交流電量綜合檢測儀

#B相1200，滯后C相1200（或超前C相2400）稱為正相序，如果B相超前A相1200或C相超前B相1200稱為逆序。在逆向序的情況下只要將ABC其中的任兩條線互換即可變?yōu)檎嘈颉Ｏ嘈蚺袛嚯娐吩O(shè)計為了線路和設(shè)備運行安全，在每次連接儀器時都要判斷相序是否正確。本儀器有相序檢測電路，若接線相序正確，則面板上的指示燈亮，提醒用戶可以開機工作，若相序錯誤，則指示燈不亮，用戶需要改變接線順序成為正確的相序。相序檢測電路圖如圖3-11所示。相序檢測電路輸入端及LED兩端電壓如圖3-12所示。從互感器二次側(cè)引出的AB兩相電壓通過二極管和運放LM339后轉(zhuǎn)化為占空比為近似為50%的直流方波信號u'AuB'，如圖3-12（1）（2）所示，在正相序條件下A相電壓先于B相電壓大于零，在uA>0而uB<0時，發(fā)光二極管陽極電壓大于零，而陰極電壓等于零，發(fā)光二極管亮，LED兩端電壓如圖3-12（3）所示。而逆序條件下B相電壓先于A相電壓大于零，發(fā)光二極管始終不亮，LED兩端電壓如圖3-12（4）所示。3.6報警電路為了保證線路和設(shè)備運行安全，在過流、過壓、頻率過高或過低時需要提醒工作人員檢查線路的工作狀態(tài)，并采取相應(yīng)的措施，本儀器中設(shè)置了報警電路，包括硬件部分和軟件部分。硬件部分是針對過流和過壓的情況設(shè)計的，軟件部分是針對頻率過高或過低的情況設(shè)計的。在此分析硬件部分。3.6.1過流、過壓保護電路本儀器中在A/D轉(zhuǎn)換輸入之前設(shè)置過壓保護，并且在線路過流、過壓時產(chǎn)生中斷信號送入IOB2外部中斷引腳。過流、過壓保護及中斷電路如圖3-13所示。A

分得的電壓信號，u'為A相電流輸入電路中從第二級運算放大器A11輸出端由電位器分得的電壓信號。正常情況下u'和u'都為0~10V，調(diào)整電AiA位器R、R，使Z1和Z5不被擊穿，因此沒有電流通過R、R，97981055三極管不導(dǎo)通，八輸入通道與非門74LS30輸入端2和12引腳高電平。在線路電壓或電流超過規(guī)定范圍，u'和u'大于11.2V時，就會將Z1和Z5擊穿，產(chǎn)生100mA的電流，并且在R、R上產(chǎn)生壓降使三極管導(dǎo)通，74LS30輸入端2或12引腳高電平將變低，74LS30輸出為高電平，輸入到IOB2的信號為低電平，觸發(fā)外部中斷，進入中斷程序，具體的中斷信號是由哪一按鍵按下或出現(xiàn)過壓過流情況由中斷程序判斷，并進行相應(yīng)的處理，由中斷程序控制音頻輸出DA1、DA2作用于報警電路提醒工作人員。3.6.2聲音報警電路聲音報警電路由運算放大器和揚聲器組成，如下圖3-14所示?？删帉懗绦蚴笵A1DA2輸出方波信號，驅(qū)動聲音放大電路提示用戶。LM386LS1SPEAKER圖LM386LS1SPEAKER圖3-14聲音報警電路R791uFr1M—_C130.013.7通信接口電路在本測量儀器中電量參數(shù)現(xiàn)場綜合測試儀需要與上位計算

機之間不斷地進行各種信息的交換和傳輸，目前這種信息的交換和傳輸通常使用串行通訊方式，串行通訊接口是將數(shù)據(jù)一位一位地傳送，它只需要一根數(shù)據(jù)線硬件成本低。SPCE061A單片機內(nèi)置一個全雙工的UART串行通信模塊，UART模塊提供了一個全雙工標準接口，用于完成與外設(shè)之間的串行通信。借助于IOB口的特殊功能和UARTIRQ中斷，可以同時完成UART接口的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。P-UART-DATA(7023H)(讀/寫)單元用做接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存，向該單元寫入數(shù)據(jù)，可以將發(fā)送的數(shù)據(jù)送入緩存器；從該單元讀數(shù)據(jù)是，可以從緩存器讀出數(shù)據(jù)字節(jié)。UART模塊的接收引腳Rx和發(fā)送引腳Tx分別與IOB7和IOB10共用。使用UART模塊進行通信時，必須事先分別將引腳IOB7和IOB10設(shè)置為輸入輸出狀態(tài)，然后通過設(shè)置P-UART-BaudSalarHigh(7025H)單元指定所需要的波特率。單片機串行口采用TTL電平邏輯所以PC機與SPCE061A單片機通信時，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。本儀器采用美國MAXIM公司生產(chǎn)的RS-232C收發(fā)器芯片MAX232E該芯片帶有靜電放電保護(ESD)功能采用單+5V電源供電在芯片內(nèi)集成了2個線驅(qū)動器和2個線接收器可實現(xiàn)RS-232C電平和TTL電平之間的相互轉(zhuǎn)換其電路如圖3-15所示。C41C38■22uFC39■22uF匸VCCV+GNDC1-DOUT1C2+RIN1C2-ROUT1V-DIN1DOUT2DIN2C41C38■22uFC39■22uF匸VCCV+GNDC1-DOUT1C2+RIN1C2-ROUT1V-DIN1DOUT2DIN2RIN2ROUT2I0.1uF4與孑+5464544434241409-——IOB7——IOB10■94■864RS232C4022uF圖3-15串行通信接口電路完整的RS-232C接口有25根線，其中主要信號是“發(fā)送數(shù)據(jù)(TXD)”和“接收數(shù)據(jù)(RXD)”，用來在兩個系統(tǒng)之間傳送串行信息，所以本儀器采用簡單的3線通訊方式波特率選用9600bit/s。上位計算機通過串口的發(fā)送數(shù)據(jù)線(TXD)向SPCE061A單片機發(fā)送命令信息，該計算機發(fā)出的RS-232C電平信號經(jīng)過MAX232E的一個接收器后被轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，送入單片機的串行口RXD端，SPCE061A單片機接收命令并響應(yīng)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過TXD端發(fā)出該TTL信號，經(jīng)過MAX232E的一個驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為RS-232C電平信號送入上位計算機的串口的接收數(shù)據(jù)端(RXD)，計算機接收單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了該測量儀器與上位計算機的通信。3.8鍵盤與顯示電路鍵盤輸入及顯示輸出是智能化測量儀器不可缺少的組成部分，在本儀器的前面板上有LCD液晶顯示屏幕，用于顯示數(shù)據(jù)；1個狀態(tài)指示燈，顯示線路相序是否正確；還有7個按鍵，用于用戶設(shè)置工作參數(shù)和選擇被測電參數(shù)的結(jié)果顯示以及控制儀器工作。3.8.1液晶顯示電路鑒于本儀器要顯示的交流電量參數(shù)非常多，如果用數(shù)碼管顯示則不易觀察顯示的數(shù)據(jù)是什么參數(shù)，而且只能顯示一項參數(shù)，因此可用LCD液晶顯示，本儀器用的是MG12864點陣圖式液晶顯示模塊。MG12864點陣數(shù)為128x64，可顯示16點陣漢字8x4個，亦可顯示各種字符和圖形。MG12864液晶顯示模塊自帶兩個KS0108B顯示驅(qū)動控制器和一個KS0107B顯示驅(qū)動控制器。兩個KS0108B顯示驅(qū)動控制器分別控制左右兩個半屏象素點的顯示，KS0107B作為用64行的行驅(qū)動控制[27]。MG12864液晶顯示模塊與微處理器的連接方式有兩種，一種是直接控制方式，另一種是間接控制方式。直接控制方式就是將液晶顯示模塊的接口作為存儲器或I/O設(shè)備直接掛在微處理器總線上，微處理器以控制存儲器或I/O設(shè)備的方式操作液晶顯示模塊的工作。間接控制方式就是將微處理器通過自身的或系統(tǒng)中的并行接口與液晶顯示模塊連接，如通過8255并行接口芯片或74LS373類的鎖存器等。本儀器中采用的是間接控制方式，MG12864液晶顯示模塊連接電路如圖3-16所示。

D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7OE74LS3731)171417181112LCDBUS15LCDBUS26LCDBUS39LCDBUS412LCDBUS515LCDBUS616LCDBUS719LCDBUS8MG128647CDBUS17CDBUS2VLCDBUS3\^LCDBUS410^tCPBUS5117CDBUS612X_LCDBUS713LC^DBUS814RESET(L)VOUTBLVCC圖3-16MG12864液晶顯示模塊連接電路MG12864液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)口通74LS373與SPCE061AIOA8~IOA15相連，由IOA6、IOA7分別控制MG12864的內(nèi)部功能寄存器選擇信號輸入端（RS）和讀/寫操作控制信號輸入端（R/W）。RSTB為MG12864復(fù)位控制輸入端，低電平有效。利用MG12864的內(nèi)嵌程序可以方便的顯示字符、數(shù)字以及圖形，并且可以設(shè)置字符和圖形合成顯示的方式，實現(xiàn)滾動左右移動的效果等?？梢酝ㄟ^軟件編程實現(xiàn)數(shù)字和圖形合成顯示，在顯示數(shù)據(jù)的同時顯示出數(shù)據(jù)是什么參數(shù)。鍵盤控制電路鍵盤可分為按鍵獨立式和矩陣式兩類，每一類又可根據(jù)對按鍵的譯碼方法分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。對于具有少量功能鍵的系統(tǒng)，多采用相互獨立式的接口方法，即每個按鍵接一根輸入線，各鍵的工作狀態(tài)互不影響。由于本儀器中顯示部分采用了液晶顯示電路，簡化了參數(shù)顯示及切換功能的硬件控制部分，本儀器中采用7個獨立式的按鍵對儀器進行控制。

其中S1為SPCE061A的復(fù)位按鍵；S2為功能表按鍵，與IOB15引腳相連；S3/S4為上/下翻滾按鍵，與IOB14/IOB13相連；S5為確認按鍵，與IOB12引腳相連；S6為退出按鍵與IOB11引腳相連；S7為顯示器復(fù)位按鍵。鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識別鍵碼，微型計算機對鍵盤控制的方法是掃描。根據(jù)微型計算機進行掃描的方法又可分為程控掃描法和中斷掃描法兩種。程控掃描法占用CPU大量的時間，不管有沒有鍵入操作，CPU總要在一定時間的時間內(nèi)進行掃描，這對于單片機控制系統(tǒng)和智能儀表都是很不利的。為進一步節(jié)省時間，本設(shè)計中采用中斷掃描法。這種方法的實質(zhì)是，當沒有鍵入的操作時，CPU不對鍵盤進行掃描，以節(jié)省出大量的時間對系統(tǒng)進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。一旦鍵盤輸入，即刻向CPU申請中斷。CPU響應(yīng)中斷后，立刻轉(zhuǎn)到響應(yīng)的中斷服務(wù)程序，對鍵盤進行掃描，判別鍵盤上閉合鍵的鍵號，并作相應(yīng)的處理。1S2S3S4S5C1R924.7KR934.7K本儀器的SW2~SW6和A相過壓、過流保護端與八輸入通道與非門74LS30相連，74LS30的1引腳加VDD（+5V），74LS30輸出端通過非門后接入IOB2。鍵盤控制電路如圖3-17R924.7KR934.7KIOB15IOB14IOB13IOB12-以O(shè)B2U'iA-以O(shè)B2U'iA圖3-17鍵盤控制電路正常情況下，74LS30輸入端均為高電平，輸出為低電平，輸入到IOB2的信號為高電平；當有按鍵按下或有過壓過流情況時，74LS30輸出為高電平，輸入到IOB2的信號為低電平，觸發(fā)外部中斷，進入中斷程序，具圖3-17第4章軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計4.1.1系統(tǒng)主程序設(shè)計原則軟件設(shè)計是智能化測量儀器的主要內(nèi)容和重點。在系統(tǒng)各部分功能的實現(xiàn)過程中，軟件設(shè)計的成功與否關(guān)系到整個系統(tǒng)能否具有使用靈活、操作簡便、可靠性強等優(yōu)點，而經(jīng)過良好設(shè)計的軟件能夠做到在較少地改變硬件電路的情況下，很方便地改變系統(tǒng)的功能，這就對軟件的設(shè)計提出了較高的要求。本儀器在設(shè)計過程中，充分利用了單片機的硬件資源，并盡可能采用軟件代替硬件，使儀器的硬件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低廉[26]真正做到了技術(shù)經(jīng)濟合理。智能化測量儀器的設(shè)計研制過程中，對于一個復(fù)雜而又龐大的系統(tǒng)，可按儀器的功能把硬件和軟件分成若干個模塊，對各個模塊采用“自頂向下”的順序分別進行設(shè)計和調(diào)試，最后將各模塊連接起來進行總體調(diào)試，這樣使系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)清晰，便于獨立修改調(diào)試。所謂的“自頂向下”法，概括地說，就是從整體到局部，最后到細節(jié)。即先考慮整體目標，明確整體任務(wù)，然后把整體任務(wù)分為一個個子任務(wù)，子任務(wù)再分成子任務(wù)，同時分析各子任務(wù)之間的關(guān)系，最后擬訂各子任務(wù)的細節(jié)。在本儀器軟件的設(shè)計過程中，應(yīng)該首先將任務(wù)層次化，然后對每一層次再逐步細化，即把整個問題劃分為若干個大問題，每個大問題又分為若干個小問題，這樣一層一層地分下去，直到最底層的每一個問題都可以分別予以處理時為止。每一層實現(xiàn)的功能盡量是獨立的，彼此之間互相影響應(yīng)該較少。劃分以后，我們應(yīng)該按照與劃分相反的過程編寫與調(diào)試程序，待所有子程序都編寫設(shè)計通過后，依它們之間的邏輯順序組合起來，構(gòu)成完整的程序軟件。采用這種設(shè)計方法，不僅能夠使軟件具有可讀性好、維護方便和易于修改移植等優(yōu)點。系統(tǒng)主程序設(shè)計在軟件設(shè)計過程中，軟件任務(wù)的劃分是與本儀器所要完成的功能和實際工作過程緊密聯(lián)系的。在系統(tǒng)中的FLASH內(nèi)固化了用匯編語言編寫的應(yīng)用軟件程序，其中包括主程序、鍵盤中斷程序、鍵盤處理子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、看門狗子程序和通信子程序等，這些程序與各自的功能模塊相配合，完成相應(yīng)的功能。根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的任務(wù)的結(jié)構(gòu)層次，我們編制了主程序流程圖，其程序流程框圖如圖4-1所示。系統(tǒng)復(fù)位后，首先進行系統(tǒng)初始化，在系統(tǒng)初始化以后，系統(tǒng)將掉電情況下保存在靜態(tài)RAM中的重要信息內(nèi)容讀入內(nèi)存。然后，系統(tǒng)調(diào)用顯示子程序，顯示操作信息，隨后調(diào)用鍵盤處理子程序，在“測量”鍵按下之前，顯示屏幕上顯示“開始測量”、“顯示記錄”和“參數(shù)設(shè)置”，并由上/下翻滾鍵和確認退出鍵進入相關(guān)的子程序當“測量”鍵按下時，系統(tǒng)直接進入測量功能；然后，系統(tǒng)判斷該測量電路為單相電路、三相三線電路還是三相四線電路，再調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理子程序，將被測電參數(shù)采集后，進行計算，得出測量結(jié)果。將測量結(jié)果和用戶設(shè)置的電壓、電流、頻率、功率范圍進行比較，若超限，則即時報警，提醒用戶做出正確處理。系統(tǒng)再次調(diào)用鍵盤子程序，執(zhí)行測量等功能，當上位計算機發(fā)出通信命令時，系統(tǒng)通過串行口查詢進行接收，然后進行命令判斷識別，確認后向上位計算機發(fā)送測量結(jié)果數(shù)據(jù)。串行通信時關(guān)閉中斷，這樣可以保證串行數(shù)據(jù)接收的完整性。整個主程序是一個閉環(huán)程序，不斷地執(zhí)行測量、顯示和通信等功能。主程序中鍵盤采用中斷方式。由以上的系統(tǒng)軟件總體設(shè)計思想，本軟件系統(tǒng)大致可分為以下三大部分：（1）電流、電壓實時A/D采樣模塊。該模塊主要包含頻率測量子程序和電流、電壓數(shù)據(jù)采集子程序。（2）電流、電壓、功率、電度、功率因數(shù)等各電力參數(shù)的計算處理模塊。該模塊主要包含數(shù)據(jù)處理子程序、鍵盤顯示子程序。（3）數(shù)據(jù)通信模塊。該模塊主要是SPCE061A單片機與上位機進行數(shù)據(jù)通信。

圖4-1主程序流程圖數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計4.2.1頻率測量子程序頻率測量原理：當?shù)谝淮涡盘栠^零發(fā)生時，啟動計數(shù)器，并在每次程序循環(huán)時累加，直至第二次過零發(fā)生。此時，存儲計數(shù)值并重置計數(shù)器。這樣就能直接獲得兩次過零之間的間隔時間，通過計算可以得出信號的周期，進而得到基波頻率。在本應(yīng)用中，利用SPCE061A外部中斷可以方便地完成上述功能。SPCE061A單片機提供了兩個16位可編程的定時/計數(shù)器：TimerA和TimerB。加法計數(shù)器的初值可由P_TimerA_Data和P_TimerB_Data設(shè)置。向定時器的P_TimerA_Data和P_TimerB_Data寫入初值后，定時/計數(shù)器將在所選的時鐘頻率下開始以遞增方式計數(shù)，當達到0xFFFF后定時/計數(shù)器溢出，產(chǎn)生中斷請求信號，CPU響應(yīng)后送入中斷控制器進行處理。同時初值將重新載入定時/計數(shù)器開始計數(shù)。TimerA的時鐘源有時鐘源A和時鐘源B“與”操作形成，是一個高頻時鐘源。TimerB的時鐘源僅有時鐘源A,是一個低頻時鐘源。本儀器中使用的是TimerA。在P_TimerA_Ctrl將時鐘源A設(shè)置0則將停止TimerA的計數(shù),可用此來控制計數(shù)器計數(shù).SPCE061A通過中斷控制寄存器和中斷控制指令實現(xiàn)中斷流程。SPCE061A對中斷源的開放和屏蔽，以及每個中斷源是否被中斷，都受中斷寄存器P_INT_Ctrl（7010H）、P_INT_Clear（7011H）和P_INT_Ctrl_New（7020H）控制，并受一些中斷控制指令的控制。這三個中斷控制寄存器的功能簡介如下：（1）P_INT_Ctrl控制單元具有可讀/寫的屬性，當寫中斷控制單元中的某位為1時，允許該位所代表的中斷被開放，并關(guān)閉屏蔽中斷觸發(fā)器，此時當有該中斷申請時，CPU會響應(yīng)。如果該位被請0，則禁止該位所代表的中斷。即使有該中斷申請時，CPU也不會響應(yīng)。當讀取中斷控制單元時，P_INT_Ctrl主要是作為中斷標志，當CPU響應(yīng)中斷時，P_INT_Ctrl中的某位置1，可以通過讀取寄存器來確定CPU相應(yīng)的中斷。外部中斷EXT1和EXT2分別對應(yīng)該單元的第8位和第9位。（2）P_INT_Clear清除中斷標志控制單元主要用于清除中斷標志位，當CPU相應(yīng)該中斷后，會將其中的中斷標志位置1，當進入中斷服務(wù)程序后，要將其控制標志位清零，否則CPU將總是響應(yīng)該中斷。（3）P_INT_Ctrl_New用于激活和屏蔽中斷。中斷控制指令如下：（1）FIQON開通FIQ中斷，此時指令不能代替P_INT_Ctrl的設(shè)置。（2）FIQOFF屏蔽FIQ中斷，F(xiàn)IQON與FIQOFF配對使用。（3）IRQON開放IRQ中斷。（4）IRQOFF屏蔽IRQ中斷。（5）INT設(shè)置FIQIRQ中斷。在本儀器中A相電壓u經(jīng)過整形為與之同步的方波信號然后接入AIOB3并設(shè)置為與IOB3口中斷有關(guān)的寄存器數(shù)據(jù)有效中斷方式，所以每個負跳變到來時則產(chǎn)生一次中斷頻率測量中斷子程序流程圖如圖4-2所示。電壓電流采集子程序SPCE061A有8路可復(fù)用的10位A/D通道,其中一路通到（MIC_IN）用于語音輸入，其余7路通道（Line_In）和IOA[0?6]引腳復(fù)用，可以通過這些引腳將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在本儀器中沒有用到MIC_IN，因此需要把P_ADC_Ctrl（7015）單元的第一位置“1”，以屏蔽V。MICADC采用自動方式工作，硬件ADC的最高速率限定為（fosc/32/16）Hz，如果速率超過此值，從P_ADC單元讀取數(shù)據(jù)時就會出錯。SPCE061A實時時鐘頻率為32768Hz，經(jīng)過PLL鎖相環(huán)倍頻電路產(chǎn)生多個振蕩頻率，通過對P_SystemClock（7013H）單元進行設(shè)置，經(jīng)過分頻得到CPU時鐘頻率CPUCLK，可以得到多種CPU頻率,默認的fosc，CPUCLK分別為24.576MHz和fosc/8，對應(yīng)的ADC響應(yīng)頻率為48KHz。數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)測量功能的重要環(huán)節(jié)，第一步，要取當前工頻周期；然后,根據(jù)周期內(nèi)采樣點數(shù)N，確定啟動A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時間間隔（定時常數(shù)）。本程序中設(shè)置fosc為32.768MHz，ADC響應(yīng)頻率為64KHz。ADC自動方式被啟動后,會產(chǎn)生一個啟動信號，RDY=0,進行A/D轉(zhuǎn)換,當A/D轉(zhuǎn)換完成后RDY被制成||1||，可以通過讀取P_ADC（7014H）或P_ADC_MUX_DATA（702CH）獲得10位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。讀完后RDY又

廠'廠'、中斷返回圖4-2頻率測量中斷子程序流程圖被置成||1||°ADC多通道控制是通過設(shè)置P_ADC_MUX_Ctrl(702BH)單元實現(xiàn)的，如下表4-1所示。電壓電流采集子程序流程圖如圖4-3所示。

表4-1PADCMUXCtrl單元bl5b14b13~b3b2b1b0控制功能ReadyFAILChannelSel（讀/寫）0A/D轉(zhuǎn)換為完成10A/D轉(zhuǎn)換完成000MICIN輸入001LineIn1輸入010LineIn2輸入011LineIn3輸入100LineIn4輸入101LineIn5輸入110LineIn6輸入111LineIn7輸入進入電壓電流采集程序圖4-3電壓電流采集子程序流程圖人機交互子程序設(shè)計4.3.1鍵盤子程序設(shè)計本設(shè)計中用5個按鍵通過上拉電阻直接接到SPCE061A的IOB口，采用中斷查詢的方式讀取按鍵值，5個按鍵的功能如下：S2為“測量”快捷鍵，開機時可按下直接測量；S3/S4為“上/下翻滾”鍵，用來對各級菜單滾動顯示；S5為“確認”鍵，當用S3/S4選中某一子菜單時，按下S5確認鍵即可進入該子菜單，或選中某功能時按下S5為確認鍵實現(xiàn)該功能；S6為“取消”鍵，當進入某一菜單時，按下S6即可退出該菜單，當正在實現(xiàn)某功能時，按下S6即可取消該功能。鍵盤掃描程序如圖4-4所示。n進入鍵盤/過壓過流中斷有鍵盤按下?Y-延時去抖動鍵盤掃描找到閉合鍵？NY-讀出按鍵值NT——-N閉合鍵釋放？Y—建立有效標志返回圖4-4鍵盤掃描流程圖

液晶顯示子程序設(shè)計本設(shè)計中液晶顯示采用菜單式顯示方式，總共有三級菜單，菜單中被選中項反白顯示，不同菜單間通過按鍵進行切換，這樣既節(jié)省了鍵盤又使操作明了方便。各級菜單間的關(guān)系如圖4-5所示。工工視在電能工無功電能▼一有功電能*視在功率無功功率k有功功率”功率因數(shù)頻率工單七一相電流圖4-5LCD三級菜單開機后LCD默認顯示測量快捷鍵，此時按下S2即可對信號采集處理、記錄，無需通過確認鍵操作。主菜單包括“測量”、“顯示記錄”、“上傳數(shù)據(jù)”、“時間設(shè)置”，在主菜單屏通過按鍵可任意選擇或查看子菜單，選中子菜單后，可以按下確認鍵進入子菜單。進入時間子菜單后，可以設(shè)置系統(tǒng)時間；進入數(shù)據(jù)上傳子菜單后，可以通過按鍵操作與上位機進行通信；進入顯示記錄子菜單后，可以通過滾動鍵和確認鍵查看已經(jīng)記錄的數(shù)據(jù)；測量子菜單也可通過滾動鍵和確認鍵進入。

液晶顯示模MG12864的顯示功能主要是通過SPCE061A的IOA口高8位來進行控制指令和顯示數(shù)據(jù)的通信，來顯示漢字與字符都以圖形方式顯示。系統(tǒng)顯示時，首先完成初始化工作。MG12864液晶顯示模塊本身自帶KS0107B和KS0108B控制芯片，此液晶顯示模塊的系統(tǒng)指令就是KS0107B和KS0108B控制器的指令，初始化設(shè)置一般都由管腳設(shè)置來完成，因此，其指令系統(tǒng)主要集中于顯示功能的設(shè)置上。液晶顯示模塊MG12864顯示程序流程圖如圖4-6所示。返回圖4-6顯示程序流程液晶顯示模塊始化就是對文本顯示區(qū)域首地址和寬度、圖形顯示區(qū)域首地址和寬度、光標形狀、顯示方式和顯示開關(guān)這些相關(guān)量進行設(shè)置。本裝置采用的12864液晶屏每屏可顯示4行8列漢字。將顯示碼寫入液晶控制器KS0107B和KS0108B中顯示RAM區(qū)的指定地址，便可在液晶屏上的相應(yīng)位置顯示出來。4.4與上位機通信子程序設(shè)計本裝置的RS232接口通信由SPCE061A的UART通信模塊實現(xiàn)。流程圖如圖4-7所示。（程序初始化圖4-7與上位機通信流程圖SPCE061A的UART通信模塊是可編程的，并通過編程控制寄存器單元設(shè)置通信方式、數(shù)據(jù)校驗方式、波特率等。UART控制單元及功能說明如下：（1）P_UART_Data（7023H）（讀/寫）單元可以用來作為接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的單元，向該單元寫入數(shù)據(jù)可以將發(fā)送的數(shù)據(jù)送入緩存器，從該單元讀數(shù)據(jù)，可以從緩存器讀取數(shù)據(jù)字節(jié)。UART模塊的接收引腳RX和發(fā)送引腳TX分別為IOB7和IOB10公用共用。使用UART模塊是需要將RX設(shè)置為輸入狀態(tài)，TX設(shè)置為輸出狀態(tài)P_UART_BaundScalarLow(7024H)、P_UART_BaundScalarHigh(7025H)單元來指定所需的波特率，同時設(shè)置P_UART_Command1(7021H)和P_UART_Command2(7022H)單元，已激活UART通信功能。(2)P_UART_Command1(寫)(7021H)該單元的b0、b1、b4未用，b2、3可以控制數(shù)據(jù)校驗功能，b6、b7控制UARTIRQ中斷，如果b6設(shè)為1中斷由TxRDY信號觸發(fā)，數(shù)據(jù)發(fā)送完后產(chǎn)生UARTIRQ中斷，如果b7設(shè)為1，中斷有TxRDY信號觸發(fā)，數(shù)據(jù)接收完時產(chǎn)生UARTIRQ中斷。本儀器中可以設(shè)置為數(shù)據(jù)接收完時產(chǎn)生UARTIRQ中斷。(3)P_UART_Command2(寫)(7022H)單元寫入時為UART數(shù)據(jù)發(fā)送/接收端口，第6、7位控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的允許/禁止?？梢约せ頤ART、Tx、Rx引腳。UART模塊的接收器和發(fā)送器都是雙緩沖的，每一個都有獨立的使能和中斷標志位。兩者可以單獨使用，也可以在全雙工方式下同時工作。收發(fā)器是MAX323收發(fā)器。SPCE061A串行通信軟件可采用查詢和中斷兩種方式。本裝置中，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收均采用中斷方式。第5章系統(tǒng)抗干擾設(shè)計5.1系統(tǒng)干擾因素由于電力參數(shù)測量現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，存在電磁干擾，使在實驗室里設(shè)計正常運行的系統(tǒng)，在現(xiàn)場卻往往不能夠正常穩(wěn)定地工作。系統(tǒng)干擾因素包括硬件方面的干擾因素和軟件方面的干擾因素。在硬件方面實際應(yīng)用中，干擾的來源很多，性質(zhì)也不一樣，干擾竄入儀器的渠道主要有三個：傳輸通道、空間電磁感應(yīng)、電源接地系統(tǒng)和印刷電路板干擾等。干擾系統(tǒng)的軟件因素主要包括程序死循環(huán)和程序“跑飛”為了保證儀表在實際應(yīng)用中可靠的工作，必須要周密考慮和解決抗干擾的問題[28]。5.2硬件抗干擾設(shè)計5.2.1電源抗干擾設(shè)計電源干擾主要是從被測線路進入系統(tǒng)的。當被測線路中電源發(fā)生波動時，會引起儀器內(nèi)部電源模塊的不穩(wěn)，致使儀器的性能和安全受到威脅。本儀器中電源部分產(chǎn)生兩種穩(wěn)壓源，采用穩(wěn)壓芯片7805獲取5V電壓+5V和用SPY0029三端集成穩(wěn)壓器獲得的+3.3V。在電源電路中，整流電路將交流變成脈動的直流，而在整流電路之后接入一個較大容量的電解電容，利用其充放電特性，使整流后的脈動直流電壓變成相對比較穩(wěn)定的直流電壓。在實際中，為了防止電路各部分供電電壓因負載變化而產(chǎn)生變化，所以在電源的輸出端及負載的電源輸入端一般接有數(shù)十至數(shù)百微法的電解電容．由于大容量的電解電容一般具有一定的電感，對高頻及脈沖干擾信號不能有效地濾除，故在其兩端并聯(lián)了一只容量為0.001--0.lpF的電容，以濾除高頻及脈沖干擾．另外，單片機對電源要求最高，采用線性穩(wěn)壓電源，可以在每一個芯片的電源進線端并聯(lián)兩個電容，一個容量為0.01uF用來消除高頻噪聲，另一個容量為0.1uF用來消除低頻噪聲。電磁兼容和電源接地系統(tǒng)抗干擾設(shè)計本裝置既有模擬電路，又有數(shù)字模塊，在模擬和數(shù)字同時存在時必須仔細考慮它們之間的電磁兼容性(EMC)問題。數(shù)字集成電路既是干擾源又是易受干擾的敏感部件，所以充分考慮它們之間的EMC問題，可以使硬件系統(tǒng)的電磁干擾和噪聲等大大降低，從而改善硬件系統(tǒng)的性能。在所有EMC問題中，大部分是由不當接地引起的。一般的單片機系統(tǒng)中，地線包括模擬地和數(shù)字地。當數(shù)字電路工作在高頻時，電源的脈動比較大，如果和模擬電源一起使用時就會給模擬電源造成干擾可以在不同地之間接電感的方式解決。5.2.3PCB抗干擾設(shè)計電路板上走線類型很多，如時鐘線、驅(qū)動線和信號線等。為了減小各類線之間的相互干擾，這些線要分開走。時鐘線應(yīng)盡量遠離其它走線，以防止互擾，并行的數(shù)據(jù)線走線要盡量短。在設(shè)計PCB時，選擇合理的尺寸大小，如果PCB尺寸過大，導(dǎo)線加長，抗干擾能力就會下降;反之，如果尺寸過小，相鄰導(dǎo)線以及l(fā)C之間距離就會變小，干擾也會增加。為了提高整板的抗千擾性能，PCB上各個關(guān)鍵部位都要設(shè)置去耦電容。5.3軟件抗干擾設(shè)計5.3.1“看門狗”程序設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計中，除了硬件抗干擾技術(shù)，也要考慮軟件抗干擾技術(shù)。軟件抗干擾設(shè)計的內(nèi)容主要消除模擬輸入信號的噪聲、程序跑飛時使程序重入正軌的方法。SPCE061A片內(nèi)有一個功能強大的“看門狗”電路模塊。作為常用的抗干擾方法，系統(tǒng)利用看門狗程序?qū)崟r監(jiān)視單片機的軟件和硬件操作。當SPCE061A發(fā)生混亂不能及時清除WatchDog定時器，WatchDog將會產(chǎn)生溢出中斷而復(fù)位系統(tǒng)，提高CPU的可靠性。可以用兩個定時器對程序運行進行監(jiān)控，對第一個定時器T0設(shè)定一定是時間，當產(chǎn)生定時中斷的時候?qū)σ粋€自定義變量進行賦值，而這個變量在程序運行開始時已經(jīng)有一個初值，其設(shè)定值要小于主程序運行時間，這樣在程序結(jié)束時對變量的值進行判斷，值發(fā)生了預(yù)期的變化，表明T0中斷正常，如果沒有發(fā)生變化就使程序復(fù)位。另外一個定時器T1用來監(jiān)控主程序運行，給T1設(shè)定一個定時時間，在主程序中對其進行復(fù)位，如果不能在一定的時間里對其進行復(fù)位T1的定時中斷就會使單片機復(fù)位。T1的定時時間要大于主程序的運行時間，給主程序一定的余量，而T1中的中斷是否正常由T0定時中斷子程序檢測。SPCE061A的WatchDog清除時間周期為0.75s，SPCE061A的的看門狗功能是上電自動使能，不能被屏蔽，因此在0.75s內(nèi)必須進行清狗操作。在P_WatchDog_Clear單元寫入“0x0001”即可。5.3.2“指令冗余”抗干擾設(shè)計當干擾出現(xiàn)在CPU內(nèi)核時，則CPU就不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂，這就是通常所說的程序“跑飛”，因此在軟件上應(yīng)采取抗干擾措施加以解決。程序跑飛后往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，從而引起整個程序的混亂，采用“指令冗余”是使跑飛的程序恢復(fù)正常的一種措施，所謂“指令冗余”就是在一些關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP，當程序“跑飛”到某條單字節(jié)指令上時就不會發(fā)生將操作數(shù)當成指令來執(zhí)行的錯誤，通常在一些對程序的流向起關(guān)鍵作用的指令前面插入NOP指令，則該條指令就不會被前面沖下來的失控程序拆散，而會得到完整的執(zhí)行，從而程序重新納入正常軌道。但應(yīng)注意的是在一個程序中“指令冗余”不能使用過多否則會降低程序的執(zhí)行效率。采用“指令冗余”使“跑飛”的程序恢復(fù)正常是有條件的，首先“跑飛”的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到所設(shè)置的冗余指令如果“跑飛”的程序落到非程序區(qū)（如EPROM中未用完的空間或某些數(shù)據(jù)表格等）或在執(zhí)行到冗余指令之前已經(jīng)形成了一個死循環(huán)，則指令冗余措施就不能使跑飛的程序恢復(fù)正常了。這時采用另一種軟件抗干擾這時采用另一種軟件抗干擾措施，即所謂“軟件陷阱”，“軟件陷阱”是一條引導(dǎo)指令強行將捕獲的程序引向一個指令的地址，在那里有一段專門處理錯誤的程序?！败浖葳濉币话惆才旁谙铝兴姆N地方：第一，未使用的中斷向量區(qū)；第二，未使用的大片EPROM空間，智能化儀器中使用的EPROM芯片一般都不會使用完其全部空間，對于剩余未編程的EPROM空間，一般都會維持其原狀，因此在這段區(qū)域內(nèi)每隔一段地址設(shè)一個陷阱，就一定能捕捉到跑飛的程序；第三表格有兩種表格即數(shù)據(jù)表格和散轉(zhuǎn)表格。由于表格的內(nèi)容與檢索值有一一對應(yīng)的關(guān)系，在表格中間安排陷阱會破壞其連續(xù)性和對應(yīng)關(guān)系，因此只能在表格的最后安排。陷阱如果表格區(qū)較長，則安排在最后的陷阱不能保證一定能捕獲到飛來的程序的流向，有可能在中途再次跑飛；第四程序區(qū)程序區(qū)是由一系列的指令所構(gòu)成的，不能在這些指令中間任意安排陷阱，否則會破壞正常的程序流程，但是在這些指令中間常常有一些斷點，正常的程序執(zhí)行到斷點處就不再往下執(zhí)行了，如果在這些地方設(shè)置陷阱就有可能有效地捕獲跑飛的程序。結(jié)論本文從介紹開題的背景和意義以及國內(nèi)外的現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)開始，查閱相關(guān)資料，設(shè)計了一種可用于檢測單相和三相電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、視在電能等交流電量參數(shù)的多功能電量測度儀。本儀器以SPCE061A為核心控制元件，結(jié)合電壓輸入電路、電流輸入電路、整形與過零檢測電路、外擴存儲電路、顯示電路、鍵盤控制電路、與上位機通信電路等外設(shè)電路實現(xiàn)對交流電量參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換、計算、存儲、顯示、通信等功能，解決了以往交流電量檢測儀器中功能單一、攜帶不方便等缺陷，可對發(fā)電廠、電業(yè)局、變電所、及企業(yè)工業(yè)設(shè)備等工作現(xiàn)場進行在線測量，以便對現(xiàn)場用電設(shè)備參數(shù)進行檢測和記錄。本儀器的新穎之處如下：（1）在電壓輸入電路和電流輸入電路中采用交流采樣時，互感器二次側(cè)對信號用兩級運算放大器進行處理，在運放中輸入?yún)⒖茧妷合葘⑿盘柼秊橹绷鞯模龠M行比例運算，而在單片機計算程序中減去直流量，獲得完整的交流量。這使測量更加準確。（2）單片機中內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換，減小了外界的干擾，將A/D轉(zhuǎn)換和其他指令統(tǒng)一編程，運行可靠性強，速度快。（3）與以往的檢測儀器相比采用了液晶顯示，可同時顯示多個參數(shù)，并將參數(shù)名稱和單位同時標出，使儀器使用更加方便。致謝通過此次畢業(yè)設(shè)計我獲益匪淺，不僅鞏固了在大學四年內(nèi)學過的知識，尤其是單片機和模擬電子方面的知識，不但通過這次畢設(shè)提高了單片機編程的能力，同時加強了我的實際編程能力，也讓自己更加的知道了自己知識領(lǐng)域里的不足和缺陷，理論知識有了很大的提高。這要感謝給我良好學習環(huán)境的學?！邶埥萍紝W院。在這段畢業(yè)設(shè)計的時間里，王朋老師給予我無限的關(guān)懷和教導(dǎo)。老師廣博的學術(shù)知識、嚴謹?shù)闹螌W作風和勤奮的工作態(tài)度每時每刻都在激勵著我奮發(fā)向上。感謝老師在硬件設(shè)計和程序編譯方面給予我技術(shù)上的指導(dǎo)和幫助，讓我終生受益的不止是具體的知識，還有治學嚴謹?shù)膶W習態(tài)度。參考文獻1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).第四版北京高等教育出版社，1999：45-752胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù).清華大學出版社，2004：:230-2513謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試第二版.華中理工大學出版社，2005：177-2034許遐.非正弦波形測量的同步采樣技術(shù).電測與儀表,1988:Vol.25(7):2-45康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.第四版.高等教育出版社，2000：254-3016童詩白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第三版.高等教育出版社，2000：309-3707何希才.新型電子電路應(yīng)用實例.科學出版社，2005：212-2688邱關(guān)源.電路.第四版.高等教育出版社，1999：248-2589鄭君里等.信號與系統(tǒng).第二版.高等教育出版社，1999：89-15910方彥軍，孫?。悄軆x器技術(shù)機器應(yīng)用.化學工業(yè)出版社、教材出版中心出版發(fā)行．2004：122-130.11王燕莉.孟欣.王培太.電測儀器儀表現(xiàn)場校驗儀的現(xiàn)狀與發(fā)展.電測儀表,2000:Vol.37(9):81012徐吉生.電工學.水利電力出版社，198313呂勇軍，許曉峰，張鐵巖.利用雙CPU結(jié)構(gòu)實現(xiàn)交流電參量的準確測量儀表技術(shù)，199814劉建，常小軍.一種基于采樣的電力參數(shù)測量方法.電氣自動化，199615潘新民等.微型計算機控制技術(shù).電子工業(yè)出版社，200416袁祿明.電磁測量.機械工業(yè)出版社.1980尤德裴.數(shù)字化測量技術(shù)及儀器.機械工業(yè)出版社，1992胡廣書.數(shù)字信號處理-理論、算法與實現(xiàn).清華大學出版社，1997陳曉斌，王向周.交流電基本參量的同步采樣檢測技術(shù)及其實現(xiàn)，微計算機信息—測控自動化，2005.620李慶波.電力參數(shù)智能綜合測試儀的研制[D].哈爾濱理工大學碩士研究生學位論，2000:221陸以彪.交流電量參數(shù)現(xiàn)場綜合測試儀的研制.哈爾濱理工大學工程碩士研究生學位論，200322杜剛.16位單片機原理及應(yīng)用.中國電力出版社，2..6：208-21823凌陽16位單片機實驗與實踐.北京航空航天大學出版社，2007：9-1824楊振海.集成運算放大器在測量中的應(yīng)用.東北林業(yè)大學出版社,199625孫友順唐慶玉等.單片機在電力系統(tǒng)頻率測量中的應(yīng)用.電子技術(shù),1994:Vol.21(6)8-1026孫涵芳,徐愛卿.MCS-51/96系列單片機原理及應(yīng)用.北京航空航天大學出版社,198827李宏.張家田等.液晶顯示器件應(yīng)用技術(shù).機械工業(yè)出版社，2004：75-8528胡元海.基于TMS320F2812的電力參數(shù)測試儀的設(shè)計與實現(xiàn).南京信息工程大學理學碩士學位論文，2008RaymondS.Turgel.DigitalWattmeterUsingaSamplingMethod.IEEE.Trans.Inst.Mea,1974:IM-23(4):337-341C.H.Dix.CalculatedPerformanceofaDigitalSamplingWattmeterUsingSystematicSampling.IEEE.Proc.Inst.Elect.1982,129(3):172-175PhadkeAG.SynchronizedPhasorMeasurementsinPowerSystem[J].IEEEComputerApplicationinPower,1998.4:10-1524Sabolic,Dubravko,Bazant,Alen.AnautomaticmonitoringsystemfortheshiplockslopeofWuqianxiStation[J].EgineeringGeology,2004Offelli.CandD.petri.InterpolationTechniquesforReal-timeMulti-frequencyWaveformAnalysis.IEEETrans.Instrum.Meas,1990:Vol.IM-39:301-304附錄1測量低寬帶波段交流電壓精密復(fù)合放大器摘要：本論文敘述了高精度復(fù)合放大器在計量中的應(yīng)用，尤其是對寬波段較低的交流電壓測量，包括理論設(shè)計和仿真測試。整個裝置用于普通的含有AC/DC比較的儀器校準過程。關(guān)鍵詞：復(fù)合放大器，交流電壓測量，儀器校準。1.引言普通萬用表通常需要校準電壓范圍從1毫伏到更高，頻率范圍從直流到1兆赫。交流電壓需要非常精確的測量，而且需要的AC/DC對比的方法。這意味著我們要比較溫度敏感元件的加熱，通常是熱電偶，產(chǎn)生直流和交流信號，交流信號的值是由已知的直流信號決定的。比較方法的作用是將輸入的1毫伏等級的電壓，在直流到1兆赫茲的頻率范圍內(nèi)放大400倍。復(fù)合放大器相對有以下要求[1]，復(fù)合運算放大器必須是直流的，具有高的連續(xù)的輸入阻抗、低的輸出阻抗、頻率獨立增益從0到1兆赫、輸入有過壓保護、足夠的輸出功率和短路保護用來防止毀壞。這些要求很難用簡單的放大器實現(xiàn)，高增益寬頻帶并且高精度直到1兆赫茲能穩(wěn)定運行的放大器很難用先前仿真效果很好的放大器直接構(gòu)成。2.論文目的本論文的主要目的是設(shè)計特殊的放大器實現(xiàn)要求的參數(shù)，且與理想值相差不大。市場上有各樣對特殊功能優(yōu)化的放大器，但是沒有對綜合功能優(yōu)化的放大器。這就是為什么熱電偶放大器交互方式必須考慮多種相對抗的因素綜合設(shè)計，以最好地求出參數(shù)。上面提到的各部分框圖如圖1所示。從模塊圖1中可以看到信號途徑，這個信號流程是開環(huán)高增益的，頻率范圍直到1兆赫茲。主反饋分為兩部分，交流反饋直接與寬頻帶放大器相連，直流反饋與繼電放大器相連。3.設(shè)計中的重要組成部分3.1直流偏移抵消電路主體直流的準確度，可用運算放大器取樣實現(xiàn)，并且可與電容集成在一個芯片上，即所謂的斬波放大器。它能提供最小的直流補償和漂移。但是由于它的噪音大，并不適應(yīng)于寬頻帶。由于這些局限性，它只能作為一個并行分支，協(xié)調(diào)特定寬頻帶放大器實現(xiàn)直流特性。有兩種方法可以穩(wěn)定直接信號路徑對直流的補償，這個直接信號途徑是由寬頻帶放大器和電流反饋放大器組成的。寬頻帶放大器將主體反饋分為滯留部分和交流部分，直流部分來自穩(wěn)定的斬波放大器。這種解決方案的缺點是干擾進入主反饋，在主反饋中，有斬波放大器來的低帶寬信號和由寬頻帶放大器來的中高頻信號能精確的量在一起。因為頻率特性在這一點上，兩個信號通道連在一起，通常會有一些小的紋波，紋波是由斬波放大器的輸出量和直接反饋信號的相角之差產(chǎn)生的。第二種方法是直接接入寬頻帶放大器的直流修正引腳調(diào)節(jié)直流補償。這個先決條件限制了運算放大器的數(shù)量。作為合適的運算放大器在直流抵消電路中，鑒于上面的條件，LTC1050C已被選用［2］。局部頻率獨立反饋將總的直流穩(wěn)定電路帶寬降低到0.05Hz。LTC1050C的關(guān)鍵參數(shù)，它的低電壓補償，可達到0.5微伏，低漂移可達0.01卩V/°C，電壓噪聲0.6卩Vp-p，內(nèi)部采樣頻率為2.5kHz.。3.2寬帶傳輸寬帶傳輸?shù)闹饕獑栴}是，在整個頻率范圍以實現(xiàn)穩(wěn)定和頻率獨立增益。由于普通放大器的局限性，雙極輸入的放大器和具有電流反饋的跨導(dǎo)放大器已被組合使用，用來實現(xiàn)穩(wěn)定寬頻的增益。從寬頻的立場考慮，運算放大器選用LT1028AC。它具有很好的噪聲參數(shù)(0.85nV/srtHz)，在頻率為1MHz時電壓曾以為35dB。雖然它有直流抵消引腳，但它仍有電壓偏移微調(diào)引腳。在本設(shè)計中，這個運放沒有局部反饋。下一個放大階段是用電流反饋放大器，在開環(huán)情況下，用以按要求實現(xiàn)總體增益。因為在這些放大階段，合適的放大器被試用過好多。這些放大器的主要選擇標準是在寬頻帶的情況下有高增益。這些放大器中有OPA695、LT1227HFA1120和其他的一些。OPA695和HFA1120有大約1.4GHz的單位增益帶寬，LT1227有140MHz的單位增益帶寬。但是OPA695沒有直流修正補償引腳，而HFA和LT有。這些要求在仿真和用點流反饋放大器實際設(shè)計之后被考慮到了，電流反饋放大器具有高的輸入電壓補償，并且沒有嚴格的直流反饋。本設(shè)計中很重要的一點就是，在中低頻段應(yīng)有搞得增益，用來實現(xiàn)在高頻段有地相差和低增益。鑒于這些要求，最好的選擇是HFA1120。在設(shè)計的草稿中，考慮過使用OPA695，但是它的缺陷是沒有局部的直流補償。電流反饋放大階段也有局部頻率獨立反饋，用來保證在高頻時有低的相位偏移。局部反饋有截止頻率1MHz，幅值特性以-40dB每十倍頻程下降。之后有穩(wěn)定的10dB增益。這種安排有一個優(yōu)點就是，在35MHz的頻率下相位偏移只有-15°，這種情況下總的增益為1。因此這是總體穩(wěn)定的先決條件。HFA1120電流反饋階段的幅值和相位頻率特性如圖2所示。實現(xiàn)整個電路的穩(wěn)定性關(guān)于分配，我們需要在頻率為1MHz時增益為400，且有足夠強的反饋，僅用電流反饋放大器是不夠的。有LT1028的總放大器在電流反饋放大一級是很難實現(xiàn)要求的，即要求在高頻的情況下有高增益。由于這個原因，使用兩個電流反饋放大器。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有T形狀的特殊相位校正電路被設(shè)計出來了。正確的使用此電路，可以忽略在中低頻段對增益的沖擊。但是它的主要作用是在35MHz的頻率下校正相位，使系統(tǒng)在閉環(huán)轉(zhuǎn)臺下有穩(wěn)定的增益。正向信號通道寬頻傳輸簡化圖如圖3所示。電流反饋放大階段被簡化了，它有局部獨立的頻率反饋。從圖4中可以看到T部分電路被調(diào)到10MHz，此時幅值特性從-20dB每十倍頻變?yōu)?20dB每十倍頻，T電路的增益范圍是70°，35MHz，可以矯正電流反饋的相位偏移，LT1028在35MHz時相位矯正為-200°。如果所有的相位偏移加起來，總的頻率增益在開環(huán)情況下為1.時，相位偏移為+20°在電流反饋放大和相位矯正兩個電路階段，有另一個優(yōu)點就是幅值特性很陡，在截止頻率1MHz處可達-120dB每十倍頻。如果電壓增益上限在開環(huán)狀態(tài)下為115dB，那么開環(huán)增益在10MHz時增益降為0dB，在100MHz時將為-20dB。這種效果在草稿設(shè)計中沒有考慮。雖然所有的截止頻率在高頻段已經(jīng)被設(shè)計到了，可以是總體的準確性更好，但是在高頻段的穩(wěn)定性差，感性容易產(chǎn)生自激振蕩，放大的高頻率將擴頻。AC輸入?yún)?shù)-放大器輸入級的漂移輸入放大器的選擇將會對高輸入阻抗和低輸出阻抗產(chǎn)生主要影響。但是具有這些參數(shù)的放大器有高的噪音，它們適用于有高內(nèi)部阻抗的信號源[1]因此輸入級需要選擇輸入端有雙極晶體管的放大器，這樣的放大器適用于內(nèi)部阻抗較小的信號源，這樣有利于矯正。具有浮動電源的輸入放大器獲得更好的輸入?yún)?shù)，像是具有高輸入阻抗寬頻帶。它是由普通節(jié)點的供電電壓中點和輸入的第一級放大器構(gòu)成。這個電路也降低了內(nèi)部為了阻止輸入超載的二極管的電容的影響。輸入級放大器帶有浮動中點電源的電路圖簡化為圖5。作為一個合適的放大器，它控制的浮動電源中點，可以選用LT1097，它具有低直流偏移和漂移[2]。他不是一個一流的集成電路，但是它的各個參數(shù)都滿足要求。因為它在主枝中不參與放大。3.5熱電偶超載保護-帶有比較器輸出保護電路熱電偶的過載保護已經(jīng)用經(jīng)典的比較器電路做出來了，此電路能監(jiān)察特定信號的超載，且在輸出端不發(fā)出錯誤信號[1]。這一部分電路是一個帶有LT1128AC的輸出跟隨器，它可以在增益為1的情況下實現(xiàn)足夠的準確性，不會使先前達成好的結(jié)果更糟。在此跟隨器之前有一個電氣開關(guān)，這個開關(guān)在輸出電壓超過特定范圍之后，可以將LT1128AC與之前的電路隔離，保護熱電偶免受毀壞。4.結(jié)果經(jīng)考察開環(huán)增益在頻率為1MHz的圖可用圖6表示，此圖表述了總體的開環(huán)增益、閉環(huán)增益和LT1028的增益。從幅值特性中看到在1MHz時幅值增益已經(jīng)足夠，大約為115dB，在閉環(huán)之后提供了很好的上限和高的準確性。從圖6和7中可以看到開環(huán)時增益和相位的界限，圖6為總體放大器的相位頻率特性。對開環(huán)特性仔細研究可知，在15MHz時增益為6dB，在35MHz時相位上限為18°。在用精確電阻將總體閉環(huán)之后，可以實現(xiàn)總的增益為400且幅值特性比較平，如圖6所示。整個交流精密放大器在10Hz至1MHz整個頻率范圍內(nèi)的特性如圖8所示。所設(shè)計的寬頻帶放大器在從直流到1MHz的范圍內(nèi)總體精度大約為±500ppm，如果帶寬降到100kHz，精度將增加到±20ppm。5.討論仿真結(jié)果符合設(shè)計者的目的，即高的開環(huán)增益和穩(wěn)定的閉環(huán)功能。由于在高頻和高增益的條件下工作，在實際的構(gòu)造中將有一些困難。參數(shù)的設(shè)置和放大器的選擇因設(shè)計不同而異，但是這個想法是可以實現(xiàn)的。如果它們能夠?qū)崿F(xiàn)或接近仿真結(jié)果，這樣的放大器原型正在構(gòu)造中，并且各個模塊已經(jīng)被測試。6.結(jié)論在此設(shè)計中，顯示了真實的電子器件，這些器件可以構(gòu)造具有相關(guān)重要參數(shù)、優(yōu)點和缺點的放大器。所有的主要部分都是在考慮了它們對總體準確性和總體參數(shù)的情況下設(shè)計的。論文中也有仿真結(jié)果和參數(shù)的核查，這些參數(shù)決定了總體的準確性和長期的穩(wěn)定性。此放大器真正的原型還沒被測試，但是它正在構(gòu)造中。附錄2XVIIIIMEKOWORLDCONGRESS

MetrologyforaSustainableDevelopmentSeptember,17—22,2006,RiodeJaneiro,BrazilPRECISIONMEASUREMENTOFLOWACVOLTAGEINWIDEBAND

WITHCOMPOSITEAMPLIFIERZdenekHavranekDepartmentofControlandInstrumentation,BrnoUniversityofTechnology,Brno,CzechRepublic,havranekz@phd.feec.vutbr.czAbstract:ThepaperdescribestheoreticaldesignandsimulationresultsofthehighprecisionamplifierforuseinmetrologyespeciallyformeasurementoflowACvoltageinawidefrequencyrange.ThewholedevicewillbeusedinprocessofcalibrationofcommonmultimeterswithAC/DCcomparationtechnique.Keywords:compositeamplifier,ACvoltagemeasurement,calibrationinstrumentation.INTRODUCTIONCommonmultimetersusuallyneedthecalibrationforvoltagerangesfrom1mVhigherinafrequencyrangeofDCto1MHz.VeryaccuratemeasurementofACvoltageisneededandisofferedbytheAC/DCcomparationmethod.Itmeansthatwecompareheatingoftemperaturesensitiveelement,usuallythermocouple,createdbytheACandDCsignalwiththeknownDCsignalwhichdeterminesthevalueofACsignal.Forproperfunctionofcomparationmethod,theinputvoltagesignalof1mVrms、mustbegainedby400timesinafrequencyrangefromDCto1MHz.Itputsopposedrequirementsontheamplifier[1].TheamplifierhastobeDCaccuratewithhighandconstantinputimpedance,lowoutputimpedance,lownoise,frequencyindependentgainfrom0to1MHz,inputovervoltageprotection,enoughoutputpowerfordrivingthethermocoupleandshortcircuitprotectiontopreventitsdestroying.Thisopposedrequirementscan'tbefulfilledbysimpleamplifier.Thehighgainamplifierinwidebandwidthwithalsovery

highprecisionupto1MHzandstableoperationcan'tbeconstructeddirectlywithoutanypreviousgoodsimulationresultsobtainableinrealdesign.PURPOSEOFTHEPAPERThemainobjectiveofthispaperistodesignspecialamplifiertoachievetherequieredparametersnotfarfromideal.Thereishugerangeofvariousamplifiersoptimalizedformanyspecialpurposesonthemarket,butthereisnochancetooptimizethewholeparameterstogether.That'swhytheamplifierforthermocoupleconversationmethodmustbedesignedasacompositeamplifierwithseveralblocsandthenitcanprovidethebestfinalparameters.Theblocdiagramofthewholeamplifierwithallpartsmentionedaboveisonthefigure1.Fromtheblocdiagram,onecanseedirectsignalpathwhichprovidesveryhighopen-loopgaininwidebandwidthupto1MHz.Theglobalfeedbackpathisdividedintotwoparts,ACfeedbackdirectlyconnectedintowidebandwidthamplifierandDCfeedbackprocessedwithchopperedamplifier.jilfoiwdeBrslz-DCFEEDBACKFig.1.Blocdiagramofthedesignedcompositeamplifier2.DESIGNOFIMPORTANTPARTS2.1.DCoffsetcancelationcircuitGlobalDCaccuracycanbeachievedbyusingoperationalamplifier(OA)withsampleandholdcapacitorsintegratedonthechip,so-calledchopperamplifier.ItprovidesminimalDCoffsetanddrift,butforitshighernoiseitisnotsuitableforwiderfrequencyrange.Becauseoftheselimitations,itcanbeR&s^sti/eFeedcackGircuil⑷dhVer^LewTeiriperatureDriftandLongTermStabilityjilfoiwdeBrslz-DCFEEDBACKFig.1.Blocdiagramofthedesignedcompositeamplifier2.DESIGNOFIMPORTANTPARTS2.1.DCoffsetcancelationcircuitGlobalDCaccuracycanbeachievedbyusingoperationalamplifier(OA)withsampleandholdcapacitorsintegratedonthechip,so-calledchopperamplifier.ItprovidesminimalDCoffsetanddrift,butforitshighernoiseitisnotsuitableforwiderfrequencyrange.Becauseoftheselimitations,itcanbeR&s^sti/eFeedcackGircuil⑷dhVer^LewTeiriperatureDriftandLongTermStabilityusedonlyasaparalelbranchwhichadjustsDCparametersoftheselectedwidebandamplifier.Therearetwoways,howtostabilizetheDCoffsetforthedirectsignalpath,whichconsistofwidebandamplifierandcurrent-feedbackamplifiers.ThefirstoneistodividetheglobalfeedbackintoDCandACpart,wheretheDCpartcomesthroughchooperstabilizedOA.Disadvantageofthissolutionisinterferenceintoglobalfeeedback,wheretheconnectionbetweenlow-bandsignals,comefromchopperOA,andmid-andhigh-bandsignalsdirectlyprocessedbywidebandamplifiercouldbedoneveryprecisely.Becauseinthepointonthefrequencycharacteristic,wherebothsignalpathsactingtogether,thereisusuallysmallripplecausedbysmallphaseanglebetweenchopperOAoutputanddirectfeedbacksignal.ThesecondwayofDCstabilizationisadjustingtheDCoffsetofthewidebandamplifierdirectlyintoitsDCoffsettrimingpins.ThispreconditionforthewidebandamplifierlimitstotalamountofavailableOAs.AstheappropriateOAforDCcancelationcircuit,duetomentionedrequierements,LTC1050Chasbeenchoosen[2].ThelocalfrequencydependantfeedbackreducesthetotalbandwidthofthewholeDCstabilizationcircuitto0.05Hz.ThekeyparametersofLTC1050Careverylowoffsetvoltageof0.5yVwithlowdriftO.O1yV/°C,voltagenoise0.6yVp-p(DC—1Hz)andinternalsamplingfrequency2.5kHz.WidebandtransmissionThemainproblemistoachievethestableandfrequencyindependentgaininthewholefrequencyrange.ThecombinationofbipolarinputstageoftheOAwithtransconductanceamplifierswithcurrentfeedback(CF)hasbeenchoosenduetolimitationsofclassicalamplifiertoachievestablegaininwiderfrequencyrange.OnthepositionofthewidebandamplifierhasbeenchoosenoperationalamplifierLT1028AC[2],whichhasverygoodnoiseparameters(0.85nV/srtHz),voltagegainof35dBat1MHz.ThisOAhasalsovoltageoffsettrimmingpins,thusitissuitableforDCcancelationdirectlyintotheoffsettrimmingpins.Inthedesign,thisOAhasnolocalfeedback.Twonextamplificationstagesareequippedwithcurrentfeedbackamplifiers(CFAs)toachievetherequieredglobalgaininopen-loop.AstheappropriatepartsforthesestageshasbeentriedseveralOAs.MainrequirementfortheselectionofOAisverywidebandwidthwithgoodstabilityathighergains.ThisqualityhasOAOPA695(manufacturerBurr-Brown),LT1227(LinearTechnology),HFA1120(Intersil)andsomeother.haveunity-gainbandwithofabout1.4GHzandLT1227has140MHz.ButOPA695hasn'tDCoffsettrimmingpins,whileHFAandLThave.ThisrequirementhasbeenconsideredaftersimulationandsomepracticaldesignwithCFAs,wherethemostofcurrentfeedbackamplifiershavehighinputoffsetvoltage(inmVlevels)andwithoutstrictlocalDCfeedback,theystaturate.Inthisdesign,itisimportanttohavehighgainatlowandmid-rangefrequenciestoachievelowphaseshift(from0°)athighfrequencieswithlowgain.Fromtheserequirements,thebestchoiceisIntersilHFA1120.Inthedraftversionofdesign,therewasconsideredusageofOPA695,butitslimitationisimposibilityoflocalDCoffsettrimming.ThestagewithCFAhasalsolocalfrequencydependentfeedbacktoensurelowphaseshiftathighfrequencies,asmentionedabove.Thelocalfeedbackhascut-offfrequencyat1MHzwithfollowing-40dBperdecadeslopeoftheamplitudefrequencycharacteristicandthenconstantgainof10dB(slopeof0dBperdecadewithcut-offfrequencyabout15MHz).Thisarrangementhasabigadvantagewithphaseshiftofonly-15°atfrequencyabout35MHz,wherethewholecompositeamplifierisdesignedwithagainof1.Soitisagoodprerequisiteforglobalstability.AmplitudeandphasefrequencycharactaristicoftheonestagewithCFAHFA1120isinthefigure2.AchievingthestabilityofthewholecircuitWithrespecttotheassignment,whereweneedthegainof400atfrequencyof1MHzwithenoughstrongfeedback,usingofonlyoneCFamplifierisinsufficient.ThewholeamplifierwithLT1028andonestagewithCFAcan'tfulfiltherequirementabouthighopen-loopgainathighfrequency(about1MHz).Becauseofit,twoCFamplifiershavebeenused.Topreservethestabilityofthesystemthespecialphasecorrectingcircuit[3]withT-cellshapehasbeen

designed.Usedcorrectioncircut(overbridgedT-cell)hasnegligibleimpactontheopen-loopgainatlowandmid-rangefrequencies,butitsmaintaskistocorrectthephasetostabilizethegainintheclosed-loopathighfrequenciesabout35MHz.Thesimplifiedschematicoftheforwardsignalpathcircuitforwidebandtransmissionisinthefigure3.StageswithCFAissimplified,theyAmplitude(continues)andphase(dashed)frequencycharacteristicofonestagswithcurrentfeedbackamplifierHavefrequencydependentlocalfeedback(notonlyresistive).Fig.3.SimplifiedschematicoftheforwardsignalpathwithtwoCFamplifiers(OA2,OA3)andphasecorrectioncircuitOnecanseefromthefigure4,thatT-cellistunedto10MHz,wheretheslopeoftheamplitudefrequencycharacteristicchangesfrom-20dB/decadeto+20dB/decade.ThegainmarginofthisT-cellisabout70°(positive)at35MHz,whichcorrectthephaseshiftofbothCFA(eachhasabout-15°)andalsothephaseshiftofLT1028at35MHzofabout-200°.Ifallphaseshiftsareadded,thenthetotalgainmarginatfrequency,whereopen-loopgainis1,isabout+20°(thetotalphaseshiftofopen-loopis-160°).Amplitude(continues)andphase(dash&d)frequencycharacteristicC,￡|-C,111C1D31DDD1CD3D'CCODDFig.4.Amplitudeandphasefrequencycharacteristicsofthephasecorrectioncircuit(stabilizationcircuit)BothstageswithCFAandphasecorrectioncircuitbetweenthemhavealsoanotherbigadvantageofverysteepslopeofamplitudefrequencycharacteristicaftercut-offat1MHzreaching-120dB/decade.Andifthegainmargininopen-loopat1MHzisabout115dB,thenopenloopgainat10M