簡易改進型數(shù)字交流毫伏表＊

　　設計特色

　　本設計以AT89C52為核心，以液晶顯示作為人機交互界面，用按鍵選擇功能。電壓測量部分包括衰減及放大、真有效值直流(RMS-DC)變換、12位A/D轉(zhuǎn)換等三個主要組成部分。

　　方案比較、設計與論證

　　總體方案的設計確定

　　·測量電路

　　方案一：方案一結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用傳統(tǒng)的方案做成晶體管毫伏表，該方案中被測交流信號經(jīng)高阻分壓器、射極輸出器、低阻分壓器后送到放大器，放大后的信號再經(jīng)檢波后由指示器指示，低阻分壓器選擇不同的分壓系數(shù)，使儀表具有不同的量程。輸入級采用低噪聲晶體管組成的射級輸出器，提高了儀表的輸入阻抗，降低噪聲。放大器具有高放大倍數(shù)，從而提高儀表的靈敏度。該方案具有隔直流功能，但是測量精度低、頻率特性差。

　　方案二：方案二結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該方案是先將被測信號在幅值上處理后，經(jīng)過全波整流，再濾除雜余信號后經(jīng)過測量裝置再顯示，此時考慮的是整流問題，在這里容易產(chǎn)生噪聲，所以需用電容濾波。此方案電路處理簡單，但是測量誤差大。

　　方案三：方案三結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。被測信號在接入電路時，經(jīng)過放大小幅信號和使大幅信號衰減，在選擇放大和衰減的問題上我們采用LTC6800反向輸入放大器來選擇檔位，使其達到真有效值轉(zhuǎn)換器件(RMS_DC)LTC1967可以讀出的電壓范圍。由LTC1967把得來的模擬真值送給A/D轉(zhuǎn)換，由A/D轉(zhuǎn)換把模擬量轉(zhuǎn)為單片機可以識別的數(shù)字量，然后用液晶來顯示，同時反饋給換檔調(diào)節(jié)裝置，使其自動換檔。該方案可控性好，精度高，而且頻率特性好。

　　綜合以上三種方案，我們選擇方案三。此方案電壓測量范圍為10mV～200V，測量電壓的頻率范圍可以達到10Hz～100kHz，而且具有自動量程轉(zhuǎn)換功能，運放用的電阻大于1MΩ，運算放大器的電容不大于50pF，所以此方案滿足輸入電阻≥1MΩ和輸入電容≤50 pF的要求。在程序上我們可以實現(xiàn)超量程液晶自動閃爍報警功能。

　　·穩(wěn)壓電源

　　在測量電路和信號輸出電路中，我們選擇線性穩(wěn)壓電源，由于我們采用分立供電，所以電源輸出電流不大于1A，因此在不同的輸出值上我們分別選擇7805、7905型號的穩(wěn)壓電源，基本原理如圖4所示。

　　此方案完全可以滿足電路所需，為其提供非常穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，比開關(guān)電源更節(jié)約成本。

　　各子模塊方案設計、比較和論證

　　·放大衰減部分　
　
　　考慮到要測的信號的幅值為10mV～200V，一般的測量儀器及運算放大器都達不到這個范圍，所以首先要對信號進行降壓處理。對于不同幅值范圍的電壓要有不同變壓處理(即分檔)。

　　方案一：直接用變壓器進行放大衰減處理，電路比較簡單，容易實現(xiàn)，但是電噪聲比較大，很可能產(chǎn)生不可以消除的失真，而且體積很大，不易攜帶，這樣對整個系統(tǒng)的測量精度有很大的影響。

　　方案二：用精密的電阻進行衰減，用運放進行放大，在很大程度上可以降低失真度，同時便于換擋，而且在這種電路中產(chǎn)生的失真也容易消除。

　　鑒于這兩種方案的比較，方案二明顯在調(diào)節(jié)和成品的使用上優(yōu)于方案一，這樣在制作的過程之中，易于調(diào)試，而且在性能上也可以很好的實現(xiàn)，所以我們選擇方案二。

　　·信號采集部分

　　方案一：分壓后用精密整流橋整流后經(jīng)過采樣保持再把數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換。該方案在測量頻率比較高的波形時，會出現(xiàn)采樣不是最大的幅值，此時就會要求采很多的點， 然后取平均值，再經(jīng)過MCU處理。為了保證足夠的精度，采樣間隙應該盡量的短，因而要求A/D轉(zhuǎn)換器采樣速率要求非常高，相應控制器的處理速率也要求比較高。

　　方案二：采取真有效值轉(zhuǎn)換器件LTC1967對放大衰減后的信號進行處理后進入AD，經(jīng)過51單片機分析處理，要求一般速度較快的AD器件即可。

　　·顯示部分

　　方案一：采用LED顯示。LED可以用移位寄存器74164或者專用芯片MAX7219  驅(qū)動，優(yōu)點是控制比較簡單，而且串行顯示只占用很少的I/O口。但也有一個很大的缺點，只能顯示一些簡單的ASCII碼字符，顯示的信息量十分的有限，對于本系統(tǒng)較復雜的功能不太適合。

　　方案二：采用字符型LCD顯示。字符型LCD也可以采用74LS164通過同步串口驅(qū)動。優(yōu)點是控制比較簡單，而且串行顯示只占用很少的I/O口，如圖6所示。 

　　經(jīng)過綜合考慮我們的顯示部分選擇方案二，考慮到顯示的內(nèi)容，我們選擇型號為1602的液晶，因為其在滿足題目要求的基礎上，顯示的信息更廣，而不只是幾個電壓數(shù)字。人機交換界面更加人性化。

　　·自動量程轉(zhuǎn)換和保護電路

　　我們采用了模擬開關(guān)電路來控制電路狀態(tài)，實現(xiàn)參數(shù)的自動測量和輸出頻率轉(zhuǎn)換。在測量時，一次測量號后，等待下一次測量的指令，然后再進行下一次的測量，如果一開始就超量程，那么液晶就會閃爍。這樣就很好的保護了整個換檔電路，雖然不能一直測量，但是我們可以在不同的點上取樣，這樣對一些特殊電路非常實用(如圖8、9、10)。

　　理論分析與計算

　　模擬電壓轉(zhuǎn)換

　　·放大和衰減部分

　　在放大和衰減部分，主要由電阻來確定，放大部分和衰減部分各分兩檔，衰減倍數(shù)分別為50倍，5倍，增益部分分別為2倍，20倍。放大部分電路經(jīng)過精確計算得到電阻參數(shù)。如圖15所示，因為考慮到LTC1967的轉(zhuǎn)換電壓，所以我們把量程分別為：10mV~200mV， 200mV~2V，2V~20V，20V~200V，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的電壓范圍都在200mV~4V之間。

　　·真有效值的轉(zhuǎn)換

　　根據(jù)其精度的計算，我們對LTC1967的參數(shù)的選擇如圖12所標注的參數(shù)值一致。使其輸入信號為10Hz~100kHz的時候達到最精。

　　LTC1967采用 如圖12的典型接法，通過調(diào)整外部精調(diào)電路電阻，可使總誤差大為減小。

　　為了有效的防止衰減，我們用LTC6800作為信號放大器，電路圖如圖13所示，由其單位增益帶寬根據(jù)經(jīng)驗公式可以得出10Hz~100kHz的通帶帶寬，而且我們實際結(jié)果也是如此。

　　電路圖及有關(guān)設計文件

　　圖14是我們設計的供電電源模塊原理圖。模塊中間部分的穩(wěn)壓塊采用78/79系列的代替(其中的78和79系列我們分別選取7805、7905、這樣使電源分立供電,以盡量減少誤差)?？紤]到電源整個電路系統(tǒng)的功率問題，我們采取分立供電。

　　自動量程轉(zhuǎn)換用模擬開關(guān)電路來解決，此過程中，單片機系統(tǒng)對測量值進行判斷選擇合適的檔位進行電壓的測量。在判斷過程中，直到輸入待測值在某個檔位上時，這個檔位的繼電器才會閉合，使輸入信號進入測量系統(tǒng)。

　　鍵盤電路(圖17)

　　單片機最小系統(tǒng)(圖16) 

　　我們的單片機最小系統(tǒng)采用的89C52單片機，由于我們的I/O 接口不夠用，所以我們用以下電路進行I/O擴展。

　　測試方法與儀器

　　測試方法：先用數(shù)字示波器對輸出信號進行測量，結(jié)果可以從測量中看出波形沒有失真，幅值的有效值為1V不變，而且輸出的頻率可以預置， 即可以用它來校正我們自制的交流毫伏表。

　　在正式測試之前先用自制的信號輸出對其校正，結(jié)果和輸入實際值一樣，我們就進入實測，用變頻電源信號輸入測試系統(tǒng)，同時接上示波器，測試結(jié)果一樣，證明我們的交流毫伏表示達到要求的。

　　測試儀器主要有：變頻電源；TDS1012數(shù)字示波器；TOP—851編程器；電位差計；仿真器；萬用表等等。

　　測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析

　　為了保證測量系統(tǒng)和輸出信號系統(tǒng)的精度和準確，同時為了減少測量相對誤差，我們經(jīng)過測試，得到以下若干組數(shù)據(jù)，最后用發(fā)生器對測量系統(tǒng)進行自校準。測量數(shù)據(jù)如下：

　　1 先用2v輸入進行測試，共隨機抽樣測得35組數(shù)據(jù)，列表如表1。

　　2 對電壓測量系統(tǒng)進行電壓檢測，主要由變頻電源對測量系統(tǒng)輸入信號，測量結(jié)果如表2(測量部分為了方便只取三位有效數(shù)字)。

　　誤差分析

　　1 測試系統(tǒng)誤差分析

　　通過上述測試數(shù)據(jù)，可以得出，電壓測量系統(tǒng)的誤差范圍在±2%±1個字，而信號輸出的電壓誤差范圍為<±5%，其輸出頻率誤差在±2%以內(nèi)，所以當輸出信號作為自檢信號輸入測量系統(tǒng)進行測量時，誤差范圍在±5%±2個字。

　　測量系統(tǒng)的誤差主要來自變壓系統(tǒng)的誤差、真有效值轉(zhuǎn)換時的誤差以及A/D轉(zhuǎn)換后在單片機系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的誤差。變壓系統(tǒng)主要有比值不可以精確計算，同時運算放大器存在溫漂等不確定因素，同時由于真有效值轉(zhuǎn)換的精度本身就影響測量結(jié)果，另外單片機處理時也存在誤差。

　　2 抗干擾措施

　　系統(tǒng)要測量信號有強有弱，最小數(shù)量級可達10mV，增益高，非常容易受干擾和產(chǎn)生自激。因此抗干擾措施必須做的很好，才能避免自激，減小噪聲，提高測量精確度。通過理論分析和實驗，我們采用下述方法減小干擾，避免自激。

　　1．將系統(tǒng)測量電路放入屏蔽盒中進行電磁屏蔽，避免空間高頻電磁干擾，和工頻干擾。

　　2．模數(shù)隔離。由于數(shù)字電路有非常大的高頻對地干擾，非常容易對模擬 電路產(chǎn)生影響。在電路板制作中我們采用了模擬地數(shù)字地一點接地。

　　3．電源隔離。由于系統(tǒng)要有 供電，其中繼電器的開關(guān)噪聲非常大，我們采用了完全的獨立電源供電，有效減小對主測量電路的影響。
PCB電路板圖示于圖18、19。

　　參考文獻：

　　1、Data conversion products databook. Analog Devices Inc   1988

　　2、PZ105真有效值交直流數(shù)字電壓表，電測與儀表， 1989.No.3

　　3、戴伏生，基礎電子電路設計與實踐，國防工業(yè)出版社，2002.4

　　4、全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編，北京理工大學出版社，2004.8
　　
　　5、趙文博、劉文濤，單片機語言C51程序設計，人民郵電出版社，2005

　　6、閻石，數(shù)字電子技術(shù)基礎，高等教育出版社，1997.12 

　　7、童詩白、華成英，模擬電子技術(shù)基礎，高等教育出版社，1987.5

　　8、DonnaldA.Neamen，趙桂欽、卜艷萍譯，電子電路分析與設計，電子工業(yè)出版社

　　9、黃智偉，全國大學生電子設計競賽訓練教程，電子工業(yè)出版社，2004.11

　　10、全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編，北京理工大學出版社，2005.3