简易数字显示交流毫伏表的设计

学号：2011-2012学年第1学期《单片机课程设计》课程设计报告题目：简易数字显示交流毫伏表的设计专业：通信工程班级：姓名：指导教师：成绩：电气工程系2011年12月20日课程设计任务书一．设计目的设计并制作一个简易数字显示的交流毫伏表二、设计任务由高级模拟器件、CPLD，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。采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）编写代码实现频率计数功能。设计制作一台可数字显示的交流毫伏表。三、具体要求1、电压测量2、测量电压的频率范围100Hz～500KHz。3、测量电压范围100mV～100V（可分多档量程）。4、要求被测电压数字显示。5、电压测量误差±5%±2个字。6、输入阻抗≥1MΩ，输入电容≤50pF（本项可不做测试，在电路设计中给予保证）7、具有超量程自动闪烁功能。8、输出功能：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10Hz～200KHz。d.输出电压频率可预置。e.输出电压频率误差≤±5%。9、设计并制作该仪表所需要的直流稳压电源。摘要本系统分电压测量和信号产生输出两大部分，电压测量部分以模拟电路为主，配合放大模块、A/D转化模块、显示模块；通过凌阳单片机进行数据处理，在误差允许范围内显示测量电压值。本系统由高级模拟器件、CPLD，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（R≥2M,C2.5pF），宽频带范围（10HZ-5MHZ）,宽电压范围（1mV-250V）,高精度（有效值≤１％，频率10-6）的优越性能。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目录正文..........................................................11.系统基本方案及框图.........................................11.1各模块方案.................................................12.系统的硬件设计与实现........................................12.1系统硬件的基本组成概述.....................................22.2有效值测量单元电路的设计...................................22.2.1有效值转换电路总揽.......................................22.2.2高频放大级...............................................22.2.3真有效值转换.............................................22.3等精度频率计电路设计.......................................32.4电源电路设计..............................................43.系统的软件设计..............................................43.1程序流程图.................................................43.1.1电压频率测量系统程序流程图...............................43.2程序核心简介...............................................53.2.1自动量程转换程序.........................................54.系统测试....................................................64.1测试仪器...................................................64.2指标测试...................................................64.2.1真有效值测试..............................................64.2.2频率测试..................................................74.3系统实现的功能..............................................85总结..........................................................8参考文献.......................................................8附录............................................................9评语表.........................................................11正文1.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。其中前两者构成一个测量系统。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。图-3所示。图-3测量系统框图1.1各模块方案（1）有效值测量部分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。2.系统的硬件设计与实现2.1系统硬件的基本组成概述MSP430F149键盘LCD显示可编程信号放大器AD603高阻抗缓冲器保护电路交流真有效值转换AD63712位A/D转换信号输入频率测量CPLD波形整形D/A转换DAC0832电源串口到PC机本系统由电源、保护电路、分压跟随、信号放大、信号真有效值转换、A/D、D/A、CPLD频率测试、算法控制器、键盘、显示、语音播报、打印、电源等十几个模块组成。各部分紧密联系，形成了一套完善的测量系统。2.2有效值测量单元电路的设计2.2.1有效值转换电路总揽此部分为交流毫伏表的主要构成部分，负责输入信号的处理以及测量。为此可分为分压网络，输入缓冲级，高频放大级以及测量级。2.2.2高频放大级经过分压后的信号一般是比较微弱的，还不能直接去进行真有效值转换，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。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，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：12345678GNDINU5AD603AQ104C23Cap104C34Cap105C16Cap105C39Cap+5-5104C28Cap105C26Cap100uFC19CapPol112345678GNDINU6AD603AQ104C24Cap104C35Cap105C17Cap105C40Cap+5-5104C29Cap105C27Cap100uFC20CapPol1326741,5,8U3AD811ANVCC104C25Cap105C18CapVEE104C38Cap105C43Cap10KR17Res2105C31Cap10R14Res2102C32Cap560R12Res2560R11Res2GPOSGNEG图-8高频放大原理图2.2.3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=Avg[V2（t）](4)等式两边除以VRMS得：VRMS={Avg[]V2(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。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3.1程序流程图3.1.1电压频率测量系统程序流程图图-17控制程序流程图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。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-20频率计测控时序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4.2.1真有效值测试这里列出了在1.000V下的频率响应和在1kHz下的幅值响应，以供参考。详频率响应测试：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%81kH