简易数字显示交流毫伏表结题报告

简易数字显示交流毫伏表

摘要：

本系统由STM32核心板，ADS1115为A/D转换和AD637为真有效值转换构成，前级使用阻容分压衰减的方式，可实现具有自动量程转换功能的真有效值测量、可实现超测量范围自动报警，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≥1M,C<100pF），宽频带范围（10 HZ-1M HZ ）,宽电压范围（30mV-20V）, 有效值精度≤5%，达到设定的目标性能。 1.方案设计 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。

数字显示被测输入电压交流毫伏表稳压电源5v

图1 简易数字显示交流毫伏表示意图 1.1.1基本要求

(1)测量电压的频率范围50Hz～500KHz,显示频率。 (2)测量电压范围100mV～20V（可分多档量程）。

(3)电压测量误差±5%。 (4)要求被测电压数字显示。 (5)具有超量程自动闪烁功能。 1.1.2发挥部分

(1)将测量电压的频率范围扩展为10Hz～1MHz。 (2)交流毫伏表具有自动量程转换功能。 (3)其他功能（创新性）。 1.2系统基本方案及流程图

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、以及标准正弦波产生电路三部分。其中前两者构成一个测量系统，后者是个信号源系统，也可作为校准测量系统使用。测量系统包括：前级衰减模块，信号调理模块、A/D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、电源模块等。

前级衰减模块：由于测量的是交流信号，单纯使用电阻分压由于分布电容的影响达不到理想的效果，所以采用阻容分压的方式进行信号衰减。

信号调理：继电器选挡，加上运放信号的跟随，送到后级电路处理。 频率测量：使用OOPA358进行信号的放大比较，将正弦信号整形为方波信号，信号输出比较满意，能够达到测量精度的要求。

真有效值转换模块：采用AD637的真有效值转换，将输入的交流信号转换为直流输出，测量范围是100mv到2V通过前级的变挡处理能达到设计要求。

核心板：采用STM32F103系列的单片机，处理速度很快，比较适合本设计采用。

辅助模块：按键输入控制档位自动切换还是手动，蜂鸣器和LED灯实现电压测量的超范围报警。

开始

初始化 检测信号输入 是 手动或自动换挡 否 AC采样 是否超量程 否 否 是否最佳档位 是 频率检测 是 报警并切断输入信号 结束，等待重启 显示 图2.程序流程图

2.前级档位选择

采用电阻分压的方式对输入信号进行不同比例的衰减，分为1/1,1/4,1/10，三个档位。档位选择的硬件实现采用单片机控制继电器的选挡方式，其次是并联三个选挡开关进行手动选挡。

图3.前级选挡图

3.软件设计

该系统的核心采用STM32单片机作为核心控制器，主要用来驱动AD转换芯片，和液晶显示器，外中断进行频率测量，以及按键接口对系统进行交互设置。同时通过IO控制寄存器控制继电器，进行自动选挡，输出超量程报警。

图4. AD采样和超量程报警

图5.核心处理器

4.显示设计

显示器采用12864液晶显示，可显示当前测得的交流电压有效值，显示当前交流电的频率，统计当前交流毫伏表的信息,显示报警状态，设置系统状态时的人机交互接口。

图6.液晶显示

5. 系统测试 5.1有效值测量

由于交流电压的测量不同于直流电压的测量，我们采用将交流电压通过运放构成的线性检波器，将交流电压转换成脉动的直流电压，避开交流电压的副半周。取出输出信号送入到有源滤波电路，通过运放的频率选通特性滤除信号的交流成分，剩下直流信号，将脉动的直流信号变为比较平滑的直流电信号，然后通过放大或衰减信号送到

AD采样中进行转换。采样转换完成后通过单片机进行软件处理，最后通过液晶显示器显示出来。 5.2频率测量

通过前级档位开关，将合适大小的信号选入到频率测量的前端，然后对信号进行适当的幅度改变，然后将信号送入到信号比较器，将争先信号整形为方波信号，将方波信号进行适当的频率分频，然后将信号送到单片机的外中断，通过单片机在特定的阀门时间内对信号脉冲个数计数，得到的计数个数，除以阀门时间得到的就是信号的频率大小。

精度测试： 档位 2V 2V 8V 8V 8V 8V 20V 20V 7.总结

幅度 30mV-200mV 200mV-1.99V 1.99V-4.5V 1.99V-4.5V 4.5V-7V 4.5V-7V 3V-7V 3V-7V 频率 10Hz-1MHz 10Hz-1MHz 10Hz-500KHz 500KHz-1MHz 10Hz-500KHz 500KHz-1MHz 10Hz-500KHz 500KHz-1MHz 精度 ±2mV ±1% ±2% ±5% ±3% ±5% ±3% ±5% 本系统达到设定的预定目标并有达到部分发挥部分，对电压实施监控，超出设定预警值并报警，并可以对频率大小预警。本系统是实现集有效值测量、频率测量、信号发生于一体的多方位系统，而且部分性能指标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。

参考文献

【1】张永瑞，电子测量技术基础（第二版），西安电子科技大学出版社

【2】谭浩强，C语言程序设计（第四版），清华大学出版社 【3】刘火良，杨森，STM32库开发实战指南，机械工业出版社 【4】刘百芬 张利华，信号与系统，人民邮电出版社教材

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4nfd.html