次設(shè)計的原理圖設(shè)計使用的是PROTUES,根據(jù)設(shè)計方案,查閱了大量的資料,先完成了電路原理圖的設(shè)計,然后編寫相關(guān)的C語言程序。在調(diào)試的過程中遇到了很多問題。首先在設(shè)計真有效值轉(zhuǎn)換模塊的時候,剛開始僅憑PROTUES里AD736元件的信號輸入端Vin以及參考的一個模塊,將交流電壓從Vin端輸入造成電壓真有效值轉(zhuǎn)換的錯誤。最后通過更多查閱資料,知道了測交流信號真有效值信號輸入端應(yīng)該是低阻抗輸入端Cc,用于外接低阻抗的輸入電壓〔≤200mV,通常被測電壓需經(jīng)耦合電容Cc與此端相連,通常Cc的取值范圍為10～20μF.當(dāng)此端作為輸入端時,第2腳VIN應(yīng)接到COM。設(shè)計中還遇到了數(shù)碼管不亮的問題,通過查閱和請教同學(xué),給P1口接上上拉電阻后數(shù)碼管就能正常顯示了。這都是由于之前沒做過多少系統(tǒng),對電路的設(shè)計不熟。在軟件設(shè)計時,因為對C語言編程的不熟也造成了在編寫時出現(xiàn)很多問題,程序不能正確的編譯成功。經(jīng)過參看資料,最終編寫成功。經(jīng)過調(diào)試,最終實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能,驗證了系統(tǒng)的設(shè)計。本次設(shè)計由于是沒有做實物,系統(tǒng)調(diào)試問題相對較少,如是做實物還應(yīng)注意需要給運算放大器提供±15V的電壓。同時做實物時如出現(xiàn)AD采樣不準(zhǔn),可能是參考電壓不準(zhǔn)造成的。6結(jié)論本次設(shè)計主要進行了低頻電壓真有效值測量系統(tǒng)理論的設(shè)計,通過PROTUES仿真軟件驗證了設(shè)計理論的正確和可行性。該系統(tǒng)主要由真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808、AT89C51單片機、四位共陰極數(shù)碼管組成。電路相對簡單,同時通過加入真有效值轉(zhuǎn)換芯片,大大的減小了程序編寫時的難度。系統(tǒng)流程：各種交流電壓信號〔范圍在±10V內(nèi)先經(jīng)過衰減50倍送入AD736,從AD736出來的真有效值先放大25倍送入ADC0808,信號有模擬轉(zhuǎn)為數(shù)字后送入AT89C51單片機,經(jīng)過單片機處理數(shù)據(jù),將電壓整體衰減的兩倍還原并且正確的送入數(shù)碼管顯示。本設(shè)計的優(yōu)點是電路相對簡單,同時編程也十分簡單,但測量的電壓范圍較窄。在電子測量技術(shù)和自動控制系統(tǒng)中,通常要測量正弦波、矩形波、三角波等波形的交變電壓有效值和微弱信號中的噪聲,尤其在隨機過程測量中,只要能準(zhǔn)確測出各個窄頻帶內(nèi)與被測波形無關(guān)的有效值,就可以得到該隨機過程的功率譜密度函數(shù),進行頻譜分析和過程控制,且電壓有效值也是電力系統(tǒng)中一個十分重要的參數(shù)。交流真有效值的測量是電測領(lǐng)域內(nèi)一個重要的研究課題?？梢酝ㄟ^對本系統(tǒng)進行改進來適應(yīng)工業(yè)測量的需要,改進的方向有擴大其測量電壓真有效值的范圍,可以做一個多量程的低頻電壓測量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的指針式電壓表也能實現(xiàn)真有效值的測量,但其功能單一、精度低,不能滿足數(shù)字化時代的需求,并且傳統(tǒng)的電壓表在測量電壓時需要手動切換量程,不僅不方便,而且要求不能超過該量程。如果在測量時忘記改變量程,則會出現(xiàn)很大的測量誤差。而采用以單片機為控制核心的數(shù)字電壓表,用其輸入電壓的范圍控制信號調(diào)理電路實現(xiàn)輸入量程的自動切換,以達(dá)到既定的高精度性能指標(biāo),因此本文設(shè)計的電壓測量系統(tǒng)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?總結(jié)與體會本次課程設(shè)計歷時兩周,在這個過程中,我深刻地體會到了要做出一個好的設(shè)計是多么的不容易。在設(shè)計初期首先要明確設(shè)計的要求與任務(wù),然后才能整理思路和收集相關(guān)的資料。為了完成本次設(shè)計,我查閱了大量的資料,包括到圖書館借書和到網(wǎng)上下載相關(guān)的資料以及上專業(yè)的網(wǎng)站查閱系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的資料。由于資料比較分散,所以整理有用的資料就顯得很重要,有些東西實在是不懂我就把資料帶回來請教同學(xué),讓我受益匪淺,深切的了解到查閱資料的重要性,以及提升了我在查閱資料的過程中過濾無用信息的能力。確立了整體思路后才能開始初步的設(shè)計,而初步的設(shè)計往往并不能直接實現(xiàn)功能,這里面涉及到各種元器件的選擇。確定好了器件選型才能在仿真軟件進行比較系統(tǒng)的電路設(shè)計、程序設(shè)計與仿真調(diào)試。在這個過程中,我學(xué)到了大量書本所不能教會我們但又是我們必須具備的知識。使我體會到,僅僅學(xué)好了書本上的知識并不代表你就學(xué)好了一門知識,最重要的是要能夠把從書本上學(xué)到的基礎(chǔ)知識運用到實踐中來,并能夠在實踐中不斷擴展這門知識,這樣才能真正學(xué)有所成,才能夠真正學(xué)好一門知識。設(shè)計過程中也發(fā)現(xiàn)了書本上的知識與實際的設(shè)計應(yīng)用存在著不小的差距,書本上的知識很多都是理想化的結(jié)論,忽略了很多實際的因素,或者涉及的不全面,可在實際的應(yīng)用中這些是不能被忽略的。這也提醒我要多多實踐,我的課業(yè)成績還算可以,但做這次的設(shè)計還是比較費力,最突出的就是對C語言編程的不熟,本次設(shè)計的編程本來算是很簡單的,但我也是出了不少問題。同時在設(shè)計中我也明顯感覺到了對電路設(shè)計的不熟,這直接就導(dǎo)致我出現(xiàn)了一些設(shè)計中的低級錯誤。通過本次的課程設(shè)計,我學(xué)習(xí)了一種以前從沒用過的芯片AD736,學(xué)習(xí)了它的使用方法,進一步熟悉了單片機AT89C51、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808、運算放大器以及數(shù)碼管的使用及設(shè)計理論。由于本人平時比較缺乏系統(tǒng)設(shè)計的具體實踐,所以本次的課程設(shè)計可能還存在著一些不完善之處,我下來一定會更加嚴(yán)格的要求自己,多參與一些系統(tǒng)的設(shè)計,以進一步提升自己。8參考文獻[1]張毅剛.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社.2010[2]電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬部分〔第5版[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2006[3]電子技術(shù)基礎(chǔ)—數(shù)字部分〔第5版[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2006[4]張毅剛,彭喜元,董繼成.單片機原理及應(yīng)用[M].XX大學(xué)出版社.2003.[5]謝自美.電子線路設(shè)計?實驗?測試[M].XX：華中科技出版社,2000.5[6]譚浩強.C程序設(shè)計〔第三版[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.1[7]華成英.電子技術(shù)[M].北京.中央廣播電視大學(xué)出版社,2006[8］趙淑范等.電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006[9］賈更新.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗設(shè)計與仿真[M].XX：XX大學(xué)出版社,2006[10］楊旭東等.實用電子電路精選[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007[11]朱清慧等．Proteus教程—電子線路設(shè)計、制版與仿真[M]．北京：清華大學(xué)出版附錄1系統(tǒng)仿真圖低頻電壓測量系統(tǒng)仿真圖附錄2程序代碼#include<at89x51.h>#include<absacc.h>#include<math.h>#defineunitunsignedint#defineucharunsignedchar#defineADXBYTE[0X7FF8]