【《自动量程数字毫伏表硬件电路设计案例分析》4600字】

自动量程数字毫伏表硬件电路设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u26385自动量程数字毫伏表硬件电路设计案例分析 1253051.1衰减电路设计 180071.2滤波电路设计 1166641.3有效值变换电路设计 2253481.3.1AD637结构和原理 32781.3.2真有效值变换电路 334701.4模数转换电路设计 475701.5单片机控制电路设计 4207171.5.1主要组成 5167861.5.2外部引脚说明 5288481.5.3时钟电路 7155211.5.4复位电路 8306221.5.5液晶显示电路 9107921.6直流稳压电源设计 11266761.6.1变压器的选择 11277811.6.2整流器的选择 1197001.6.3滤波元件的选择 12250261.6.4稳压片的选择 1213861.6.5外部引脚说明 13100111.7硬件部分原理图 14衰减电路设计当被测信号接入数字毫伏表时，衰减电路首先先对输入信号进行相应的衰减以便送入下一级的电路中进行处理。通过一个17k和一个1k的电阻，对被测信号进行分压处理，然后再送入有效值转换电路中。滤波电路设计在本文的数字毫伏表系统中只需要最简单的RC滤波电路进行滤波即可，下面是RC滤波电路原理。（电容通高频，阻低频。通交流，阻直流）图a为R-C低通滤波电路。对于R-C组合的低通滤波器，其输入端是两个元件的两端，输出端是电容的两端，对于后级电路来说，低、高频信号可以过去；对于高频信号，电容相当于一跟导线，所以将高频信号短路了。图b为C-R高通滤波电路，其原理和图a，将图a的电阻和电容互换，就编程了图b的C-R高通滤波电路。对后级电路的影响有所不同，因为电容的位置，所以低频信号并不能通过，而高频信号可以通过，所以为高通滤波电路。有效值变换电路设计本文中的数字毫伏表主要是用来测量交流电压的有效值，即有效值变换模块的设计和器件选择与数字毫伏表的测量精度和灵敏度密切相关。采用乘法器和集成运算放大器可以实现电路的功能，但是采用分立元件会使得系统硬件的成本增加，且系统的稳定性和抗干扰能力降低。美国AD公司生产的RMS-DC变换器件AD736/AD737就可以简化仪器的设计，从而降低成本。增加可测量波形种类的同时，灵敏度和精度也可以得到改善，满足本文中的数字毫伏表的设计要求。AD637结构和原理AD637

是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。在集成电路的有效值转换器领域，它提供了前所未有的高性能，并且可以在精度，带宽和动态范围方面和分立模块化技术相媲美。AD637采用了波峰因数补偿方案当测量信号的波峰因数达到了10的时候，其误差仍可以保持在1%以下。在被测电压为时，其可测量频率范围为20Hz~1MHz。其幅频特性曲线如下图所示。真有效值变换电路模数转换电路设计模数转换电路将模拟信号转换位数字信号，实现此功能的电路称为A/D转换器，简称ACD。通常A/D转换都需要使用A/D转换芯片来实现，本文设计的模数转换模块采用AD7705芯片。AD7705采用了单片集成，使外部电路更加简洁，大大降低了成本。AD7705是Σ-Δ型的A/D转换器，它实现了ADC与数字信号处理技术的结合。分辨率高，并且转换速度比积分型和电压降转换ADC的转换速度快。它还使用了高倍频过采样技术，大大降低了对传感器信号进行滤波的要求，实际上取消了信号调理。但是AD7705也有缺点，在高速转换时，它需要高阶调制器的介入。在转换速率相同的条件下，它的功耗比积分型和逐次逼近型要高不少。以AD7705为核心的模数转换电路原理图如下所示。单片机控制电路设计从本文的数字毫伏表功能来看，单片机需要储存程序，即单片机需要除尘器片内ROM。由于8031和8032都没有片内存储器ROM，所以不能应用在本数字毫伏表中。而8051系列单片机均有片内存储器ROM，可以应用于本系统设计由于单片机控制是本系统的主要组成部分，因此单片机的选择决定了本数字毫伏表的测量质量和性价比。为了简化单片机外围电路的设计，从而降低成本，我们选用PHILIPS的P87LPC764型OTP单片机。它是一种8051改进型MCU，可以提供4k字节OTP程序空间和128字节RAM。它不仅具备51系列单片机的现有功能，而且还增加了其他功能，如WDT看门狗，I2C总线，上电复位检测、欠压复位检测等其他功能，以确保I/O口驱动电流达到20mA，运行速度是标准80C51的两倍，并且温度范围达到了工业级标准（-40~85°C），单片机本身的可靠性，即电磁兼容特性也非常好，功耗很低。主要组成从系统结构上看，所有的MCS-51系列单片机都是以Intel公司最好推出的8051为核心，增加了一定功能部件后增加了产品型号，但单片机的总体结构和外部引脚基本上是一致的，它是在一块芯片上面集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O功能器件。外部引脚说明Vcc，GND正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。XTAL1,XTAL2片内振荡电路输入/输出端。RESET复位端（正脉冲有效，宽度>10mS)，复位使单片机进入某种确定的起始状态。EA/Vpp片外程序存储器选用端（ExternalAccessEnable.)/编程电源输入端。低有效，片内无ROM时必须接地;片内有ROM时应当接高电平;对片内ROM编程时编程正电源（21V)加到此端。ALE/PROG地址锁存允许/编程脉冲输入端。PO口寻址外部低8位.地址时接外部锁存器G端;ALE端平时会输出周期正脉冲:f=fosc/6;对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。PSEN寻址外部程序存储器时选通外部ROM、EPROM的读控制端（OE）低有效。PO.O-P0.7双向IO(内置场效应管上拉)，寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口;不接外部程序存储器时可作为8位准双向IO口使用。P1.0-P1.7准双向I/O口（内置了上拉电阻）。P2.O-P2.7双向IO(内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址;不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。P3.0-P3.7双功能口（内置了上拉电阻)，它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。P3口的第二功能见下表：引脚第二功能P3.0RxD:串行口接收数据输入端P3.1TxD:串行口发送数据输出端P3.2INT0:外部中断0请求输入端P3.3INT1:外部中断1请求输入端P3.4T0:定时器/计数器0计数脉冲输入端P3.5T1:定时器/计数器1计数脉冲输入端P3.6:片外数据存储器写选通信号输出端P3.7:片外数据存储器写选通信号输出端时钟电路时钟电路可以由外部提供或单片机上的晶体振荡器提供，但在通用系统中经常使用外部时钟输入。因为外部时钟输入具有精准度高、稳定性好、使用方便的特点。因为系统工作是以时钟为基准，所以如果时钟质量不好，将很难保证系统的可靠性和稳定性。因此，在使用外部时钟时，选择晶体振荡器应对其稳定性和毛刺进行全面的检查，以保证系统能够可靠的工作。单片机的时钟电路由外接的一只晶振、两只起振电容和单片机内部的时钟电路构成，通常MCS-51单片机允许的振荡晶振在1.2~24MHz之间选择，本文设计的系统采用11.0592MHz的晶振。而电容可以在20~100pF之间选择，根据经验，C1、C2通常取22pF。在MCS-51单片机内部有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。时钟电路如图所示。复位电路复位电路是用于将\t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"电路恢复到其原始状态的电路设备，其操作原理类似于计算机，但其启动原理和手段有所不同。复位电路有三种方式。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。复位电路都是比较简单的大都是只有\t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"电阻和\t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"电容组合就可以办到了，再复杂点就有\t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"三极管等配合程序来进行了。由于本文的数字毫伏表的系统运行需要，我们采用按键复位的方式，如图所示在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。复位使单片机进入某种确定的初始状态如下：·PC值归零（0000H）；·各个SFR被赋予初始值： P0~P3=0FFH,Acc=0,B=0,TH0=0,TL0=0,TH1=0,TL0=0,SP=7,PSW=0·退出处于节电工作方式的停顿状态，推出一切的程序进程，推出程序 死循环，从头开始。PC于SFR复位状态见下表。寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HA00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUFXXHIE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H液晶显示电路LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。4LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。原理图如下LCD1602采用的是在标准的16脚接口，其引脚功能如下：引脚引脚功能VSS电源地。VCC电源正极接5V。V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高的时候容易产生“鬼影”现象，实际使用时可以通过一个10K的电位器调整它的对比度）。RS寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器。RW读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。E/RN使能端，高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。D0~D78位双向数据端。LED+背光正极，接4.8~5V。LED-背光负极，接0V。直流稳压电源设计通常，毫伏表在测量范围最小的信号时对外部信号非常敏感。如果毫伏表的电源和被测电路的电源共用同一地，则毫伏表的地与测量电路的地之间可能存在电位差，并且该电位差将被认为是其中的一部分。毫伏表输入信号的变化引起测量偏差。直流稳压电源是解决这一问题的有效方法。系统需要有稳定的±5V、15V直流电源才能正常运行，根据直流稳压电源的原理，其方框图如图所示。变压器的选择在串联稳压电路中，确定变压器的次级电压很重要。如果为了有富余而把二次电压做得较高，就会增加调整管的损耗，这样得相应地增大散热器。因此，要设计性能卓越的电源，通常需要多次调整变压器参数的值。设计中采用的LM317的输出电压是在1.2~37V的变化范围之内，通过公式(为次级线圈产生的二次电压)，而LM317输入电压与输出电压之差一般在5~15V范围，取，得，经计算可确定二次电压为29.16V。于是确定变压器的电感比值调为10000:174。整流器的选择在设计中，整流二极管用于形成整流桥以进行整流，因为二极管的选择需要根据二极管的反向耐压和正向电流。由于滤波电容的容量愈大，二极管导通角愈小，通过二极管脉冲电流的幅度愈大，因此，整流管的幅值电流必须加以考虑。流过整流管的平均电流，考虑到电容充电电流的冲击，正向电流一般取平均电流的2~3倍。由于LM317负载电流最大为1.5A，但是本题要设计出最大电流为500mA，取二极管的平均最大电流为整流二极管IN4007的最大正向平均整流电流为1A，极限参数，符合上述条件，所以我们选择IN4007作为整流二极管。滤波元件的选择滤波电解电容的选择原则是:取其放电时间常