5V工频数字式电压表

本文主要介绍了测量5V的工频电压的方法及方案比较

“城院杯”电子设计竞赛

题目：《5V工频数字式电压表》

参赛学生： 李伟龙 李艳梅 钟伟 指导老师： 谢檬 院 系： 电信系

本文主要介绍了测量5V的工频电压的方法及方案比较

摘要

本系统以TI公司的超低功耗MSP430F5438为核心，利用其内部集成12位A/D进行采样，实现对峰峰值为5V工频电压有效值的测量，采用3位数码管显示，精度可达到0.01V。

关键词：交流电压测量 数码管显示

本文主要介绍了测量5V的工频电压的方法及方案比较

1 系统方案选择与论证

根据题目要求本系统主要对5V的工频电压有效值进行测量，要求精度0.01V采用3位数码管显示

1.1结构框图

利用信号源产生一个峰峰值为5V的工频交流信号，通过电压抬高电路再将电压抬高电路的输出通过电压跟随器送入MSP430的P6.0口（A/D转换接口），在MSP430开发板的J2口接上数码管显示模块

1.2调理电路方案

由于MSP430内部集成A/D只能接收单极性电压信号，因此必须对被测信号进行处理，以下为三种方案的比较

方案一：整流桥

利用整流桥将5V交流信号的负半周翻转，再将整流后的信号送入放大器进行比例运算后送入430内部A/D

整流

方案二：抬高电路

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将被测电压信号通过差分电路进行抬高后，再送入A/D进行采样。

通过抬高电路后波形为：

抬高电

通过抬高电路后很好的解决了MSP430内部A/D对电压的要求，并将被测电压最大值降至3.3V从而避免了烧毁MSP430单片机

方案三：峰值检波电路

利用该峰值检波电路输出端的电压值即为被测电压的峰值，然后再利用峰值与有效值之间的关系便可得到有效值电压

方案论证与选择：

方案一中用到了二极管，二极管存在管压降而被测信号只有5V因此管压降会很大程度上影响精度，

采用方案二只要选用合适的运算大器放则不存在此问题，

方案三中采用了峰值检波电路，可以得到峰值电压，但是，如果被测信号不是标准正弦波则峰值电压与有效值之间的关系无法得到

综上所述在此我们选择方案二，运放选择TI公司的TLV2463

2.软件算法

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由于题目要求将被测电压的有效值显示在数码管上，因此要对采集到的数据进行运算

2.1采样频率的选择

430内部AD为12位，参考电压可设为3.3V，最大采样频率为200KHz

工频电压频率为50Hz即一个周期为0.02s，将采样频率设为1KHz，因此当采样点数为：1KHz/50Hz=200，即一次性采200个点时刚好为一个周期。

2.2电压值计算

被测电压与A/D转换数值之间的关系如下：

Vx为被抬高后电压值

n 3.3n为转换的数值 Vx 12

3.3为A/D参考电压值 2

以上得出了被抬高后电压值，因此要反映被测电压值的真实值要对其进行运算

运算公式如下：

K为运放的放大倍数 Ux

2.5为抬高电压数值

此时Ux便为待显示电压

采用此种算法的优点：

max 此种方法仅适合于波形为正弦波，如果波形不为标准正弦波，则误差很大，因此选用平方求和开平方，这样计算如果被测波形不是标准正弦波依然适用

3.显示模块

显示模块是用开发板中的数码管显示，其为6位动态扫描式显示方式。

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3.1 功能原理说明

单片机通过FC16P 双头连线和430F5 实验平台连接，通过两片移位寄存器芯片 74HC595级联，实现数据串行输入16位并行输出，分别控制数码管的段码和位码。

74HC595是一个串入并出的移位寄存器，在单片机系统中应用非常广泛，可以有效地节省单片机的口线

4.程序流程图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/av21.html