简易数字显示交流毫伏表(最终定稿).doc

简易数字显示交流毫伏表目 录1.系统方案选择和论证51.1设计要求 51.1.1基本要求51.1.2发挥部分61.2系统基本方案及框图 61.2.1各模块方案选择和论证71.2.2系统各模块的最终方案82.系统的硬件设计与实现 92.1系统硬件的基本组成概述 92.2有效值测量单元电路的设计 92.2.1有效值转换电路总揽92.2.2分压网络92.2.3 输入缓冲102.2.4高频放大级122.2.5真有效值转换132.2.6 A/D变换 142.2.7语音播报数据电路142.2.8打印机电路152.2.9超量程闪烁电路152.3等精度频率计电路设计 152.4正弦波发生电路的设计 162.4.1正弦波产生电路162.4.2带有AGC的稳幅电路182.5 电源电路设计 193.系统的软件设计193.1程序流程图 193.1.1电压频率测量系统程序流程图193.1.2正弦波发生系统程序框图203.2程序核心简介 213.2.1自动量程转换程序213.2.2频率测试的VHDL程序 224. 系统测试 234.1 测试仪器234.2 指标测试234.2.1 真有效值测试 244.2.2 频率测量测试 24 4.2.3正弦信号发生测试 244.3系统实现的功能 255.总结 26参考文献26简易数字显示交流毫伏表摘要： 本系统由高级模拟器件、CPLD、DDS构建，可实现具有自动量程转换功能的真有效值测量、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（R2M,C2.5pF），宽频带范围（10 HZ-5M HZ）,宽电压范围（1mV-250V）,高精度（有效值，频率10-6）的优越性能。正弦波发生部分可实现40MHz内的最小步进为1Hz的数字式频率设定，10Vpp的带有AGC功能的数字式幅值设定。可满足多方位的需要。关键词：静电计 频率计 高频放大 真有效值 DDS AGCAbstract:This system ,which is composed of advanced analog devices, complicated programmable logic devices(CPLD),and direct digital synthesizer(DDS),has the functions to measure the RMS and frequency of the inputting signal .This system also has the ability to output one channel sin-wave whose altitude and frequency are both programmable .The measuring section is of high input impedance (R2M,C2.5pF),and has a very broad frequency band(10 HZ-5M HZ) and very large scale of voltage（1mV-250V） ,while its precision stays perfect(RMS1%,Frequency 10-6).The sin wave generator can output one channel sin wave with frequency up to 40MHZ and peak-to-peak voltage up to 10V . The frequency can steps as precise as 1HZ, and the output amplitude is both adjustable and very stable ,due to AGC. Key word:Electrometer，cymometer，radioamplifier，RMS ，DDS ，AGC1.系统方案选择与论证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。图-1 简易数字显示交流毫伏表示意图1.1.1基本要求（1） 电压测量a、 测量电压的频率范围100Hz500KHz。b、 测量电压范围100mV100V（可分多档量程）。c、 要求被测电压数字显示。d、 电压测量误差5%2个字。e、 输入阻抗1M，输入电容50pF（本项可不做测试，在电路设计中给予保证）f、 具有超量程自动闪烁功能。（2） 输出 a、 输出正弦波电压，电压值1Vrms ，波形无明显失真。b、 输出电压值误差10%。c、 输出电压频率范围10Hz200KHz。d、 输出电压频率可预置。e、 输出电压频率误差5%。（3） 设计并制作该仪表所需要的直流稳压电源。1.1.2发挥部分（1） 将测量电压的频率范围扩展为10Hz1MHz。（2） 将测量电压的范围扩展到10mV200V。（3） 交流毫伏表具有自动量程转换功能。（4） 电压输出频率可步进调节，频率步进值可预置为1Hz、10Hz、100Hz、1KHz。（5） 其他。1.2系统基本方案及框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：信号调理模块、A/D，D/A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、语音播报及打印模块、电源模块等。正弦信号发生部分包括：DDS频率合成模块、人机接口及控制模块、高频放大模块、自动增益控制模块等。如图-2和图-3所示。为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证，我们选取了较好的方案实现。单片机控制器DDS频率合成高频放大器键盘设定LED显示波形输出自动增益控制电源图-2 信号源系统框图单片机控制器键盘LCD显示可编程高频信号放大器高阻抗缓冲器分压网络交流真有效值转换A/D转换信号输入频率测试波形整形D/A转换电源语音报数数据打印图-3 测量系统框图1.2.1各模块方案选择和论证（1）有效值测量部分：方案一：用分立元件搭焊高频放大电路，用精密整流电路测量输入信号的真有效值。这种方案成本较低。但是这种电路结构复杂，调试困难，精度低，温漂大，稳定度低。而且，放大电路的放大倍数难以准确控制，导致放大和测量的结果不准确。方案二：用优质运算放大器做前级跟随放大，用专用真有效值转换芯片做有效值转换。这种方案成本较高。但是，通过合理的选择各级运放，可以做到电路简单可靠，输入阻抗高、测量精度高、近似无级量程转换的优良性能。（2）频率测量部分：作为扩展功能对输入交流信号的频率进行测量。要实现快速准确的测量频率，必须要有良好的硬件响应速度和良好的测量策略。方案一：用单片机的计数器对基准时钟源进行计数。然后通过计数的比值计算出被测信号的频率。这种方案节省硬件，用一片单片机实现计数，运算等工作。但是，由于单片机内部的计数器所能计数的频率有限，更重要的是开始计数和停止计数难以做到同步，所以，此种方法测得的频率精度低，范围窄。方案二：用8253等专用硬件计数器配合逻辑电路设计一套硬件测量电路。此种电路如果能合理设计，能做到实时性好，测量准确。但是设计起来较为麻烦。需要的硬件多，电路制作复杂。方案三：采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）编写代码实现频率计数功能。可编程逻辑器件响应速度快可以达到十几纳秒甚至几纳秒，响应频率可以达到几十兆甚至上百兆，可以实现高速计数。可编程逻辑器件可以用代码实现硬件的功能，易于修改，而且性能优于传统的电路连接方式，对于一定规模的数字电路尤其显示了其优越性。（3）正弦波产生部分：方案一：用分立元件作成RC、LC等振荡电路，加以稳幅电路构成正弦波发生器。特点：线性度差，稳定度差，频带范围窄，不易实现步进调节。方案二：用模拟可调的波形发生芯片（如：MAX038）。本题目要求频率可以精确步进，范围宽，幅值稳的正弦波。用模拟可调的波形发生芯片不易实现精确步进调节。方案三：选用数字可编程DDS芯片(如AD985，AD9851等)产生正弦波。AD9851能够轻松实现1-40MHz宽范围步进1Hz的频率合成器。通过写入控制字即可设定频率值。低漂移电流输出，通过电流-电压转换即可得到稳定幅值的正弦波。1.2.2系统各模块的最终方案（1）有效值测量部分：我们选用方案二：用各种优质运算放大器做信号调理，用有效值转换专用芯片AD637作为有效值测量器件。（2）频率测量部分：我们选用方案三：用CPLD作为硬件平台进行同步计数，然后用单片机进行数据读取、处理。精度可达=2M,输入电容则小于2.5pF，使对被测信号的影响降至极小。2.2.3 输入缓冲分压得到的信号是不能直接送到放大级的，因为放大级的输入电阻以及偏置电流会使分压桥难以正常工作，分压比不准确，需要再接一级具有极高输入阻抗的缓冲器。在这里我们选择了Fast FET运算放大器AD8065，它是AD公司一款高速（3dB带宽145M），高输入阻抗（1000G|2.1pF）FET输入级的运算放大器，输入偏置电流仅为1pA，完全可以保证分压桥的准确性，对于具有FET输入级的运算放大器，对其输入端的保护是必须的，因为微弱的静电或者是过压就可以使其击穿。保护元件必须是具有低泄漏电流，这样才不会降低输入特性。在这里，我们选用的是Vishay 公司超低泄漏电流和结电容的PAD系列二极管（引脚说明如图-6），其反向泄漏电流小于1pA，结电容则小于0.8pF，是运算放大器输入保护的不错选择。考虑到后级放大器AD603的输入电阻很低（100欧姆），AD8065的驱动能力有限，所以又加了一级由AD811构成的缓冲器。AD811是一款高速视频放大器，单位增益3dB带宽可达140M，其输出可驱动低至75欧的负载 。如图-7所示。图-6 PAD二极管引脚图-7输入缓冲原理图2.2.4高频放大级经过分压后的信号一般是比较微弱的，还不能直接去过行真有效值转换，需要放大至合适的幅值。这种放大器应该是可变的，以保证使输入电压都放大到一个合适的幅度。我们设计了两种方案，一种方案是通过继电继来改变串入放大的电路的放大级，通过不同放大倍数的组合来实现更多放大比，这种方法增加了继电器的使用，使得切换时有大量的噪声，且不能实现任意放大比；另一种方案就是采用程控放大器，通过电压来控制放大倍数，从而得到最合适的输出幅值，我们采用了此种方案。我们选择了AD603可变增益放大器。AD603在增益为11dB至31dB范内具有90M的带宽，通过两级AD603级联可实现20dB至60dB极宽范围的增益，从而使得放大纺输出的有效值在2V附近，达到最高的精度。超低温漂基准源AD586的输出经过分压产生500mV的电压加在增益控制脚GNEG上，而单片机DA输出01V的电压加在GPOS上，从而使控制电压Vg（Vgpos-Vgneg）在500mV至500mV内，增益公式为Gain80Vg+20dB。由于AD603的输入电阻仅为100欧姆，对于级间耦合电容，则需要很大才能达到理想的低频响应，我们用0.1uF，1uF和470uF的电容并联，达到全频带都有理想的响应。由于AD603的输出幅值仅为-2V，所以我们级联了一级由AD811构成的同相放大器，其增益为2.从而提高了放大器输出的幅度，进而提高了精度。如图-8所示：图-8高频放大原理图2.2.5真有效值转换一个交变信号的有效值的定义为： 这时，VRMS为信号的有效值，T为测量时间，V（t）是信号的波形。V(t)是一个时间的函数，但不一定是周期性的。 对等式的两边进行平方得： 右边的积分项可以用一个平均来近似： 这样式（2）可以简化为：VRMS2=AvgV2（t） (4) 等式两边除以VRMS得：VRMS=AvgV2(t)VRMS （5）这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础、AD公司的真有效值直流变换器也正是采用了这一原理。AD637是ADI的一款单片集成高精度真有效值转换芯片，0.2V有效值输入时，频响为600K，而当输入信号有效值高于1V是，频响可高达8M。图-9 AD637内部原理图图-10 AD637外围接线图AD637可提供幅度值和分贝值两种输出接口，以满足不同的需要 。在这里我们接成幅度输出，然后经过AD变换 ，由单片机进行处理。2.2.6 A/D变换 SPCE061内部自带8路10位高精度逐次A/D转换器，可满足精度和速度的要求，省去了外接A/D转换芯片，降低了成本 。2.2.7语音播报数据电路凌阳单片机的A/D、D/A速度快，FLASH存储区空间大，因此可以处理语音。D/A输出的语音模拟信号经过功率放大驱动扬声器可以播放语音。我们用的是凌阳最小系统板上的功放电路，此图略。2.2.8打印机电路本测试仪可以通过机上提供的并行接口连接到并行微型打印机打印测试结果。打印电路用AT89S52设计，将主控制器的串行打印指令转换为并行数据格式并通过并行口驱动打印机。硬件电路为一个51最小系统，此图略。2.2.9超量程闪烁电路当超量程时，液晶显示屏上显示超量程，同时有超量程指示灯闪烁。指示灯由单片机的一位IO口线通过程序控制闪烁。2.3等精度频率计电路设计由于输入的信号是交流信号而CPLD（现场可编程逻辑器件）和施密特触发器是数字芯片，不识别负信号，要把输入交流信号变为直流信号。用两个电阻实现电压钳位功能，钳位后的信号经7414（施密特触发器）整形为方波后直接输入CPLD对其计数。原理图如图-11所示。由于CPLD可以实现高速响应，可以实现准确计数。 图-11频率计原理图2.4信号发生电路的设计2.4.1正弦波产生电路正弦波产生方式很多，如LC振荡，正弦波发生芯片，但是DDS（Direct digital synthesize） 芯片的性能更强大,频率范围更广，频率输出更稳定，频率步进更准确。AD9851是一款可调频率范围宽，最小步进频率小，输出频率幅值稳定的典型DDS芯片。下图为其内部原理框图：图-12 AD637内部原理图AD9851的控制寄存器有五个，分别可以控制输出正弦波的相位和频率。第一个字节为相位控制和倍频使能控制，后四个字节为32位的频率控制字。输出频率=外部基准频率*倍频（如使能有效）*控制字/232五个寄存器的具体位定义如下表：图-13 AD637控制字写入并更新频率相位的时序如下图：图-14 AD637写入时序AD9851的应用电路原理图如下图：图-15 AD9851的应用电路2.4.2带有AGC的调幅稳幅电路AD9851输出正弦波的幅度通过设定接在Rset上的电阻R2来设定，但是波形输出幅度会随着频率的上升而衰减，不能满足任意输出幅度设定和输出幅度稳幅的技术要求，因此我们外加了幅度控制，以及自动增益控制电路（AGC），过行闭环控制，从而稳定输出幅度。 电路工作原理如下：AD9851的输出经过一级三级管进行跟随，用以驱动具有100输入电阻的AD603，AD603为可调增益宽频放大器，单级增益为-11dB至31dB，其增益由加在GPOS和GNEG上的电压差来控制。AD603的输出幅度最大仅为2V，所以我们又加了一级由AD811构成的放大器，放大倍数为5，所以正弦信号最大输出幅度为10V，可满足不同幅度输出的需要。宽频运放（芾宽15M）LM318用于对输出幅度进行峰值检波，结果由C33进行保持，产生反馈信号。DA输出给定，由U3进行处理，产生0-10V的给定信号。给定与反馈均通过10K的电阻加在误差产生环节U4的反向输入端上，其两者的电流差给电容C32充电，形成了增益控制电压加在了GPOS上，从而构成了一阶积分闭环控制，实现了按给定的闭环控制。图-16 调幅稳幅电路2.5 电源电路设计本系统采用5V，12V直流供电。用多抽头变压器产生多路交流低压，桥堆整流，电容滤波，再经LM2576T、LM7905、LM7812、LM7912稳压给系统供电。电路总功耗20W。3.系统的软件设计本系统对软件的要求不高，用前后台式的程序即可能轻松完成系统的基本任务。3.1程序流程图3.1.1电压频率测量系统程序流程图系统初始化自动量程转换启动CPLD频率测试真有效值测量计算读取结果计算频率CPLD并行测量频率刷新显示前台程序：后台程序：进入键盘中断调档语音播报数据数据打印显示设置中断返回看门狗程序复位校准主循环任务判断图-17控制程序流程图3.1.2正弦波发生系统程序框图看门狗程序复位系统初始化查询按键值任务设定频率设定幅值图-18正弦波发生系统程序框图3.2程序核心简介3.2.1自动量程转换程序有效值测量部分的待测电压范围宽，为保证精度，必须设定多个不同的量程。我们多量程是通过分压网络和程控放大器的相互组合来实现的。分压网络分为两档：1/2分压，1/201分压。程控放大器（级联AD603）的线性增益调节范围为-20dB到60dB。经测定，在-3dB到46dB的范围内线性度最好，噪声最小，所以我们选用此区域。这样1/2分压网络与程控放大器组合，可以得到-6dB到43dB的增益调节范围。1/201分压网络与程控放大器组合，可以得到-46dB到3dB的增益调节范围。我们分别选择此两个增益调节范围为“交流毫伏档”和“交流伏特档”。前者能把电压范围为10mV到2.82V的搬移到2V，后者能把1V到282V的电压搬移到2V。我们通过D/A转换器微调程控放大器的增益，使输入电压搬移到2V附近，然后经A/D转换器得到较为准确的结果电压（接近2V）。通过D/A给出的增益值和A/D得到的结果电压可以运算出待测电压的有效值。这样做的目的是：一、A/D转换器输入的结果电压接近满偏，精度高。二、真有效值转换芯片AD637的随频率变化的最佳线性区就在2V附近。这样在很大程度上提高了系统的测量精度。测量系统的测量过程分为半自动换档和全自动换档。半自动换档即为只给定“伏特档”或“毫伏档”，而在此两范围内通过“D/A扫描”实现自动搜索并锁定量程。半自动量程换档的好处在于用户可以事先估测待测电压的大体范围，然后选择两档之一，这样可以减轻“D/A扫描”的负担，提高测量速度和测量准确度。全自动量程选择是让系统在全量程内搜索电压值。这样会减慢测量速度，但可以不必估计待测电压的大体范围，使用较方便。由于分压网络与跟随缓冲器之间的低泄露保护二极管的钳位作用，即使在低压档加上最高点压，也不会烧坏系统。所以，系统尽可以在全量程内搜索电压值，这为全自动量程换档提供了可能性。换档过程采用误差积分式的算法。根据当前档测得的结果电压与2V进行比较，通过比较误差调整D/A增益给定。这样换档超调小，速度快。3.2.2频率测试的VHDL程序等精度频率计的实现方法可以简单的用图-19表示：图-19等精度频率计主控结构图-19 中预置门控信号CL可由单片机发出，CL的时间宽度对测频精度影响较小，只是影响测频的最小值，所以可以在0.1秒至1秒间任意选取，令其为Tp。B和T是两个可控的32位高速计数器,BEN和TEN分别是各自的计数使能信号，高电平有效。20M标准信号源从B的时钟输入端BCLK输入，被测信号经整形后从与B相似的32位高速计数器T的时钟输入端TCLK输入。测频开始前，首先发一个清0信号CL,高电平有效，是两个计数器、D触发器和4位选通信号均置0，然后由单片机发出测频允许命令，即令预置门控信号CL为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的上升沿到来之后Q端才被置1（即令START为高电平），与此同时，将同时启动两个计数器B和T，进入计数允许周期。在此期间，B和T两个计数器分别对被测信号和标准信号同时计数。当Tp秒之后，预置门控信号被单片机置为低电平，但此时两个计数器并没有停止计数，一直等到随后而来的被测信号的上升沿到来时，才通过D触发器将这两个计数器同时关闭。由图-20所示，CL的宽度和发出时间都不会影响计数使能信号EN(START)的宽度，EN的允许计数周期在任何情况下都恰好等于待测信号TCLK的完整周期数，这正是确保TCLK在任何输入条件下都能保持恒定精度的关键所在。CL宽度的改变以及随机出现的时间误差最多只有基准源信号BCLK的一个时钟周期，若BCLK由精确稳定的石英晶体振荡器（20MHz）发出，则在任何情况下测量误差只有两千万分之一秒。图-20 频率计测控时序设在一次预置门时间Tp中对被测信号（频率为Fx）计数为Nx,标准频率信号（频率为Fs）计数为Ns个，则有下式成立：Fx/Nx=Fs/Ns可得到测得的频率为：Fx=(Nx/Ns)*Fs最后当START由高变低之后由单片机发出15个SEL脉冲，4位计数器的不同输出值控制16选1多路选择器将测得的BCLK和TCLK的个数4位为一输出单元经寄存器被单片机读入，由于用CPLD进行32位的计算占用大量资源，影响速度。所以由善于计算的凌阳16位单片机完成，在单片机内计算出被测频率的值并显示结果。4. 系统测试4.1 测试仪器数字式双踪示波器TDS2012，信号发生器TFG2040，交流毫伏表等HG20704.2 指标测试以下为本系统在实验室里测得的结果。4.2.1真有效值测试真有效值测量的测试包括交流毫伏表在同一电压下对不同频率的响应情况，和在同一频率下对不同量程电压值得响应情况。由于篇幅所限，这里只列出了在1.000V下的频率响应和在1kHz下的幅值响应，以供参考。更详测试请参照实物。频率响应测试：序号频率输入电压测试结果误差110Hz1.000V0.9960.4%2100Hz1.000V0.998V0.2%31kHz1.000V1.001V0.1%410kHz1.000V1.001V0.1%5100kHz1.000V1.007V0.2%61MHz1.000V0.997V-0.3%72MHz1.000V0.996V-0.4%幅值响应测试：序号频率输入电压测量结果误差11kHz10mV10.10mV1%21kHz100mV99.01mV0.99%31kHz1V1.005V0.5%41kHz10V10.03V0.3%51kHz50V50.13V0.26%61kHz100V99.8V0.2%71kHz200V201.0V0.5%81kHz250V251.5V0.6%4.2.2频率测试序号电压输入频率测试结果误差11.000V10Hz10.0001Hz0.0001%21.000V100Hz99.9999Hz0.0001%31.000V1kHz1.00000KHz0%41.000V10kHz10.0000KHz0%51.000V100kHz100.000KHz0%61.000V1MHz1.00000MHz0%71.000V5MHz5.00000MHz0%4.2.3正弦信号发生测试频率测试设定频率实际频率误差1Hz1.00001Hz0.001%100Hz100.001Hz0.001%10kHz10.0000kHz0%1MHz1.00001MHz0.001%10MHz10.0002MHz0.002%40MHz40.0014MHz0.0035%幅值测试设定幅值实际幅值误差1Vp-p1.011%2Vp-p2.0