简易数字显示交流毫伏表 AD637.docx
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简易数字显示交流毫伏表AD637
简易数字显示交流毫伏表
摘要：
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
1.系统方案选择与论证
1.1设计要求
设计并制作一个简易数字显示的交流毫伏表，示意图如图-1所示。
图-1简易数字显示交流毫伏表示意图
1.1.1基本要求
（1）电压测量
a、测量电压的频率范围100Hz～500KHz。
b、测量电压范围100mV～100V（可分多档量程）。
c、要求被测电压数字显示。
d、电压测量误差±5%±2个字。
e、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）
f、具有超量程自动闪烁功能。
（2）设计并制作该仪表所需要的直流稳压电源。
1.1.2发挥部分
（1）将测量电压的频率范围扩展为10Hz～1MHz。
（2）将测量电压的范围扩展到10mV～200V。
（3）交流毫伏表具有自动量程转换功能。
（5）其他。
1.2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。
为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证，我们选取了较好的方案实现。
图-3测量系统框图
1.2.1各模块方案选择和论证
（1）有效值测量部分：
方案一：
用分立元件搭焊高频放大电路，用精密整流电路测量输入信号的真有效值。
这种方案成本较低。
但是这种电路结构复杂，调试困难，精度低，温漂大，稳定度低。
而且，放大电路的放大倍数难以准确控制，导致放大和测量的结果不准确。
方案二：
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：
作为扩展功能对输入交流信号的频率进行测量。
要实现快速准确的测量频率，必须要有良好的硬件响应速度和良好的测量策略。
方案一：
用单片机的计数器对基准时钟源进行计数。
然后通过计数的比值计算出被测信号的频率。
这种方案节省硬件，用一片单片机实现计数，运算等工作。
但是，由于单片机内部的计数器所能计数的频率有限，更重要的是开始计数和停止计数难以做到同步，所以，此种方法测得的频率精度低，范围窄。
方案二：
用8253等专用硬件计数器配合逻辑电路设计一套硬件测量电路。
此种电路如果能合理设计，能做到实时性好，测量准确。
但是设计起来较为麻烦。
需要的硬件多，电路制作复杂。
方案三：
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。
1.2.2系统各模块的最终方案
（1）有效值测量部分：
我们选用方案二：
用各种优质运算放大器做信号调理，用有效值转换专用芯片AD637作为有效值测量器件。
（2）频率测量部分：
我们选用方案三：
用CPLD作为硬件平台进行同步计数，然后用单片机进行数据读取、处理。
精度可达<10-6，测量速度可达0.2s/次。
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。
图-4为此部分电路图，可分为分压网络，输入缓冲级，高频放大级以及测量级。
图-4有效值测量原理图
2.2.4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。
我们设计了两种方案，一种方案是通过继电继来改变串入放大的电路的放大级，通过不同放大倍数的组合来实现更多放大比，这种方法增加了继电器的使用，使得切换时有大量的噪声，且不能实现任意放大比；另一种方案就是采用程控放大器，通过电压来控制放大倍数，从而得到最合适的输出幅值，我们采用了此种方案。
我们选择了AD603可变增益放大器。
AD603在增益为－11dB至31dB范围内具有90MHz的带宽，通过两级AD603级联可实现－20dB至60dB极宽范围的增益，从而使得放大纺输出的有效值在2V附近，达到最高的精度。
超低温漂基准源AD586的输出经过分压产生500mV的电压加在增益控制脚GNEG上，而单片机DA输出0－1V的电压加在GPOS上，从而使控制电压Vg＝（Vgpos-Vgneg）在－500mV至500mV内，增益公式为 Gain＝80Vg+20dB。
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
2.2.5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。
AD637是ADI的一款单片集成高精度真有效值转换芯片，0.2V有效值输入时，频响为600K，而当输入信号有效值高于1V是，频响可高达8M。
图-9AD637内部原理图
图-10AD637外围接线图
AD637可提供幅度值和分贝值两种输出接口，以满足不同的需要。
在这里我们接成幅度输出，然后经过A／D变换，由单片机进行处理。
2.2.6A/D变换
12位AD
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
2.5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
本系统对软件的要求不高，用前后台式的程序即可能轻松完成系统的基本任务。
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。
我们多量程是通过分压网络和程控放大器的相互组合来实现的。
分压网络分为两档：
1/2分压，1/201分压。
程控放大器（级联AD603）的线性增益调节范围为-20dB到60dB。
经测定，在-3dB到46dB的范围内线性度最好，噪声最小，所以我们选用此区域。
这样1/2分压网络与程控放大器组合，可以得到-6dB到43dB的增益调节范围。
1/201分压网络与程控放大器组合，可以得到-46dB到3dB的增益调节范围。
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”。
前者能把电压范围为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。
这样做的目的是：
一、A/D转换器输入的结果电压接近满偏，精度高。
二、真有效值转换芯片AD637的随频率变化的最佳线性区就在2V附近。
这样在很大程度上提高了系统的测量精度。
测量系统的测量过程分为半自动换档和全自动换档。
半自动换档即为只给定“伏特档”或“毫伏档”，而在此两范围内通过“D/A扫描”实现自动搜索并锁定量程。
半自动量程换档的好处在于用户可以事先估测待测电压的大体范围，然后选择两档之一，这样可以减轻“D/A扫描”的负担，提高测量速度和测量准确度。
全自动量程选择是让系统在全量程内搜索电压值。
这样会减慢测量速度，但可以不必估计待测电压的大体范围，使用较方便。
由于分压网络与跟随缓冲器之间的低泄露保护二极管的钳位作用，即使在低压档加上最高点压，也不会烧坏系统。
所以，系统尽可以在全量程内搜索电压值，这为全自动量程换档提供了可能性。
换档过程采用误差积分式的算法。
根据当前档测得的结果电压与2V进行比较，通过比较误差调整D/A增益给定。
这样换档超调小，速度快。
3.2.2频率测试的VHDL程序
等精度频率计的实现方法可以简单的用图-19表示：
图-19等精度频率计主控结构
图-19中预置门控信号CL可由单片机发出，CL的时间宽度对测频精度影响较小，只是影响测频的最小值，所以可以在0.1秒至1秒间任意选取，令其为Tp。
B和T是两个可控的32位高速计数器,BEN和TEN分别是各自的计数使能信号，高电平有效。
20M标准信号源从B的时钟输入端BCLK输入，被测信号经整形后从与B相似的32位高速计数器T的时钟输入端TCLK输入。
测频开始前，首先发一个清0信号CL,高电平有效，是两个计数器、D触发器和4位选通信号均置0，然后由单片机发出测频允许命令，即令预置门控信号CL为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的上升沿到来之后Q端才被置1（即令START为高电平），与此同时，将同时启动两个计数器B和T，进入计数允许周期。
在此期间，B和T两个计数器分别对被测信号和标准信号同时计数。
当Tp秒之后，预置门控信号被单片机置为低电平，但此时两个计数器并没有停止计数，一直等到随后而来的被测信号的上升沿到来时，才通过D触发器将这两个计数器同时关闭。
由图-20所示，CL的宽度和发出时间都不会影响计数使能信号EN（START）的宽度，EN的允许计数周期在任何情况下都恰好等于待测信号TCLK的完整周期数，这正是确保TCLK在任何输入条件下都能保持恒定精度的关键所在。
CL宽度的改变以及随机出现的时间误差最多只有基准源信号BCLK的一个时钟周期，若BCLK由精确稳定的石英晶体振荡器（20MHz）发出，则在任何情况下测量误差只有两千万分之一秒。
图-20频率计测控时序
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
最后当START由高变低之后由单片机发出15个SEL脉冲，4位计数器的不同输出值控制16选1多路选择器将测得的BCLK和TCLK的个数4位为一输出单元经寄存器被单片机读入，由于用CPLD进行32位的计算占用大量资源，影响速度。
所以由善于计算的凌阳16位单片机完成，在单片机内计算出被测频率的值并显示结果。
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
以下为本系统在实验室里测得的结果。
4.2.1真有效值测试
真有效值测量的测试包括交流毫伏表在同一电压下对不同频率的响应情况，和在同一频率下对不同量程电压值得响应情况。
由于篇幅所限，这里只列出了在1.000V下的频率响应和在1kHz下的幅值响应，以供参考。
更详测试请参照实物。
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%
4.4系统实现的功能
题目要求
实现功能
基本要求
被测电压数字显示
用4*8汉字液晶显示
电压测量误差±5%±2个字
电压测量误差<1%±2个字
输入阻抗≥1MΩ，输入电容≤50pF
输入阻抗≥2MΩ，输入电容≤2.5pF
具有超量程自动闪烁功能
超量程液晶显示提示，并闪烁LED提示灯
设计并制作该仪表所需要的直流稳压电源
配有±5V，±10V直流稳压电源
发挥部分
测量电压的频率范围扩展为10Hz～1MHz
测量电压的频率范围为10Hz～2MHz
测量电压的范围扩展到10mV～200V
测量电压的范围为1mV～250V
具有自动量程转换功能
具有全自动和半自动量程转换功能
扩展部分
附加了10Hz～5MHz范围内，精度高达<10-6的频率测试功能。
附加了语音播报测量结果的功能
附加了打印测量结果的功能
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。
另外，还可语音播报数据，连接并行打印机打印数据。
本系统的大部分性能指标都远超过了题目发挥部分的要求。
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。
经过此次电子大赛让我们对模拟电路的设计、调试有了深刻的印象，同时也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。
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