6、智能数字交流毫伏表的设计与实现

No.7　2003

智能数字交流毫伏表的设计与实现

张　　,周婷婷,扈　啸

(国防科学技术大学三院　湖南长沙410073)

Ξ

TheDesignandRealizationofIntelligentDigitalACMillivoltmeter

【摘　要】　介绍了一种基于单片机和测量电压真有效值方案设计的智能数字交流毫伏表。它能

精确测量任意波形的低频模拟周期信号并同时显示其有效值和分贝值。具有智能量程转换功能。

关键词:单片机,数字毫伏表,真有效值,智能量程转换【Abstract】　ThispaperintroducesakindofintelligentdigitalACmillivoltmeterthatisbasedonthechipmicrocomputerandthedesignofvoltage’srealvirtualvaluemeasuring.Itnotonlycanmeasurethediscretionarylow2frequencyanalogsignalsexactly,butalsocansimultaneouslyshowtheirvirtualvaluesanddecibels.Ithasthefunctionofintelligentrangeswitching.

Keywords:chipmicrocomputer,digitalmillivoltmeter,realvirtualvalue,intelligentrangeswitching

1　引　言

在电气测量中,电压是一个很重要的参数。如何准确地测量模拟信号的电压值,一直是电测仪器研究的内容之一。目前所用的模拟电压表多为平均值检波,存在测量非正弦信号误差较大、测量小信号时漂移较大的问题,致使仪器灵敏度受到限制。本文讨论的智能数字交流毫伏表则采用积分式放大检波方案,从原理上克服了模拟电压表的缺陷。而且在具体设计和实现过程中有效地保证了仪器的灵敏度。

对于频率在10Hz～2MHz范围内的任意波形交流模拟信号,本设计在实现传统模拟电压表的一般功能(单/双通道测量及显示)的基础上,还扩展了智能选择量程进行测量的功能,整个测压范围达到0.01mV～300V,灵敏度保证在10μV级。采用两块液晶可同时显示电压值、分贝值以及所需的其它字符,读数简单方便。液晶可显示的最大分辨率为0.01mV。

图1　设计原理框图

3　硬件设计

3.1　单片机的选择

2　系统设计

设计的硬件部分共包括衰减及放大、真有效值直

流(RMS2DC)变换、模数转换、单片机控制、液晶显示及按键选择控制等5个主要组成部分。设计的总体思路是首先将滤波后的模拟信号通过衰减放大电路将电压值转换到RMS2DC变换器的工作电压范围内,然后让变换结果通过模数转换后直接进入单片机,经软件部分的相应处理后送液晶显示。若输入的被测信号电压不在合适的量程之内,单片机经过判断后控制微型继电器对衰减放大电路作相应的调整,以实现仪器智能转换量程的功能,并起到了保护后续电路的作用。原理框图如图1所示。

Ξ收稿日期:2003205204

本着尽量减少外围器件以简化电路降低成本的原则,这里选用PHILIPS的P87LPC764型OTP单片机。这是一种8051改进型MCU,可以提供4K字节OTP程存空间,128字节RAM。它不仅具备MCS251系列已有的特点,同时增加了WDT看门狗、I2C总线、上电复位检测、欠压复位检测等其他功能,保证I/O口驱动电流达到20mA,运行速度为标准80C51的两倍,而且温度范围也达到工业级标准(-40℃～+85),单片机本身的可靠性即电磁兼容特性也极好,功℃

耗很低。3.2　衰减放大电路与量程转换

信号的衰减及放大由单片机I/O口通过微型继电器控制,与A/D配合以实现量程的自动转换。若被测电压高于单片机此时设定的量程,单片机控制相应的继电器对信号进行衰减,反之则放大,保证输入

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张　　,等:智能数字交流毫伏表的设计与实现

RMS2DC变换器的信号不超过其工作电压范围,并尽

量使RMS2DC变换器工作在最佳状态,提高灵敏度。3.3　RMS2DC变换器及模数转换

就精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间等因素综合考虑后,选用了AD公司的RMS2DC变换器件AD637。它具有响应速度快,响应时间和信号幅度无关等特点。根据其特性曲线,AD637在输入电压0.2V～2V范围内有最佳频率响应,故衰减放大电路的输出信号电压应控制在该范围内。

模数转换用带串行控制的10位模数转换器TLC1549来实现,它能对信号自动采样保持,总不可调整误差可控制在±1LSBMax内。这里通过TL431电压基准芯片提供外加参考电平Vref+～Vref-;转换范围Vcc～0V,经过校准即可确定具体数值。三线控制(CS、DATA、CLK)。

TLC1549的输入信号为10Hz～1MHz的正弦波。而由于前端采用AD637处理,因此被测信号可以是任意波形。3.4　显示部分设计

液晶可显示3位带负号小数点的8位字段。显示有效值和分贝值格式如下:

有效值“:3位半数字(可带小数点)”+“mV/V”分贝值:“负号”+“3位数字(可带小数点)”+“dB”

单路时一块液晶显示有效值,另一块显示分贝值。双路测量时有效值、分贝值可交替显示。

图2　软件总体设计流程图

4　软件设计

软件设计主要完成3部分工作:进行数据处理(取均值去粗差)、控制继电器实现量程自动转换,以及显示电压有效值、计算和显示电压分贝值。

数据处理部分的程序设计简单易行,不再赘述。这里主要说明一下量程自动转换以及计算并显示电压有效值和分贝值部分的程序设计。4.1　量程自动转换

共设计有8个量程:10μV～100μV、100μV～1mV、1mV～10mV、10mV～100mV、100mV～1V、1V～10V、10V～100V以及100V～300V。

程序设计中只用到了TLC1549的输出数据(0～1024)中100～1000的部分。若电压转换值小于100,单片机控制继电器使信号×10倍放大,若电压转换值大于1000,单片机则控制继电器使信号衰减到1/10。由于输入信号未知,为避免电路被烧坏,设定的初始量程应为最高量程。4.2　分贝值计算与显示

分贝值转换公式:dB值=20lgV,其中,V表示待测电压值。由于汇编程序实现对数运算较为困难,本程序采用查表方法实现分贝值的转换。

难点在于,单片机只提供4K的程存空间,无法存入所有电压值对应的dB值,故查表程序应根据情况

图3　软件显示部分设计流程图

灵活设计。

首先确定此时的量程档位值,然后调出经AD转换后的电压数据查表,接着根据档位值和查表结果确定该电压的实际分贝值。如测量150V电压,首先确定选用量程为7档,衰减后的信号为1.5V,故其实际的分贝值应为1.5V电压对应的分贝值再加40(信号从150V调整为1.5V衰减了100倍)。最后送液晶

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电子工程师　　　　　　　　　　　　测控技术与设备　　　　　　　　Vol.29

显示。

具体实现的子程序流程图如图3所示。

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5　测试结果

5.1　测试1:频率固定、电压变化

用EM1643型信号发生器提供频率固定为1kHz有效值在0.1V～1V范围内变动的正弦信号,以KEITHLEY2000型数字万用表作为基准对本文设计的智能数字毫伏表的测量结果进行误差分析,可以得出如图4所示的相对误差随电压的变化趋势。显然,在量程的中间部分相对误差最小,测量最准确。主要原因是在该段电压范围内AD637的转换精度最高。

出如图5所示的相对误差随频率的变化趋势,显然频率过低过高对测量都有影响。在频率很低时相对误差的符号具有很大的不确定性,因此会产生波动。图中仅给出了大致的变化趋势。

图5　相对误差与被测电压关系图

6　结束语

本文设计实现的智能数字交流毫伏表的实际测试结果表明,该表工作稳定可靠、灵敏度得到有效保证,完全达到了设计要求。整个设计过程中所采用的一些硬、软件设计方法和思路(如计算和显示分贝值的查表程序),也值得推广使用。

参　考　文　献

1　万福君,凌文玉.单片微机原理系统设计与开发应用.合

肥:中国科学技术出版社,19952　周慈航.PHILIPS51LPC系列OTP单片机原理及应用设

计.北京:北京航空航天大学出版社,20003　熊光宇.真RMS2DC变换器AD736/AD737.http://www.

56789.com4　周立功.P87LPC762/764OTP单片机原理.200026215,

http://www.zlgmcu.com　■

图4　相对误差与被测电压关系图

这里仅以1V～10V档为例,其余档位相对误差随被测电压的变化趋势类似。图中只给出了大致的变化趋势。5.2　测试2:电压固定、频率变化同样以EM1643型信号发生器提供有效值为5V频率10Hz～2MHz范围内变动的正弦信号,以KEITHLEY2000型数字万用表作为基准对本文设计的智能数字毫伏表的测量结果进行误差分析,可以得

(上接第41页)

行运算、比较等处理,随后将处理的结果放入输出映像区,在一个扫描周期结束时进行输出刷新。从而完成一个扫描周期的处理过程。这样循环往复地进行,从而达到自动控制的目的。其信号流程如图4所示。

TI推出具有4个真双极输入通道的

16位250kSPS数据转换器

日前,德州仪器(TI)宣布推出16位250kSPS逐次逼近(SAR)模数转换器(ADC),该产品采用4个真双极输入通道,输入范围介于+/-2.5V之间。来自TIBurr2Brown生产线的此款数据转换器是诸如数据采集、测试与测量、工业进程控制、医疗器械以及实验室设备等应用的理想选择(敬请参见网址:data2converter.ti.com/sc03134)。

ADS8342包括四通道输入多路复用器、基于电容器并具备内在采样保持功能的SARADC、微处理器使用接口,以及并行三态输出驱动器。

SAR架构与CMOS工艺使ADS8342能够以高达每秒25万次转换的速率采集并转换模拟信号,同时其功耗极低,还不到200mW。此外,该器件还采用16位无丢失码、+/-1MV偏移电压、+/-2LSB典型积分非线性(INL),以及可选的8位或16位并行接口。

6　结束语

本文通过对炼钢布袋除尘系统具体应用环境的分析,提出并采用了设定温度梯度和温度值两种方法,实现对电动蝶阀风门的自动控制,有效提高自动控制系统的响应速度,减少了烧袋的可能性。该系统经安装调试后,其各项性能均达到了设计要求。能适应生产需要,运行良好,对同类产品的设计有借鉴作用,如需详细资料请与本文作者联系。

参　考　文　献

1　王兆义.可编程控制器教程.北京:机械工业出版社,1999:

161～191　■

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