可测频率的交流毫伏表设计 - 图文

可测频率的数字交流毫伏表设计

摘 要

本设计是基于AD637电路的交流数字毫伏表电路设计。该毫伏表是基于真有效值转换(True RMS-to-DC Converter)技术，以真有效值转换集成芯片AD637为核心，以微控制器（MCU）为量程转换控制，以高精确度10位分辨率串行A/D转换器为模数转换，通过LCD显示，并辅以必要的外围电路设计而成。数字交流毫伏表系统主要由MCU控制模块、程控放大器模块、真有效值转换模块、频率测量模块、电压数字显示模块等组成，并且能够根据实际交流电压输入完成相应的量程转换功能，同时使用LCD显示测试电压值。

该电路采用TLC1594高精度串行A/D转换电路，测量范围在Vpp为0-10伏的交流信号，用LCD液晶显示。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了电路的基本原理，89C51最小系统的特点，TLC1594的功能和应用，LCD1602的功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。

关键词 真有效值 数字显示 频率测量 TLC1594 A/D转换器

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引言

数字电压表(数字面板表)是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具，有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。在电气测量过程中，电压是一个很重要的技术参数。如何准确地测量模拟信号的电压有效值，一直是电测仪器研究的内容之一。

目前，低精度交流数字毫伏表大多采用平均值原理，只能测量不失真正弦信号的有效值，故受到波形失真度的限制而影响测量精确度和使用范围。真有效值数字仪表可以测量在任何复杂波形而不必考虑波形种类和失真度的特点以及测量精确度高、频带范围宽、响应速度快的特点而得到广泛应用[1]。

在真有效值数字电压表设计中，提高系统的测量精确度、稳定性、改善线性、提高频率响应特性是本设计中的关键。

数字电压表的设计和开发,已经有多种类型和款式。和以往的仪器、仪表有所不同的是该设计具有智能调挡功能，它是基于单片机为基础的智能化仪表，是单片机应用领域中的又一个新的亮点。单片机的诞生和独立的技术发展道路，充分表明单片机是一个应用于对象体系的智能化工具。这也在仪表应用领域中得到充分肯定。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。

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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Vopp：0~10V，精确度为0.05%RDG+0.25mV.

系统设计的总体思路:首先将模拟信号通过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：

真有效值转换 A/D转换 信号输入 程控放大器 对增益进行控单 片 机 频率测量 波形整形电路

图1-1 系统原理框图

LCD显示 从系统原理框图1-1中可以看出，交流毫伏表系统主要有六个功能模块：程控放大器模块、单片机最小系统模块、真有效值转换模块、波形整形模块、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、A/D转换模块及波形整形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。

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。

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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、频率测量、单片机最小系统模块、液晶显示模块等六个主要组成部分。通过对以上六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U1，

U2，U3，?，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：

U=??U21?U22?U32????????Un2??n?[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以上输入时带宽可达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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/eg2f.html