以AD637为基础的交流毫伏表设计Word格式.docx

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目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

本设计的智能数字交流毫伏表则采用双积分式A/D转换方案，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精度和灵敏度。

所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际上,都具有传统数字电压表无法比拟的特点,这使得它的开发和应用具有良好的市场前景。

1总体方案设计

交流毫伏表系统包括:

数据采集部分、数据处理部分、结果显示部分等三个主要组成部分。

其中真有效值交流/直流转换器是核心元件。

本设计采用高精度AD637芯片，量程为0~10V，精确度为0.05%RDG+0.25mV.

系统设计的总体思路:

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RMS-DC变换器的工作电压范围内，然后让变换结果通过模/数转换后直接送入单片机，经软件算法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模拟开关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。

系统原理框图如图1-1所示：

图1-1系统原理框图

从系统原理框图1-1中可以看出，交流毫伏表系统主要有五个功能模块：

程控放大器模块、单片机最小系统模块、真有效值转换模块、A/D转换模块及液晶显示模块组成。

其中程控放大器模块、真有效值模块及A/D转换模块可以归纳为数据采集部分；

单片机模块和液晶显示模块可以分别认为是数据处理部分、结果显示部分。

除此之外，电源模块也是系统不了或缺的组成部分，是完成上述功能部分的基础模块。

工作流程简述：

交流电压信号经过程控放大器对交流信号进行增益调整后进入信号真有效值转换，转换后的信号经过模拟信号到数字信号的转换过程[2]；

经转换后的信号经单片机处理程序先判断信号是否衰减适度，要是衰减适度就送液晶显示出来，如果衰减度太大或太小的话则进行衰减调整，经衰减合适后的信号经液晶显示出来最终结果。

2技术方案论证与比较

在技术方案中，系统功能模块主要涉及到系统的组成和元件的选择。

系统模块主要包括：

程控放大器模块、真有效值直流（RMS-DC）变换模块、模/数转换模块、单片机最小系统模块、液晶显示模块等五个主要组成部分。

通过对以上五大模块的功能分析和比较，提出一下技术设计方案以供选择。

2.1真有效值直流变换模块设计方案

真有效值直流变换模块是本设计的重点，它的设计与器件的选择关系到交流数字毫伏表的精确度和灵敏度，通过对交流毫伏表设计文献、资料的学习和借鉴，提出以下设计方案以供选择。

方案一：

热点变换法。

此方法包括热电偶效应平衡转换和热敏三极管变换。

热电偶配对很困难，并且有相应缓慢、过载能力差等缺点。

方案二：

采样计算法。

此方法是对周期信号进行快速采样，获得很多个离散值

，

，…，存储在内存中再利用计算机的运算功能，按有效值数学定义：

=

[8]进行运算。

此方案虽然转换精度高，但是技术要求高，造价也高，不适合用于多位数字表的设计。

方案三：

模拟直接运算变换法。

根据有效数学定义用集成组件乘法器、开方器等依次对被测信号进行平方、平均和开方等计算，直接得出输入信号的有效值。

在这种电路设计中，当输入信号幅度变小时，平方器输出电压的平均值下降很快，输出幅度很小，往往与失调和漂移电压混淆，因此该电路动态范围很窄，精度不高。

方案四：

单片集成有效值转换组件法。

对数放大器转换是利用晶体管PN结平方律传递关系而成的。

单片集成电路AC/DC真有效值转换芯片，内部集成了实现算法求取有效值的各种电路，能将任意波形的交流电压信号直接转换成与其有效值成比例的直流电压，而不必考虑波形参数和失真度的大小。

并且AD637[21]对输入200mv带宽可达1MHz，2v输入时带宽可达8MHz，输入200mv以下时可以前置放大电路，且使用缓冲模式输入阻抗可达100M欧，因此AD637完全可以胜任题目要求。

比较以上四种方案，采用方案四进行AC/DC真有效值转换，电路简单，而且在理论上能保证较高的精确度，性价比较高，具有实际的参考价值。

2.2程控放大器模块设计方案

本设计的电压表显示范围为0V～10V，因后级有效值转换模块的输入电压范围为0.2～7V，因而需要进行量程的转换。

根据被测信号的大小可把电压表的量程分为10V、1V和0.1V三个量程段，相应的分压倍数为0.2倍、2倍和20倍。

首先通过模拟开关选通不同的电阻通道分别实现0.2倍、2倍和20倍的信号衰减，然后采用集成运算放大器把被测信号放大20倍，从而实现增益的调节。

因为经过放大器的信号最高频率为1MHz、最大增益为10倍，所以要求反向放大器中的运放增益带宽积10MHz以上，高速运放OP07增益带宽积达到200MHz，完全满足设计要求。

故本设计程控放大器模块采用OP07作为该模块的主要器件。

2.3模/数转换模块设计方案

模/数转换模块是数字交流毫伏表设计的一个重要环节，它的设计直接关系到后续电路的被测量电压信号的处理和显示的精度。

通过程控模块输出来的电压信号通过模/数转换模块把模拟被测信号转换为数字被测信号，以便后级单片机处理模块正常工作，因单片机只能接受数字信号。

并且模/数转换模块的位数直接决定被测电压的精度。

以通过学习和借鉴以往交流毫伏表的设计文献，提出以下设计方案。

8位A/D转换器AD0809[3]

将交流电压的真有效值通过AD0809转换为数字量，然后通过由单片机AT89S51控制，将数字量用LED数码管显示出来。

由于AD0809是八位的A/D转换器，在精度方面无法达到题目的要求，所以放弃这一方案。

31/2位A/D转换器MC14433

MC14433集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。

但是MC14433的满量程为200ｍV,无法满足本题的设计要求。

方案三:

41/2位双积分A/D转换器ICL7135

ICL7135满度测量量程为±

2.0000V，在此范围内，准确度为±

1个字。

它具有自动调零功能，保证在0V输入时读数为零，并且输入阻抗高于

Ω，输入漏电流仅仅1pA（典型值）,允许差分输入方式。

能够自动判断输入信号的极性，具有读数保持功能。

在超量程和欠量程情况下，能以闪烁的方式表示超量程状态，容易实现量程的自动转换功能，并且具有更高的测量精度。

综合比较，选用ICL7135更容易实现题目的基本要求和发挥部分的要求。

故本系统选用方案三。

2.4LCD显示模块设计方案

液晶显示器（LCD）[5]是一种功耗很低的显示器，它具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，伴随电子技术的飞速发展，液晶显示器的价格越来越便宜，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

它的使用非常的广泛，不但在家用电器中经常应用，而且在现代电子设计中的应用也越来越多。

本设计使用的是1602液晶显示器。

1602可以显示2行16个字符，可以显示阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文等，完全满足本设计显示要求。

3系统硬件电路设计与实现

系统硬件电路设计主要包括：

程控放大器模块、真有效值直流（RMS-DC）变换模块、模/数转换模块、单片机控制模块、液晶显示模块等五个主要组成部分。

下面就这五部分的硬件电路设计作如下分析和概括。

3.1程控放大器电路设计

程控放大器模块由三部分构成：

射极跟随器、模拟开关和集成运算放大器。

各部分的具体功能如下：

第一：

射极跟随器射极跟随器就是信号从发射极输出的放大器。

其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，动态电压放大倍数小于1并接近1，负载能力强，且输出电压与输入电压同相但是输出电阻低，具有电流放大作用和功率放大作用。

常作阻抗变换和级间隔离用。

本设计当中的射极跟随器用的是OP07集成运算放大器，连接方式是基极与发射极共地，基极输入信号，发射极输出。

第二：

模拟开关模拟开关CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。

“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。

此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。

例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。

第三：

集成运算放大器根据设计要求，被测电压信号由于后级电路的输入要求要做适当的放大或缩小。

前级电路的输入电压经过射极跟随器和模拟开关之间的分档电阻后被适当的衰减或放大，为考虑到系统设计的精度要求，后级放大电路要对被测信号做适当的放大，以便真有效值转换电路能正常工作和满足系统精确度的要求。

本设计用的是OP07集成运算放大器，它经过外围电路构成放大倍数为20的信号放大器。

程控放大器模块设计过程中所用器件简介:

OP07

OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,如果使用双电源，能达到最佳的放大效果。

OP07特点介绍：

（1）低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）

（2）极低的输入失调电压—10μV

（3）极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃

（4）具有长期的稳定性—0.2μV/MO

（5）低的输入偏置电流—±

1nA

（6）高的共模抑制比—126dB

（7）宽的共模输入电压范围—±

14V图3-1OP07DIP封装

（8）宽的电源电压范围—±

3V～±

22V

可替代725、108A、741、AD510等电路。

OP07DIP封装如图3-1所示。

CD4051

模拟开关CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。

此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可图3-2CD4051芯片

传输峰－峰值达15V的交流信号。

程控模块原理图如下图3-3所示。

图3-3程控放大器模块

模块工作原理简述：

被测交流电压信号经过射极跟随器把前后级电路隔离开来，隔离后的信号经过模拟开关（起初模拟开关最大档位有效，即BA:

10）把信号经集成运算放大器放大到下级电路要求的范围内，使后级电路能正常工作。

3.2真有效值转换电路设计

普通数字电压表只能测量直流电压。

如果要测量交流电压，必须增加交流/直流（AC/DC）转换电路。

由于本系统采用测交流有效值的方案，所以需要对交流信号进行真有效值转换。

真有效值方法检测电压、电流的核心是TRMS/DC转换器，这类转换电路现已实现单片集成化。

就精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间因素综合考虑，本设计选用了AD公司的RMS-DC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在输入电压在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。

AD637是一块高精度单片TRMS/DCC转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值。

AD637集成芯片采用了峰值系数补偿，在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1％，频带宽度在2V输入时可达8MHz。

AD637的制造工艺先进，采用激光修正，一般情况下不需要加外部调整元件。

惟一的外围元件是平均电容,用来设定平均时间常数，并决定低频准确度、输出波纹的大小及稳定时间。

AD637的内部有独立的缓冲放大器，既可作输入缓冲器用，亦可构成有源滤波器来减小纹波，提高测量准确度。

此外，芯片内部输入端有过压保护电路，即使输入电压超过电源电压，一般也不会损坏芯片。

AD637的内部结构框图如图3-4所示[19]，主要由缓冲器、有源整流器、偏置电路、平方/除法器和滤波电路组成。

如图3-4所示，输入电压通过有源整流器转换成单极性电流I1，加至平方/除法器的一个输入端。

平方/除法器的输出电流为，有关系式为：

（3-1）

利用

驱动

并与

构成一个低通滤波器，

经外部提供一个电流

，再通过

返回平方/除法器，完成下述隐含式有效值计算：

（3-2）

（3-3）

图3-4AD637内部结构框图

理论验证：

根据美国模拟公司提供的资料，我们可以得到在理想情况下AD637的频率响应。

当

时，频率上限为300kHz；

时，频率上限为600kHz；

时，频率上限高达8MHz。

完全能够符合本题设计需求。

图3-5AD637频率响应图

AD637的运算方程为：

（3-4）

其中，T为

的周期。

输入电压

通过AD637中的绝对值电路变成单极性电流，加至平方/除法器的一个输入端，再经低通滤波/放大器，最终在AD637的9号脚输出直流电压

。

图3-6AD637外围电路

综上所述，由AD637构成的转换电路具有准确度高，稳定性好，测量速速快等特点，可以测量各种波形的有效值，且频带宽，是一种较理想的设计。

3.3A/D转换电路设计

A/D转换电路模块的核心是4个半位双积分A/D转换器ICL7135，ICL7135是满量程为2.0000V，精确度为±

1个字的高精度A/D转换芯片，具有自动调零功能，可以保证在输入为零时读数为零。

ICL7135芯片内部包括模拟电路与数字电路两大部分。

模拟电路主要包括缓冲器、积分器、比较器、过零检测器、极性触发器以及4组模拟开关。

每个A/D转换周期分成四个阶段：

图3-7A/D转换周期

其中零积分阶段是比ICL7135新增加的部分。

设置零积分阶段的目的是在超量程情况过去之后，能使积分器迅速回零。

ICL7135的引脚功能及主要特性：

芯片性能

ICL7135是双斜积分式4位半单片A／D转换器，28脚DIP封装。

其引脚功能如下：

（1）脚（V－）－5V电源端；

（2）脚（VREF）基准电压输入端；

（3）脚（AGND）模拟地；

（4）脚（INT）积分器输入端，接积分电容；

（5）脚（AZ）积分器和比较器反相输入端，接自零电容；

（6）脚（BUF）缓冲器输出端，接积分电阻；

（7）脚（CREF＋）基准电容正端；

（8）脚（CREF－）基准电容负端；

（9）脚（IN－）被测信号负输入端；

（10）脚（IN＋）被测信号正输入端；

（11）脚（V＋）＋5V电源端；

（12）、（17）～（20）脚（D1～D5）位扫描输出端；

（13）～（16）脚（B1～B4）BCD码输出端；

（21）脚（BUSY）忙状态输出端；

（22）脚（CLK）时钟信号输入端；

（23）脚（POL）负极性信号输出端；

（24）脚（DGND）数字地端；

（25）脚（R／H）运行／读数控制端；

（26）脚（STR）数据选通输出端；

（27）脚（OR）超量程状态输出端；

（28）脚（UR）欠量程状态输出端。

图3-8ICL7135芯片

ICL7135的主要性能特点

（1）输入阻抗达

Ω以上，对被测电路几乎没有影响；

（2）自动校零；

（3）有精确的差分输入电路；

（4）自动判别信号极性；

（5）有超、欠压输出信号；

（6）采用位扫描与BCD码输出；

ICL7135A/D[7]转换原理

ICL7135采用高阻抗差分输入方式，总失调电压小于10Μv,其A/D转换器采用双积分式，共分4个阶段：

自动调零，输入信号积分，标准信号反积分，积分器归零。

模/数转换过程如图3-9所示。

图3-9ICL7135芯片

由图3-9可以看出，ICL7135在对输入信号进行积分时,其BUSY信号线由低向高跳变并一直保持高电平，直到标准信号反积分结束时才跳变到低电平。

在此过程中，对输入信号的积分一般保持10001个时钟脉冲，而在满量程的情况下,反相标准积分值为20001（当Vin=2Vref时），对于不同的模拟量输入，ICL7135反向标准积分脉冲数不同，BUSY信号的高电平宽度也不同，且反向积分脉冲数正比于输入信号幅度，与测量结果有一一对应关系。

在转换过程中，ICL7135提供一输入信号极性判断引脚POL，当输入（VIN+-VIN-）为正值时，POL信号为高电平，（VIN+-VIN-）为负值时，POL信号为低电平。

第四：

ICL7135与MCS-51单片机的串行连接

由ICL7135的转换原理可知，可以通过脉冲计数的方式获得测量的结果，且只需要3条控制线CLK、BUSY、POL。

Microchip推出的PIC系列单片机具有驱动能力大，抗干扰能力强，价格适中等优点。

其推出的MCS-51系列，有2~16KFLASH内存，1个16位定时器，2个CCP比较/捕捉模块，多于22个I/O，唯一的遗憾是没有符合7135的采样时钟。

考虑到仪表需要通信及隔离模拟变送输出，采用16M赫兹晶振，利用16位定时器T1作为ICL7135的同步计数脉冲，BUSY接于CCP1引脚，工作于捕捉方式，用于测量脉冲宽度；

而ICL7135的CLK时钟，则利用CPU的晶振接于高速反相器，再经分频取出。

考虑到采样速度及对50Hz电源的抗干扰影响，以及温度变量的惯性大的特点，取CLK=250kHz，采样速度约为4次/min。

系统硬件连接如图3-10所示：

图3-10A/D转换电路

第五：

提高A/D测量显示电压稳定性措施

ICL7135采用双积分原理，基准电压源的稳定性对其影响较大，本设计采用NE555做电压基准，电压温度系数可达0.0000003