新型交流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

0 引 言
??? 傳統(tǒng)的電壓表在測(cè)量電壓時(shí)需要手動(dòng)切換量程，不僅不方便，而且要求不能超過該量程。如果在測(cè)量時(shí)忘記改變量程，則會(huì)出現(xiàn)很大的測(cè)量誤差，甚至有將電壓表燒壞的可能。
??? 本文中采用運(yùn)算放大器和集成多路模擬開關(guān)電路設(shè)計(jì)了電壓表量程自動(dòng)切換技術(shù)，通過單片機(jī)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)電壓表量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。它具有體積小，驅(qū)動(dòng)電流小，動(dòng)作快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便的優(yōu)點(diǎn)，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 技術(shù)要求
??? 電壓測(cè)量范圍：0～500 V；測(cè)量精度：0．5％；量程自動(dòng)切換；采用LED顯示；可用現(xiàn)場(chǎng)提供的220 V交流電源。

2 基本原理
?? 基本原理如圖1所示，信號(hào)經(jīng)過衰減處理后通過采樣保持器采樣保持，由A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)控制和計(jì)算后將結(jié)果送LED顯示。量程的自動(dòng)切換由單片機(jī)通過程序控制多路模擬開關(guān)來完成。由于要求采用現(xiàn)場(chǎng)的220 V交流電源，所以本文設(shè)計(jì)了電源電路，將220 V交流電轉(zhuǎn)換成電路可用的低壓直流電。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 在硬件電路設(shè)計(jì)中多次采用了電容濾波來消除干擾信號(hào)，同時(shí)采用了跟隨器，跟隨器的輸入阻抗很大，可以解決信號(hào)傳輸中的衰減問題。又考慮到單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力很小，在設(shè)計(jì)中加入了7407用來驅(qū)動(dòng)LED顯示。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：
??? (1)電壓信號(hào)衰減電路：將輸人的0～500 V被測(cè)電壓信號(hào)衰減成0～5 V。
??? (2)量程自動(dòng)切換電路：完成信號(hào)量程選擇及其小數(shù)點(diǎn)位置選擇。
??? (3)采樣保持器：對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并保持。
??? (4)模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路：完成對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理和對(duì)系統(tǒng)的控制。
??? (5)顯示器：由74LS164和數(shù)碼管組成，將測(cè)量的電壓信號(hào)顯示出來。
??? (6)整流電路：將交流電整流成直流電，作為電源給數(shù)字電壓表供電。

3．1 電壓信號(hào)衰減電路
??? 電壓信號(hào)衰減電路如圖2所示。為了在輸入大電壓時(shí)不損壞電壓表內(nèi)部器件先對(duì)電壓進(jìn)行衰減，該設(shè)計(jì)中用阻抗進(jìn)行1：100衰減，為防止衰減后信號(hào)電壓過小又通過運(yùn)算放大電路以及多路開關(guān)CD4052進(jìn)行信號(hào)放大，其中的5．1 V穩(wěn)壓管起過壓保護(hù)作用。

3．2 量程自動(dòng)切換電路
??? 量程的自動(dòng)切換由初設(shè)量程開始，直至選出最佳的量程為止。量程自動(dòng)切換電路如圖3所示，控制開關(guān)的閉合和斷開都有一個(gè)短暫的過程，為解決這個(gè)問題系統(tǒng)中采用軟件延時(shí)，然后再進(jìn)行測(cè)量與判斷。為了避免相鄰兩量程交叉點(diǎn)上可能出現(xiàn)的跳動(dòng)，在程序中把低量程的上限比較值和高量程的下限比較值之間設(shè)計(jì)了一定的重疊范圍。該單元中運(yùn)算放大器與多路模擬開關(guān)CD4052的其中一組開關(guān)執(zhí)行相應(yīng)量程的選擇，另一組開關(guān)接LED的小數(shù)點(diǎn)，選擇不同量程時(shí)分別點(diǎn)亮相應(yīng)LED的小數(shù)點(diǎn)位。CD4052的A、B以及INH分別接單片機(jī)P21，P20，P22。

3．3 采樣保持器
??? 在測(cè)量交流電壓時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差與信號(hào)的頻率成正比。為了提高模擬量輸入的頻率范圍，故選用采樣保持器。在此設(shè)計(jì)中采用LF398作采樣保持器，采樣保持器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，保持電容Cn取值和采樣頻率以及精度有關(guān)，常選510～1 000 pF。一般選用聚苯乙烯，聚四氟乙烯等高質(zhì)量的電容器。

3．4 A／D轉(zhuǎn)換電路
??? A／D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件或裝置，是一種模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口，在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的A／D轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，考慮到前者轉(zhuǎn)換時(shí)間短，因此選用逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器。AD574為12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，分辨率為1／212，轉(zhuǎn)換時(shí)間25μs。在本系統(tǒng)中的量程選用雙極性-5～+5 V，與AT89C51的接口電路如圖5所示。AD574的12／8引腳接+5 V，一次輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，3，5腳分別接至單片機(jī)控制總線的P3．1，P3．2，CE接單片機(jī)P3．0，狀態(tài)引腳(STATUS)接單片機(jī)的P1．7。AD574的12引腳和10引腳接兩個(gè)0．1 kΩ的電位器，分別用于零點(diǎn)調(diào)整和滿刻度調(diào)整。AD574的數(shù)據(jù)輸出線與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的連接時(shí)，12位分別接單片機(jī)的P0．0～P0．7和P1．0～P1．3。

3．5 顯示電路
??? 顯示電路如圖6所示，電路采用了簡(jiǎn)單的軟件譯碼移位輸出的方法，串行數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)的P3．6輸出至74LS164，四個(gè)74LS164將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)送數(shù)碼管字型口顯示，74LS164的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)的P3．7提供。數(shù)碼管選用共陰極型。

3．6 整流電路
??? 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)電路中用到了兩個(gè)直流電壓5 V和12 V，而設(shè)計(jì)要求采用現(xiàn)場(chǎng)提供的交流220 V電源，因此需要經(jīng)過整流電路把220 V交流電源轉(zhuǎn)化為5 V和12 V直流電源。本系統(tǒng)中采用了單相橋式整流電路，如圖7所示，為了減小紋波以及消除高頻諧波電路中加入了電容濾波。

?
式中：△Tm為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔；um為第m-1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值；N為一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等，即△Tm為常數(shù)△T，考慮到N=(T／△T)+1，則有：
???
??? 根據(jù)式(2)可以由一個(gè)周期內(nèi)各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)的有效值。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，除了在硬件上采取相應(yīng)的措施外，軟件上采用冗余計(jì)算法即重復(fù)重要的指令，以防止程序跳飛而死機(jī)。系統(tǒng)的程序流程圖如圖8所示。

5 結(jié) 語
??? 本文采用程控放大器實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。用AT89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)控制、處理，送到顯示器顯示，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件采用C語言實(shí)現(xiàn)，程序簡(jiǎn)單可讀寫性強(qiáng)，效率高。與傳統(tǒng)的電路相比，具有方便操作、處理速度快、穩(wěn)定性高、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的使用價(jià)值。本設(shè)計(jì)在超量程時(shí)會(huì)顯示特定的值，即超量程顯示，如想更直觀的顯示，可加入聲光報(bào)警電路，在超量程操作時(shí)可進(jìn)行聲光報(bào)警。