智能數(shù)字交流毫伏表的設(shè)計與實現(xiàn)

王一萍

（重慶市工業(yè)學校 中國 重慶 400043）

0 引言

和以往的有效值測量技術(shù)不同，真有效值直流變換可以直接測得各種波形的真實有效值，它不是采用整流加平均的測量技術(shù)， 而是采用信號平方后積分的平均技術(shù)。 采用AD736 來簡化儀器的設(shè)計，增加信號測量品種，并且靈敏度、精確度也大大改善。 本智能數(shù)字毫伏表能夠?qū)︻l率為20Hz－1MHz、幅值為1MV－300V 的交變電壓進行測試。 并具有自動調(diào)零、自動過載報警、自動量程切換、自動單位換算、數(shù)碼顯示等特點。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計框圖

本智能毫伏表的主要硬件框圖如圖1 所示： 被測信號通過信號的衰減→可編程增益放大（PGA）→AD736 轉(zhuǎn)換器→8031→數(shù)碼顯示。

圖1 硬件設(shè)計框圖

1.2 單元電路設(shè)計

1）衰減電路設(shè)計

真有效值智能毫伏表主要功能是測量不同的電壓，而且要求測量的電壓值范圍很寬，從1MV～300V 的直流、正弦交流電壓，最大與最小之比達到10000000 個數(shù)量級。 為此選用雙四選一的多路模擬選擇開關(guān)CD4052 聯(lián)合可編程放大器來實現(xiàn)量程的變換， 即在測量時對被測電壓進行先衰減后放大。

2）放大電路設(shè)計

本毫伏表測量的電壓范圍很寬，要進行量程變換。 在以往的儀器中均采用手動切換，而在本設(shè)計中選用了可編程放大器（PGA）和單片機加上少量的軟件，來實現(xiàn)自動量程變換。可編程放大器采用的是數(shù)字可編程增益放大器SFM004。 它由運算放大器、 高精度電阻網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字可編程開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成。 具有低輸入偏置電壓、高輸入阻抗、高精度增益、功耗低等特點。

3）AC/DC 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

在本設(shè)計中模擬信號數(shù)字化處理的關(guān)鍵是首先要實現(xiàn)信號從模擬電壓到N 位數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，AD736 轉(zhuǎn)換器即是實現(xiàn)這一功能的器件。 AD736 是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC 轉(zhuǎn)換器。其主要特點是準確度高、靈敏性好（滿量程為200MVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達0～460KHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低（最大的電源工作電流為200μA）。 用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±0.3%。

4）主控芯片8031 設(shè)計

主控系統(tǒng)是本設(shè)計的兩個重要組成部分之一，主控系統(tǒng)芯片的選取決定了設(shè)計儀器的測量質(zhì)量和其性價比，在本設(shè)計中選取了8031 作為本設(shè)計的主控芯片。

8031 是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的， 其工作頻率可下降到0Hz， 并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式——空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，CPU 停止工作，而RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。 在掉電方式中，片內(nèi)鐘振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保存片內(nèi)RAM 中的內(nèi)容，直到下次硬件復位為止。

5）顯示電路設(shè)計

選用由發(fā)光二極管組成的七段數(shù)碼顯示器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計思想

軟件設(shè)計研制的過程包括問題的定義、 軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建立數(shù)學模型、繪制程序流程圖、編寫程序。

軟件方面的設(shè)計包括編寫、運行、調(diào)試PC 機的匯編語言以及單片機的匯編語言程序，需要使用匯編語言、C 語言等高級語言。本設(shè)計里采用Debug 來編程，而單片機的匯編采用偉福仿真軟件來編程應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計。 單片機的軟件設(shè)計是在裸機條件下開始設(shè)計的，而且隨應(yīng)用系統(tǒng)的不同而不同。

下圖2 給出了軟件設(shè)計的整體思路結(jié)構(gòu)框圖：

圖2 軟件設(shè)計的整體思路結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括以下幾個模塊：清零、初始化、數(shù)據(jù)采樣、調(diào)取數(shù)據(jù)子程序、調(diào)數(shù)據(jù)處理子程序、數(shù)據(jù)采樣完、顯示。

初始化

程序設(shè)計第一步就是對單片機進行初始化，本設(shè)計中單片機初始化包括：關(guān)看門狗、外部晶振設(shè)置、串行口初始化、多路選擇開關(guān)設(shè)置。

關(guān)看門狗

下面的代碼段說明禁止WDT 的過程：

CLR EA； 禁止所有中斷

MOV WDTCN, #0DEh ； 禁止軟件看門狗定時器

MOV WDTCN, #0Adh

SETB EA； 重新允許中斷

寫0xDE 和寫0xAD 必須發(fā)生在4 個時鐘周期之內(nèi)，否則禁止操作將被忽略。 在這個過程期間應(yīng)禁止中斷，以避免兩次寫操作之間有延時。

外部晶振設(shè)置

使用晶體或陶瓷諧振器作為MCU 的外部振蕩器源，應(yīng)選擇外部振蕩器頻率控制值（XFCN）。

當外部晶體振蕩器穩(wěn)定運行時， 晶體振蕩器有效標志（OSCXCN 寄存器中的XTLVLD）被硬件置‘1’。XTLVLD 檢測電路要求在允許振蕩器工作和檢測XTLVLD 之間至少有1 ms 的啟動時間，在外部振蕩器穩(wěn)定之前就切換到外部振蕩器可能導致不可預見的后果。 過程為：

允許外部振蕩器

等待至少1ms

查詢XTLVLD‘0’=>’1’

將系統(tǒng)時鐘切換到外部振蕩器

多路選擇開關(guān)設(shè)置

當多路選擇開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1 和XBR2 中外設(shè)的對應(yīng)允許位被設(shè)置為邏輯‘1’時，多路選擇開關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)。 如果一個數(shù)字外設(shè)的允許位不被設(shè)置為邏輯1，則其端口將不能通過器件的端口引腳被訪問。當選擇了串行通信外設(shè)，即SMBus、SPI 或UART 時，交叉開關(guān)將為所有相關(guān)功能分配引腳。

因為可編程增益放大器SFM004 的寄存器影響了多路選擇開關(guān)，所以它們通常在外設(shè)被配置前由系統(tǒng)的初始化代碼配置，一旦配置完畢將不再對其重新編程。

2.2 系統(tǒng)程序流程圖

經(jīng)過以上分析，主程序流程圖如圖3 所示。

圖3 主程序流程圖

中斷子程序流程圖和顯示子程序流程圖如圖4 所示。

圖4 動態(tài)顯示子程序流程圖和中斷子程序流程圖

3 結(jié)論

通過以上的設(shè)計和測試， 該毫伏表具有能夠?qū)︻l率為20Hz－1MHz、幅值為1MV－300V 的交變電壓進行測試。 并具有自動調(diào)零、自動過載報警、自動量程切換、自動單位換算、數(shù)碼顯示、體積小和操作方便等特點。 通過實踐測試該毫伏表設(shè)計性能可靠，達到實現(xiàn)資源最簡和高測量的性價比的目的。 與傳統(tǒng)的毫伏表相比靈敏度、精確度也大大改善。

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