設(shè)計(jì)特色

　　本設(shè)計(jì)以AT89C52為核心，以液晶顯示作為人機(jī)交互界面，用按鍵選擇功能。電壓測(cè)量部分包括衰減及放大、真有效值直流(RMS-DC)變換、12位A/D轉(zhuǎn)換等三個(gè)主要組成部分。

　　方案比較、設(shè)計(jì)與論證

　　總體方案的設(shè)計(jì)確定

　　·測(cè)量電路

　　方案一：方案一結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用傳統(tǒng)的方案做成晶體管毫伏表，該方案中被測(cè)交流信號(hào)經(jīng)高阻分壓器、射極輸出器、低阻分壓器后送到放大器，放大后的信號(hào)再經(jīng)檢波后由指示器指示，低阻分壓器選擇不同的分壓系數(shù)，使儀表具有不同的量程。輸入級(jí)采用低噪聲晶體管組成的射級(jí)輸出器，提高了儀表的輸入阻抗，降低噪聲。放大器具有高放大倍數(shù)，從而提高儀表的靈敏度。該方案具有隔直流功能，但是測(cè)量精度低、頻率特性差。

　　方案二：方案二結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該方案是先將被測(cè)信號(hào)在幅值上處理后，經(jīng)過(guò)全波整流，再濾除雜余信號(hào)后經(jīng)過(guò)測(cè)量裝置再顯示，此時(shí)考慮的是整流問(wèn)題，在這里容易產(chǎn)生噪聲，所以需用電容濾波。此方案電路處理簡(jiǎn)單，但是測(cè)量誤差大。

　　方案三：方案三結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。被測(cè)信號(hào)在接入電路時(shí)，經(jīng)過(guò)放大小幅信號(hào)和使大幅信號(hào)衰減，在選擇放大和衰減的問(wèn)題上我們采用LTC6800反向輸入放大器來(lái)選擇檔位，使其達(dá)到真有效值轉(zhuǎn)換器件(RMS_DC)LTC1967可以讀出的電壓范圍。由LTC1967把得來(lái)的模擬真值送給A/D轉(zhuǎn)換，由A/D轉(zhuǎn)換把模擬量轉(zhuǎn)為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量，然后用液晶來(lái)顯示，同時(shí)反饋給換檔調(diào)節(jié)裝置，使其自動(dòng)換檔。該方案可控性好，精度高，而且頻率特性好。

　　綜合以上三種方案，我們選擇方案三。此方案電壓測(cè)量范圍為10mV～200V，測(cè)量電壓的頻率范圍可以達(dá)到10Hz～100kHz，而且具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能，運(yùn)放用的電阻大于1MΩ，運(yùn)算放大器的電容不大于50pF，所以此方案滿足輸入電阻≥1MΩ和輸入電容≤50 pF的要求。在程序上我們可以實(shí)現(xiàn)超量程液晶自動(dòng)閃爍報(bào)警功能。

　　·穩(wěn)壓電源

　　在測(cè)量電路和信號(hào)輸出電路中，我們選擇線性穩(wěn)壓電源，由于我們采用分立供電，所以電源輸出電流不大于1A，因此在不同的輸出值上我們分別選擇7805、7905型號(hào)的穩(wěn)壓電源，基本原理如圖4所示。

　　此方案完全可以滿足電路所需，為其提供非常穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，比開(kāi)關(guān)電源更節(jié)約成本。

　　各子模塊方案設(shè)計(jì)、比較和論證

　　·放大衰減部分　
　
　　考慮到要測(cè)的信號(hào)的幅值為10mV～200V，一般的測(cè)量?jī)x器及運(yùn)算放大器都達(dá)不到這個(gè)范圍，所以首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行降壓處理。對(duì)于不同幅值范圍的電壓要有不同變壓處理(即分檔)。

　　方案一：直接用變壓器進(jìn)行放大衰減處理，電路比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是電噪聲比較大，很可能產(chǎn)生不可以消除的失真，而且體積很大，不易攜帶，這樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度有很大的影響。

　　方案二：用精密的電阻進(jìn)行衰減，用運(yùn)放進(jìn)行放大，在很大程度上可以降低失真度，同時(shí)便于換擋，而且在這種電路中產(chǎn)生的失真也容易消除。

　　鑒于這兩種方案的比較，方案二明顯在調(diào)節(jié)和成品的使用上優(yōu)于方案一，這樣在制作的過(guò)程之中，易于調(diào)試，而且在性能上也可以很好的實(shí)現(xiàn)，所以我們選擇方案二。

　　·信號(hào)采集部分

　　方案一：分壓后用精密整流橋整流后經(jīng)過(guò)采樣保持再把數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換。該方案在測(cè)量頻率比較高的波形時(shí)，會(huì)出現(xiàn)采樣不是最大的幅值，此時(shí)就會(huì)要求采很多的點(diǎn)， 然后取平均值，再經(jīng)過(guò)MCU處理。為了保證足夠的精度，采樣間隙應(yīng)該盡量的短，因而要求A/D轉(zhuǎn)換器采樣速率要求非常高，相應(yīng)控制器的處理速率也要求比較高。

　　方案二：采取真有效值轉(zhuǎn)換器件LTC1967對(duì)放大衰減后的信號(hào)進(jìn)行處理后進(jìn)入AD，經(jīng)過(guò)51單片機(jī)分析處理，要求一般速度較快的AD器件即可。

　　·顯示部分

　　方案一：采用LED顯示。LED可以用移位寄存器74164或者專用芯片MAX7219  驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是控制比較簡(jiǎn)單，而且串行顯示只占用很少的I/O口。但也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，只能顯示一些簡(jiǎn)單的ASCII碼字符，顯示的信息量十分的有限，對(duì)于本系統(tǒng)較復(fù)雜的功能不太適合。

　　方案二：采用字符型LCD顯示。字符型LCD也可以采用74LS164通過(guò)同步串口驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是控制比較簡(jiǎn)單，而且串行顯示只占用很少的I/O口，如圖6所示。 

　　經(jīng)過(guò)綜合考慮我們的顯示部分選擇方案二，考慮到顯示的內(nèi)容，我們選擇型號(hào)為1602的液晶，因?yàn)槠湓跐M足題目要求的基礎(chǔ)上，顯示的信息更廣，而不只是幾個(gè)電壓數(shù)字。人機(jī)交換界面更加人性化。

　　·自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換和保護(hù)電路

　　我們采用了模擬開(kāi)關(guān)電路來(lái)控制電路狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量和輸出頻率轉(zhuǎn)換。在測(cè)量時(shí)，一次測(cè)量號(hào)后，等待下一次測(cè)量的指令，然后再進(jìn)行下一次的測(cè)量，如果一開(kāi)始就超量程，那么液晶就會(huì)閃爍。這樣就很好的保護(hù)了整個(gè)換檔電路，雖然不能一直測(cè)量，但是我們可以在不同的點(diǎn)上取樣，這樣對(duì)一些特殊電路非常實(shí)用(如圖8、9、10)。

　　理論分析與計(jì)算

　　模擬電壓轉(zhuǎn)換

　　·放大和衰減部分

　　在放大和衰減部分，主要由電阻來(lái)確定，放大部分和衰減部分各分兩檔，衰減倍數(shù)分別為50倍，5倍，增益部分分別為2倍，20倍。放大部分電路經(jīng)過(guò)精確計(jì)算得到電阻參數(shù)。如圖15所示，因?yàn)榭紤]到LTC1967的轉(zhuǎn)換電壓，所以我們把量程分別為：10mV~200mV， 200mV~2V，2V~20V，20V~200V，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的電壓范圍都在200mV~4V之間。

　　·真有效值的轉(zhuǎn)換

　　根據(jù)其精度的計(jì)算，我們對(duì)LTC1967的參數(shù)的選擇如圖12所標(biāo)注的參數(shù)值一致。使其輸入信號(hào)為10Hz~100kHz的時(shí)候達(dá)到最精。

　　LTC1967采用 如圖12的典型接法，通過(guò)調(diào)整外部精調(diào)電路電阻，可使總誤差大為減小。

　　為了有效的防止衰減，我們用LTC6800作為信號(hào)放大器，電路圖如圖13所示，由其單位增益帶寬根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以得出10Hz~100kHz的通帶帶寬，而且我們實(shí)際結(jié)果也是如此。

　　電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件

　　圖14是我們?cè)O(shè)計(jì)的供電電源模塊原理圖。模塊中間部分的穩(wěn)壓塊采用78/79系列的代替(其中的78和79系列我們分別選取7805、7905、這樣使電源分立供電,以盡量減少誤差)?？紤]到電源整個(gè)電路系統(tǒng)的功率問(wèn)題，我們采取分立供電。

　　自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換用模擬開(kāi)關(guān)電路來(lái)解決，此過(guò)程中，單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行判斷選擇合適的檔位進(jìn)行電壓的測(cè)量。在判斷過(guò)程中，直到輸入待測(cè)值在某個(gè)檔位上時(shí)，這個(gè)檔位的繼電器才會(huì)閉合，使輸入信號(hào)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)。

　　鍵盤(pán)電路(圖17)

　　單片機(jī)最小系統(tǒng)(圖16) 

　　我們的單片機(jī)最小系統(tǒng)采用的89C52單片機(jī)，由于我們的I/O 接口不夠用，所以我們用以下電路進(jìn)行I/O擴(kuò)展。

　　測(cè)試方法與儀器

　　測(cè)試方法：先用數(shù)字示波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果可以從測(cè)量中看出波形沒(méi)有失真，幅值的有效值為1V不變，而且輸出的頻率可以預(yù)置， 即可以用它來(lái)校正我們自制的交流毫伏表。

　　在正式測(cè)試之前先用自制的信號(hào)輸出對(duì)其校正，結(jié)果和輸入實(shí)際值一樣，我們就進(jìn)入實(shí)測(cè)，用變頻電源信號(hào)輸入測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)接上示波器，測(cè)試結(jié)果一樣，證明我們的交流毫伏表示達(dá)到要求的。

　　測(cè)試儀器主要有：變頻電源；TDS1012數(shù)字示波器；TOP—851編程器；電位差計(jì)；仿真器；萬(wàn)用表等等。

　　測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析

　　為了保證測(cè)量系統(tǒng)和輸出信號(hào)系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確，同時(shí)為了減少測(cè)量相對(duì)誤差，我們經(jīng)過(guò)測(cè)試，得到以下若干組數(shù)據(jù)，最后用發(fā)生器對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行自校準(zhǔn)。測(cè)量數(shù)據(jù)如下：

　　1 先用2v輸入進(jìn)行測(cè)試，共隨機(jī)抽樣測(cè)得35組數(shù)據(jù)，列表如表1。

　　2 對(duì)電壓測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行電壓檢測(cè)，主要由變頻電源對(duì)測(cè)量系統(tǒng)輸入信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如表2(測(cè)量部分為了方便只取三位有效數(shù)字)。

　　誤差分析

　　1 測(cè)試系統(tǒng)誤差分析

　　通過(guò)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出，電壓測(cè)量系統(tǒng)的誤差范圍在±2%±1個(gè)字，而信號(hào)輸出的電壓誤差范圍為<±5%，其輸出頻率誤差在±2%以內(nèi)，所以當(dāng)輸出信號(hào)作為自檢信號(hào)輸入測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，誤差范圍在±5%±2個(gè)字。

　　測(cè)量系統(tǒng)的誤差主要來(lái)自變壓系統(tǒng)的誤差、真有效值轉(zhuǎn)換時(shí)的誤差以及A/D轉(zhuǎn)換后在單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的誤差。變壓系統(tǒng)主要有比值不可以精確計(jì)算，同時(shí)運(yùn)算放大器存在溫漂等不確定因素，同時(shí)由于真有效值轉(zhuǎn)換的精度本身就影響測(cè)量結(jié)果，另外單片機(jī)處理時(shí)也存在誤差。

　　2 抗干擾措施

　　系統(tǒng)要測(cè)量信號(hào)有強(qiáng)有弱，最小數(shù)量級(jí)可達(dá)10mV，增益高，非常容易受干擾和產(chǎn)生自激。因此抗干擾措施必須做的很好，才能避免自激，減小噪聲，提高測(cè)量精確度。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)，我們采用下述方法減小干擾，避免自激。

　　1．將系統(tǒng)測(cè)量電路放入屏蔽盒中進(jìn)行電磁屏蔽，避免空間高頻電磁干擾，和工頻干擾。

　　2．模數(shù)隔離。由于數(shù)字電路有非常大的高頻對(duì)地干擾，非常容易對(duì)模擬 電路產(chǎn)生影響。在電路板制作中我們采用了模擬地?cái)?shù)字地一點(diǎn)接地。

　　3．電源隔離。由于系統(tǒng)要有 供電，其中繼電器的開(kāi)關(guān)噪聲非常大，我們采用了完全的獨(dú)立電源供電，有效減小對(duì)主測(cè)量電路的影響。
PCB電路板圖示于圖18、19。

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