简易数字显示交流毫伏表的设计概要.docx
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简易数字显示交流毫伏表的设计概要
学号：
2011-2012学年第1学期
《单片机课程设计》
课程设计报告
题目：
简易数字显示交流毫伏表的设计
专业：
通信工程
班级：
姓名：
指导教师：
成绩：
电气工程系
2011年12月20日
课程设计任务书
1．设计目的
设计并制作一个简易数字显示的交流毫伏表
二、设计任务
由高级模拟器件、CPLD，可实现具有自动量程转换功能的真有效值测量、交流频率测量和标准幅度可控的正弦波输出等功能。
采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）编写代码实现频率计数功能。
设计制作一台可数字显示的交流毫伏表。
三、具体要求
1、电压测量
2、测量电压的频率范围100Hz～500KHz。
3、测量电压范围100mV～100V（可分多档量程）。
4、要求被测电压数字显示。
5、电压测量误差±5%±2个字。
6、输入阻抗≥1MΩ，输入电容≤50pF（本项可不做测试，在电路设计中给予保证）
7、具有超量程自动闪烁功能。
8、输出功能：
a.输出正弦波电压，电压值1Vrms，波形无明显失真。
b.输出电压值误差≤±10%。
c.输出电压频率范围10Hz～200KHz。
d.输出电压频率可预置。
e.输出电压频率误差≤±5%。
9、设计并制作该仪表所需要的直流稳压电源。
摘要
本系统分电压测量和信号产生输出两大部分，电压测量部分以模拟电路为主，配合放大模块、A/D转化模块、显示模块；通过凌阳单片机进行数据处理，在误差允许范围内显示测量电压值。
本系统由高级模拟器件、CPLD，可实现具有自动量程转换功能的真有效值测量、交流频率测量和标准幅度可控的正弦波输出等功能。
测量部分具有高输入阻抗（R≥2M,C<2.5pF），宽频带范围（10HZ-5MHZ）,宽电压范围（1mV-250V）,高精度（有效值≤１％，频率<10-6）的优越性能。
可满足多方位的需要。
关键词：
静电计频率计高频放大真有效值
目录
正文..........................................................1
1.系统基本方案及框图.........................................1
1.1各模块方案.................................................1
2.系统的硬件设计与实现........................................1
2.1系统硬件的基本组成概述.....................................2
2.2有效值测量单元电路的设计...................................2
2.2.1有效值转换电路总揽.......................................2
2.2.2高频放大级...............................................2
2.2.3真有效值转换.............................................2
2.3等精度频率计电路设计.......................................3
2.4电源电路设计..............................................4
3.系统的软件设计..............................................4
3.1程序流程图.................................................4
3.1.1电压频率测量系统程序流程图...............................4
3.2程序核心简介...............................................5
3.2.1自动量程转换程序.........................................5
4.系统测试....................................................6
4.1测试仪器...................................................6
4.2指标测试...................................................6
4.2.1真有效值测试..............................................6
4.2.2频率测试..................................................7
4.3系统实现的功能..............................................8
5总结..........................................................8
参考文献.......................................................8
附录............................................................9
评语表.........................................................11
正文
1.系统基本方案及框图
根据题目要求及适当的发挥，我们的硬件电路主要包括输入信号的有效值测量、输入信号的频率测量。
其中前两者构成一个测量系统。
测量系统包括：
信号调理模块、A/D，D/A模块、信号真有效值转换模块、CPLD频率测试模块、算法控制器模块、键盘显示模块、语音播报及打印模块、电源模块等。
图-3所示。
图-3测量系统框图
1.1各模块方案
（1）有效值测量部分用优质运算放大器做前级跟随放大，用专用真有效值转换芯片做有效值转换。
这种方案成本较高。
但是，通过合理的选择各级运放，可以做到电路简单可靠，输入阻抗高、测量精度高、近似无级量程转换的优良性能。
（2）频率测量部分采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）编写代码实现频率计数功能。
可编程逻辑器件响应速度快可以达到十几纳秒甚至几纳秒，响应频率可以达到几十兆甚至上百兆，可以实现高速计数。
可编程逻辑器件可以用代码实现硬件的功能，易于修改，而且性能优于传统的电路连接方式，对于一定规模的数字电路尤其显示了其优越性。
2.系统的硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成概述
本系统由电源、保护电路、分压跟随、信号放大、信号真有效值转换、A/D、D/A、CPLD频率测试、算法控制器、键盘、显示、语音播报、打印、电源等十几个模块组成。
各部分紧密联系，形成了一套完善的测量系统。
2.2有效值测量单元电路的设计
2.2.1有效值转换电路总揽
此部分为交流毫伏表的主要构成部分，负责输入信号的处理以及测量。
为此可分为分压网络，输入缓冲级，高频放大级以及测量级。
2.2.2高频放大级
经过分压后的信号一般是比较微弱的，还不能直接去进行真有效值转换，需要放大至合适的幅值。
这种放大器应该是可变的，以保证使输入电压都放大到一个合适的幅度。
采用程控放大器，通过电压来控制放大倍数，从而得到最合适的输出幅值，由于AD603的输入电阻仅为100欧姆，对于级间耦合电容，则需要很大才能达到理想的低频响应，我们用0.1uF，1uF和470uF的电容并联，达到全频带都有理想的响应。
由于AD603的输出幅值仅为＋-2V，所以我们级联了一级由AD811构成的同相放大器，其增益为2.从而提高了放大器输出的幅度，进而提高了精度。
如图-8所示：
图-8高频放大原理图
2.2.3真有效值转换
一个交变信号的有效值的定义为：
这时，VRMS为信号的有效值，T为测量时间，V（t）是信号的波形。
V（t）是一个时间的函数，但不一定是周期性的。
对等式的两边进行平方得：
右边的积分项可以用一个平均来近似：
这样式
（2）可以简化为：
VRMS2=Avg[V2（t）] （4）
等式两边除以VRMS得：
VRMS={Avg[]V2（t）}}VRMS （5）
这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础、AD公司的真有效值直流变换器也正是采用了这一原理。
2.3等精度频率计电路设计
由于输入的信号是交流信号而CPLD（现场可编程逻辑器件）和施密特触发器是数字芯片，不识别负信号，要把输入交流信号变为直流信号。
用两个电阻实现电压钳位功能，钳位后的信号经7414（施密特触发器）整形为方波后直接输入CPLD对其计数。
原理图如图-11所示。
由于CPLD可以实现高速响应，可以实现准确计数。
图-11频率计原理图
2.4电源电路设计
本系统采用±5V，±12V直流供电。
用多抽头变压器产生多路交流低压，桥堆整流，电容滤波，再经LM2576T、LM7905、LM7812、LM7912稳压给系统供电。
电路总功耗<20W。
3.系统的软件设计
3.1程序流程图
3.1.1电压频率测量系统程序流程图
图-17控制程序流程图
3.2程序核心简介
3.2.1自动量程转换程序
有效值测量部分的待测电压范围宽，为保证精度，必须设定多个不同的量程。
我们分别选择此两个增益调节范围为“交流毫伏档”和“交流伏特档”。
前者把电压范围为10mV到2.82V的搬移到2V，后者能把1V到282V的电压搬移到2V。
我们通过D/A转换器微调程控放大器的增益，使输入电压搬移到2V附近，然后经A/D转换器得到较为准确的结果电压（接近2V）。
通过D/A给出的增益值和A/D得到的结果电压可以运算出待测电压的有效值。
设在一次预置门时间Tp中对被测信号（频率为Fx）计数为Nx,标准频率信号（频率为Fs）计数为Ns个，则有下式成立：
Fx/Nx=Fs/Ns
可得到测得的频率为：
Fx=（Nx/Ns）*Fs
图-20频率计测控时序
4.系统测试
4.1测试仪器
数字式双踪示波器TDS2012，信号发生器TFG2040，交流毫伏表等HG2070
4.2指标测试
4.2.1真有效值测试
这里列出了在1.000V下的频率响应和在1kHz下的幅值响应，以供参考。
详频率响应测试：
序号
频率
输入电压
测试结果
误差
1
10Hz
1.000V
0.996
0.4%
2
100Hz
1.000V
0.998V
0.2%
3
1kHz
1.000V
1.001V
0.1%
4
10kHz
1.000V
1.001V
0.1%
5
100kHz
1.000V
1.007V
0.2%
6
1MHz
1.000V
0.997V
-0.3%
7
2MHz
1.000V
0.996V
-0.4%
幅值响应测试：
序号
频率
输入电压
测量结果
误差
1
1kHz
10mV
10.10mV
1%
2
1kHz
100mV
99.01mV
0.99%
3
1kHz
1V
1.005V
0.5%
4
1kHz
10V
10.03V
0.3%
5
1kHz
50V
50.13V
0.26%
6
1kHz
100V
99.8V
0.2%
7
1kHz
200V
201.0V
0.5%
8
1kHz
250V
251.5V
0.6%
4.2.2频率测试
序号
电压
输入频率
测试结果
误差
1
1.000V
10Hz
10.0001Hz
0.0001%
2
1.000V
100Hz
99.9999Hz
0.0001%
3
1.000V
1kHz
1.00000KHz
0%
4
1.000V
10kHz
10.0000KHz
0%
5
1.000V
100kHz
100.000KHz
0%
6
1.000V
1MHz
1.00000MHz
0%
7
1.000V
5MHz
5.00000MHz
0%
5.总结
本系统由优质的模拟器件为核心，辅以SPEC061A单片机作为控制部件，CPLD可编程逻辑器件作为频率测试的硬件平台，实现了集有效值测量、频率测量、信号发生于一体的多方位系统。
在本次设计的过程中，我们遇到了许多突发事件和各种困难。
由于模拟器件对外部电磁干扰反应太过明显，设计和调试曾一度陷入中断，但通过团队的仔细分析和自我调整状态后我们终于解决了所有问题，取得了圆满的结果。
深刻的体会到了共同协作和团队精神的重要性，提高了我们解决问题的能力。
6.参考文献
1.单片机原理及其接口技术。
北京航空航天大学出版社
2.彭波.多媒体技术及应用[M]（第三版）.北京：
机械工业出版社
3.胡大可，MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京航空航天大学出版社
4.余华芳，刘健.单片机与液晶显示模块的软硬件接口技术
7.附录
部分程序清单
#include"SPLC501USer.h"
#include"SPCE061V004.h"
#include"Zichina.h"
#defineCONTROL_WORD0x02
externunsignedintuiKey;
unsignedintled;
voiddelay（unsignedintN）
{
inti;
for（i=0;i}
unsignedintread2543（unsignedcharCON_WORD）
{
unsignedintad=0,i;
CON_WORD<<=4;//0000000010010000
*P_IOA_Data&=0xffef;//I/OCLOCK=0
{
if（*P_IOA_Data&0x0080）ad|=0x01;
if（（CON_WORD&0x80）!
=0）
*P_IOA_Data|=0x08;
else
*P_IOA_Data&=0xf7;
*P_IOA_Data|=0x0010;//I/OCLOCK=1
ad<<=1;
}
LCD501_PutChar（24,23,Data[s]）;
LCD501_PutChar（32,23,Data[sf]）;
if（s==0&&sf!
=0）
LCD501_PutChar（40,23,Data[bf]）;
if（led==1）
{
LCD501_Bitmap（80,45,（unsignedint*）encoding_04）;
LCD501_Bitmap（96,45,（unsignedint*）encoding_05）;
LCD501_Bitmap（112,45,（unsignedint*）encoding_06）;
}
*P_Watchdog_Clear=C_WDTCLR;
}
include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
unsignedcharcodema3[]={0xea,0xe4,0xb3,0xf6,0xb7,0xb6,0xce,0xa7};
main（）
{
init（）;//DDS初始化
update_clk（）;//写入DDS更新时钟40kHz
contr_word（）;//写入DDS控制字正弦信号模式
lcdinit（）;//液晶初始化
menu_show（）;//显示开机菜
while
（1）
{
data_temp=Key_Get（）;
switch（data_temp）
{
case1:
input_10kHz（）;//产生10kHz信号
break;
case2:
input_renyi（）;//产生任意信号
break;
case3:
input_bujin（）;//步进输出
break;
default:
break;
}
}
}
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