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简易改进型数字交流毫伏表*

作者:哈尔滨工业大学威海校区 严发宝 范士伟 王鹏飞 马秀娟 井岩时间:2008-04-16来源:电子产品世界收藏

  设计特色

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/81632.htm

  本设计以AT89C52为核心,以液晶显示作为人机交互界面,用按键选择功能。电压测量部分包括衰减及放大、真有效值直流(RMS-DC)变换、12位A/D转换等三个主要组成部分。

  方案比较、设计与论证

  总体方案的设计确定

  ·测量电路

  方案一:方案一结构框图如图1所示。用传统的方案做成晶体管毫伏表,该方案中被测交流信号经高阻分压器、射极输出器、低阻分压器后送到放大器,放大后的信号再经检波后由指示器指示,低阻分压器选择不同的分压系数,使仪表具有不同的量程。输入级采用低噪声晶体管组成的射级输出器,提高了仪表的输入阻抗,降低噪声。放大器具有高放大倍数,从而提高仪表的灵敏度。该方案具有隔直流功能,但是测量精度低、频率特性差。

  方案二:方案二结构框图如图2所示。该方案是先将被测信号在幅值上处理后,经过全波整流,再滤除杂余信号后经过测量装置再显示,此时考虑的是整流问题,在这里容易产生噪声,所以需用电容滤波。此方案电路处理简单,但是测量误差大。

  方案三:方案三结构框图如图3所示。被测信号在接入电路时,经过放大小幅信号和使大幅信号衰减,在选择放大和衰减的问题上我们采用LTC6800反向输入放大器来选择档位,使其达到件(RMS_DC)LTC1967可以读出的电压范围。由LTC1967把得来的模拟真值送给A/D转换,由A/D转换把模拟量转为单片机可以识别的数字量,然后用液晶来显示,同时反馈给换档调节装置,使其自动换档。该方案可控性好,精度高,而且频率特性好。

  综合以上三种方案,我们选择方案三。此方案电压测量范围为10mV~200V,测量电压的频率范围可以达到10Hz~100kHz,而且具有功能,运放用的电阻大于1MΩ,的电容不大于50pF,所以此方案满足输入电阻≥1MΩ和输入电容≤50 pF的要求。在程序上我们可以实现超量程液晶自动闪烁报警功能。

  ·稳压电源

  在测量电路和信号输出电路中,我们选择线性稳压电源,由于我们采用分立供电,所以电源输出电流不大于1A,因此在不同的输出值上我们分别选择7805、7905型号的稳压电源,基本原理如图4所示。

  此方案完全可以满足电路所需,为其提供非常稳定的供电系统,比开关电源更节约成本。

  各子模块方案设计、比较和论证

  ·放大衰减部分 
 
  考虑到要测的信号的幅值为10mV~200V,一般的测量仪器及都达不到这个范围,所以首先要对信号进行降压处理。对于不同幅值范围的电压要有不同变压处理(即分档)。

  方案一:直接用变压器进行放大衰减处理,电路比较简单,容易实现,但是电噪声比较大,很可能产生不可以消除的失真,而且体积很大,不易携带,这样对整个系统的测量精度有很大的影响。

  方案二:用精密的电阻进行衰减,用运放进行放大,在很大程度上可以降低失真度,同时便于换挡,而且在这种电路中产生的失真也容易消除。

  鉴于这两种方案的比较,方案二明显在调节和成品的使用上优于方案一,这样在制作的过程之中,易于调试,而且在性能上也可以很好的实现,所以我们选择方案二。

  ·信号采集部分

  方案一:分压后用精密整流桥整流后经过采样保持再把数据送入A/D转换。该方案在测量频率比较高的波形时,会出现采样不是最大的幅值,此时就会要求采很多的点, 然后取平均值,再经过MCU处理。为了保证足够的精度,采样间隙应该尽量的短,因而要求A/D转换器采样速率要求非常高,相应控制器的处理速率也要求比较高。

  方案二:采取件LTC1967对放大衰减后的信号进行处理后进入AD,经过51单片机分析处理,要求一般速度较快的AD器件即可。

  ·显示部分

  方案一:采用LED显示。LED可以用移位寄存器74164或者专用芯片MAX7219  驱动,优点是控制比较简单,而且串行显示只占用很少的I/O口。但也有一个很大的缺点,只能显示一些简单的ASCII码字符,显示的信息量十分的有限,对于本系统较复杂的功能不太适合。

  方案二:采用字符型LCD显示。字符型LCD也可以采用74LS164通过同步串口驱动。优点是控制比较简单,而且串行显示只占用很少的I/O口,如图6所示。 

  经过综合考虑我们的显示部分选择方案二,考虑到显示的内容,我们选择型号为1602的液晶,因为其在满足题目要求的基础上,显示的信息更广,而不只是几个电压数字。人机交换界面更加人性化。

  ·和保护电路

  我们采用了模拟开关电路来控制电路状态,实现参数的自动测量和输出频率转换。在测量时,一次测量号后,等待下一次测量的指令,然后再进行下一次的测量,如果一开始就超量程,那么液晶就会闪烁。这样就很好的保护了整个换档电路,虽然不能一直测量,但是我们可以在不同的点上取样,这样对一些特殊电路非常实用(如图8、9、10)。




  理论分析与计算

  模拟电压转换

  ·放大和衰减部分

  在放大和衰减部分,主要由电阻来确定,放大部分和衰减部分各分两档,衰减倍数分别为50倍,5倍,增益部分分别为2倍,20倍。放大部分电路经过精确计算得到电阻参数。如图15所示,因为考虑到LTC1967的转换电压,所以我们把量程分别为:10mV~200mV, 200mV~2V,2V~20V,20V~200V,经过转换后的电压范围都在200mV~4V之间。

  ·真有效值的转换

  根据其精度的计算,我们对LTC1967的参数的选择如图12所标注的参数值一致。使其输入信号为10Hz~100kHz的时候达到最精。

  LTC1967采用 如图12的典型接法,通过调整外部精调电路电阻,可使总误差大为减小。

  为了有效的防止衰减,我们用LTC6800作为信号放大器,电路图如图13所示,由其单位增益带宽根据经验公式可以得出10Hz~100kHz的通带带宽,而且我们实际结果也是如此。



  电路图及有关设计文件

  图14是我们设计的供电电源模块原理图。模块中间部分的稳压块采用78/79系列的代替(其中的78和79系列我们分别选取7805、7905、这样使电源分立供电,以尽量减少误差)。考虑到电源整个电路系统的功率问题,我们采取分立供电。

  用模拟开关电路来解决,此过程中,单片机系统对测量值进行判断选择合适的档位进行电压的测量。在判断过程中,直到输入待测值在某个档位上时,这个档位的继电器才会闭合,使输入信号进入测量系统。

  键盘电路(图17)

  单片机最小系统(图16) 

  我们的单片机最小系统采用的89C52单片机,由于我们的I/O 接口不够用,所以我们用以下电路进行I/O扩展。

  测试方法与仪器

  测试方法:先用数字示波器对输出信号进行测量,结果可以从测量中看出波形没有失真,幅值的有效值为1V不变,而且输出的频率可以预置, 即可以用它来校正我们自制的交流毫伏表。

  在正式测试之前先用自制的信号输出对其校正,结果和输入实际值一样,我们就进入实测,用变频电源信号输入测试系统,同时接上示波器,测试结果一样,证明我们的交流毫伏表示达到要求的。

  测试仪器主要有:变频电源;TDS1012数字示波器;TOP—851编程器;电位差计;仿真器;万用表等等。

  测试数据及测试结果分析

  为了保证测量系统和输出信号系统的精度和准确,同时为了减少测量相对误差,我们经过测试,得到以下若干组数据,最后用发生器对测量系统进行自校准。测量数据如下:

  1 先用2v输入进行测试,共随机抽样测得35组数据,列表如表1。

  2 对电压测量系统进行电压检测,主要由变频电源对测量系统输入信号,测量结果如表2(测量部分为了方便只取三位有效数字)。

  误差分析

  1 测试系统误差分析

  通过上述测试数据,可以得出,电压测量系统的误差范围在±2%±1个字,而信号输出的电压误差范围为<±5%,其输出频率误差在±2%以内,所以当输出信号作为自检信号输入测量系统进行测量时,误差范围在±5%±2个字。

  测量系统的误差主要来自变压系统的误差、真有效值转换时的误差以及A/D转换后在单片机系统内出现的误差。变压系统主要有比值不可以精确计算,同时存在温漂等不确定因素,同时由于真有效值转换的精度本身就影响测量结果,另外单片机处理时也存在误差。

  2 抗干扰措施

  系统要测量信号有强有弱,最小数量级可达10mV,增益高,非常容易受干扰和产生自激。因此抗干扰措施必须做的很好,才能避免自激,减小噪声,提高测量精确度。通过理论分析和实验,我们采用下述方法减小干扰,避免自激。

  1.将系统测量电路放入屏蔽盒中进行电磁屏蔽,避免空间高频电磁干扰,和工频干扰。

  2.模数隔离。由于数字电路有非常大的高频对地干扰,非常容易对模拟 电路产生影响。在电路板制作中我们采用了模拟地数字地一点接地。

  3.电源隔离。由于系统要有 供电,其中继电器的开关噪声非常大,我们采用了完全的独立电源供电,有效减小对主测量电路的影响。
PCB电路板图示于图18、19。

  参考文献:

  1、Data conversion products databook. Analog Devices Inc   1988

  2、PZ105真有效值交直流数字电压表,电测与仪表, 1989.No.3

  3、戴伏生,基础电子电路设计与实践,国防工业出版社,2002.4

  4、全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编,北京理工大学出版社,2004.8
  
  5、赵文博、刘文涛,单片机语言C51程序设计,人民邮电出版社,2005

  6、阎石,数字电子技术基础,高等教育出版社,1997.12 

  7、童诗白、华成英,模拟电子技术基础,高等教育出版社,1987.5

  8、DonnaldA.Neamen,赵桂钦、卜艳萍译,电子电路分析与设计,电子工业出版社

  9、黄智伟,全国大学生电子设计竞赛训练教程,电子工业出版社,2004.11

  10、全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编,北京理工大学出版社,2005.3

 

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