簡易改進(jìn)型數(shù)字交流毫伏表*
設(shè)計(jì)特色
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/81632.htm本設(shè)計(jì)以AT89C52為核心,以液晶顯示作為人機(jī)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(gè)主要組成部分。
方案比較、設(shè)計(jì)與論證
總體方案的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí),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(dá)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(jī)可以識別的數(shù)字量,然后用液晶來顯示,同時(shí)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(dá)到10Hz~100kHz,而且具有自動量程轉(zhuǎn)換功能,運(yùn)放用的電阻大于1MΩ,運(yùn)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(shí)現(xiàn)超量程液晶自動閃爍報(bào)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(shè)計(jì)、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(yùn)算放大器都達(dá)不到這個(gè)范圍,所以首先要對信號進(jìn)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(jìn)行放大衰減處理,電路比較簡單,容易實(shí)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(gè)系統(tǒng)的測量精度有很大的影響。
方案二:用精密的電阻進(jìn)行衰減,用運(yùn)放進(jìn)行放大,在很大程度上可以降低失真度,同時(shí)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(shí)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(shí),會出現(xiàn)采樣不是最大的幅值,此時(shí)就會要求采很多的點(diǎn), 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(yīng)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(yīng)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(jìn)行處理后進(jìn)入AD,經(jīng)過51單片機(jī)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(diǎn)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(gè)很大的缺點(diǎn),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(fù)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(diǎn)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?yàn)槠湓跐M足題目要求的基礎(chǔ)上,顯示的信息更廣,而不只是幾個(gè)電壓數(shù)字。人機(jī)交換界面更加人性化。
·自動量程轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路
我們采用了模擬開關(guān)電路來控制電路狀態(tài),實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動測量和輸出頻率轉(zhuǎn)換。在測量時(shí),一次測量號后,等待下一次測量的指令,然后再進(jìn)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(hù)了整個(gè)換檔電路,雖然不能一直測量,但是我們可以在不同的點(diǎn)上取樣,這樣對一些特殊電路非常實(shí)用(如圖8、9、10)。
理論分析與計(jì)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(jì)算得到電阻參數(shù)。如圖15所示,因?yàn)榭紤]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(jì)算,我們對LTC1967的參數(shù)的選擇如圖12所標(biāo)注的參數(shù)值一致。使其輸入信號為10Hz~100kHz的時(shí)候達(dá)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(yàn)公式可以得出10Hz~100kHz的通帶帶寬,而且我們實(shí)際結(jié)果也是如此。
電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件
圖14是我們設(shè)計(jì)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)。考慮到電源整個(gè)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(jī)系統(tǒng)對測量值進(jìn)行判斷選擇合適的檔位進(jìn)行電壓的測量。在判斷過程中,直到輸入待測值在某個(gè)檔位上時(shí),這個(gè)檔位的繼電器才會閉合,使輸入信號進(jìn)入測量系統(tǒng)。
鍵盤電路(圖17)
單片機(jī)最小系統(tǒng)(圖16)
我們的單片機(jī)最小系統(tǒng)采用的89C52單片機(jī),由于我們的I/O 接口不夠用,所以我們用以下電路進(jìn)行I/O擴(kuò)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(jìn)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(yù)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(shí)際值一樣,我們就進(jìn)入實(shí)測,用變頻電源信號輸入測試系統(tǒng),同時(shí)接上示波器,測試結(jié)果一樣,證明我們的交流毫伏表示達(dá)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(jì);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(zhǔn)確,同時(shí)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(jìn)行自校準(zhǔn)。測量數(shù)據(jù)如下:
1 先用2v輸入進(jìn)行測試,共隨機(jī)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(jìn)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(gè)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(dāng)輸出信號作為自檢信號輸入測量系統(tǒng)進(jìn)行測量時(shí),誤差范圍在±5%±2個(gè)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(shí)的誤差以及A/D轉(zhuǎn)換后在單片機(jī)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(jì)算,同時(shí)運(yùn)算放大器存在溫漂等不確定因素,同時(shí)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(jī)處理時(shí)也存在誤差。
2 抗干擾措施
系統(tǒng)要測量信號有強(qiáng)有弱,最小數(shù)量級可達(dá)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(shí)驗(yàn),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(jìn)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?cái)?shù)字地一點(diǎn)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(dú)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(xiàn):
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(chǔ)電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐,國防工業(yè)出版社,2002.4
4、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎作品匯編,北京理工大學(xué)出版社,2004.8
5、趙文博、劉文濤,單片機(jī)語言C51程序設(shè)計(jì),人民郵電出版社,2005
6、閻石,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ),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(chǔ),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(shè)計(jì),電子工業(yè)出版社
9、黃智偉,全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程,電子工業(yè)出版社,2004.11
10、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎作品選編,北京理工大學(xué)出版社,2005.3
51單片機(jī)相關(guān)文章:51單片機(jī)教程
雙控開關(guān)相關(guān)文章:雙控開關(guān)原理
評論