电压信号采集

电压信号采集方案设计
叶云云
摘要: 电压信号采集电路是电子系统中常用到的功能模块，该电路设计分三个模块:数据采集、数据处理和显示模块。

数据信号采集采用运算放大器0P07构成电压跟随器对信号进行跟随处理，再由采样/保持器LF398对信号进行采样/保持。

高电平，采样；低电平，保持。

采样控制信号由集成锁相环CD4046对被测信号进行64倍频产生。

关键词: 电压跟随器采样/保持器 A/D转换锁相环电路 LED显示
1.方案设计
采用89C51单片机来实现。

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。

单片机系统可用数码管显示测量值。

对于电压信号采样用OP07电压跟随器和LF398数据保持器进行预处。

在测量工频交流电压信号时，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制89C51对电压信号的相位测量。

采用以89C51为核心的单片机系统使整体结构简单，并且可以实现显示、打印、与微机通信等功能，大大提高了系统的智能化程度，同时系统所测结果的精度很高。

系统
图1 系统整体框图
2.模块电路设计与比较
2.1 数据采集模块
数据采集模块包括：电压跟随电路，信号采样/保持电路，A/D转换电路。

2.1.1 电压跟随电路：由OP07构成，虽然精确度不够高，但它能提高带负载能力，硬件电
路简单，也不需软件控制，所以本设计采用了此方案。

输入信号是0～5V交流电压信号，输出信号不变。

f(t) f(t)
t
t
图2 电压跟随电路
2.1.2 信号采样/保持电路
采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。

在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；
3所示：
图3 信号采样/保持电路
失调电压的调整是通过与V＋的分压并调整1KΩ电位器实现的。

保持电容CH应选用300～1000PF的高性能低漏电云母电容器。

控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。

本设计采用此种连接方法。

2.1.3 A/D转换电路
利用ADC0809完成A/D转换功能。

输入的是LF398输出的抽样信号，经过ADC0809内部的量化编码，以数字信号的形式输出。

本设计中ADC0809与8051单片机的接口方案如图4所示
图4 ADC0809与8051单片机的接口
由于ADC0809片内无时钟产生电路，可利用8051提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。

ADC0809具有三态数据输出，其8位数据线直接与CPU数据总线相连，地址译码线A、B、C共同接地，只选通IN0通路。

将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号WR/和P27控制ADC0809的地址锁存和转换启动。

由于AIE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行A/D转换。

再读取转换结果时，用单片机的读信号RD/和P27给一级或非门形成的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。

由原理图可知，P27与ADC0809的ALE、START和OE之间有如下关系：
可见，P 2.7应设置为低电平。

由硬件线路分析可知：在编写软件时应令P 2.7=A 15=0;给出被选择的模拟通道地址；执行一条输出指令，启动A/D 转换。

执行一条输入指令，读取转换结果。

2.2单片机系统数据处理模块
包括：过零检测电路，锁相环倍频电路，数据处理转换电路。

2.2.1. 过零检测电路
由TL082构成同相检零器，如图5所示。

当输入信号高于0 V 时，输出高电平；当输入信号低于0V 时，输出低电平。

作用：给CD4046提供方波信号。

图5 过零检测电路
2.2.2.锁相环倍频电路
为了保证信号采样的精度,要对信号进行等时间间隔采样。

其间隔时间就是采样周期。

从理论和理想情况来看，如认为信号频率是固定不变的，则采样周期也固定不变，但实际系统中，工频信号频率经常会发生变动，假设信号频率减小时，如仍以原频率时的理论采样间隔对信号采样，会造成信号的一个周期中前一段是以理论间隔被采样（以采64个点为例），如果采满了64个点，造成信号后一部分没有被采到，如图所示。

而当信号频率增大时，则一个周期采不到64个点，如图9所示。

所以频率变化会引起采样失真，从而影响测量的精度。

在实际中，必须保持采样间隔随信号频率的波动而发生相应的变化，即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样。

采用锁相环电路直接实现。

用锁相环把信号的频率通过计数器进行64倍频，从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲，利用此脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动ADC0809进行转换，实现高速数据采集。

这种方案实施简单，而且可靠性高，简化了软件的设计。

本设计采用了此种方案。

电路如图6所示：
图6 锁相环倍频电路
()
7
.2P W R START ALE +==()
7
.2P RD OE +=
电路主要包括相位比较器I 和II 、压控振荡器VCO 、线性放大及整形电路A1,令需外接阻容元件构成低通滤波器。

现对基本工作过程作一简介。

输入信号Vi 从14脚输入后，经过A1进行放大和整形，加至相位比较器I 和II 的输入端。

图中将开关S 拨到第2脚，相位比较器I 就把从第3脚输入的比较信号与输入信号Vi 进行相位比较，由第2脚输出的误差电压V 即反映出二者的相位差。

V 经过由R 3、R 4、C 2组成的低通滤波器滤除高频之后，就得到控制电压V d ,加至VCO 的输入端来调整其震荡频率，使f 2迅速逼近于Nf 1。

VCO 的输出在经除法器进行N 分频后，送至相位比较器I ，继续与Vi 进行相位比较，最后使f 2’
=f 1 ，二者的相位差为一恒定值，实现了锁相。

需要指出，由f 2’
=f 2/N=f 1, 很容易推导出f 2=Nf 1。

这表明，尽管从局部上看使用出发器完成的是N 分频，但就锁相环整体而言则实现了N 被频。

因此，利用锁相环可以构成N 被频器，N 是除法器的分频系数。

在本设计中N=64,则1264f f =。

即从CD4046的4脚输出的信号频率是14脚输入信号频率的64倍。

2.2.
3.数据处理转换电路
本设计采用ADC0809和片外6264RAM 与单片机一起构成数据处理转换电路。

2.3显示模块
由译码器/驱动器7447，NPN 型三极管和四位共阳极数码管构成。

三极管的发射极作数码管的片选信号。

高电平选通；7447的输出作数码管的段选信号，低电平点亮。

显示值为有效值。

3.系统实现及理论分析 3.1数据采集部分
电压信号的放大电路：由于电压信号有效值为0～5V ，最大峰-峰值为7.07V ，超过了ADC0809的量程，因而在数据保持器LF398的输出加两个稳压二极管，能够避免电压发生异常时对ADC0809造成损害，从而保证了ADC0809的正常工作。

3.2数据处理部分
交流电压有效值的计算分析 对交流工频信号的采集，一般是以其有效值进行计量，其计算公式为
()()⎰=
T
dt t u T U 0
2/1 其中T 为信号周期
()()⎰=T
dt t u T U 0
2/12
令T U F 2=,
()()t u t f 2= ,则
()dt T
t f F ⎰=0
由于在计算机采集系统中()t U 和()t f 都是一些离散点的数值，故采用数值积分的方法，将函数分解为离散值之和，即
()()()[]EN f f f f f f f f h F +++⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅+++=64624226331403/
其中余项 ()()ζ490/5
f
nh EN ⎪⎭
⎫ ⎝⎛= T <<ζ
上式中，()n T h 2/=为采样间隔；2/N n =,N 为每周期采样点数。

理论上电压为正弦信号，但当电压发生波动时，以三次谐波影响最大，因此可以认为电压波形为
基波和三次谐波之和，即
()t U t U t u ωω3cos 3cos 1+=
设在最严重情况，令U U U ==31,则()
4
2
4m ax 928ωU
f =,AD0809采用±5V 满量程，因此可认为
U=5V ，则︱EN ︱=2.3×10-5
V,因此在每周期采集64点时，其余项部分为23uV,远小于AD0809的最低分辨率2.4mV,采集精度完全满足要求。

数据采集部分P 2.5口控制采样保持器，P 2.5口置“0”，采样保持器关闭；置“1”采样保持器打开。

INT1接收锁相环倍频电路的输出信号。

4.电路调试 4.1调试方法和过程
采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，提高调试的效率。

4.1.1据采集模块的调试 将OP07的输入与函数信号发生器输出相联，用万用表测试输入、输出电压，再调节函数信号发生器的输出，用万用表测试输入、输出电压是否正确；数据保持器LF398的管脚8则用单片机的P 2.5口来控制，并用示波器观察波形。

调试结果显示，模块可以正常工作。

4.1.2.信号频率倍增模块调试 将函数信号发生器的输出与锁相环倍频电路的输入相联，调节函数信号发生器的输出频率，用示波器观察锁相环倍频电路的输出频率。

经检验，锁相环能够正常工作。

4.1.3.A/D 转换模块调试 因系统软件较大，不适合用来调试A/D 转换模块，故编制了一简单程序进行测试，并用示波器监视几个控制信号（如片选、启动）是否正确。

通过这种方法使A/D 转换电路很快便能正常工作。

4.1.4.显示模块调试 将显示模块与仿真机相联，编制一简单程序进行调试，并观察显示数码管的变化是否正确。

通过这种方法可以看出显示模块能够正常工作。

各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调好的各模块连接在一起，用函数信号发生器模拟交流电压输入，先用仿真机代替80C51单片机进行模拟调试，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线和地址线也进行检测。

调试成功后再将程序写到单片机中进行调试。

由于本人能力有限，程序编写有错误，故整个系统不能够正常工作。

4.2测试仪器
PC 机，32M 内存 双路稳压电源 仿真机 示波器 数字万用表 函数信号发生器/计数器
参 考 文 献
[1] 杨振江， 蔡德芳.《新型集成电路使用指南与典型应用》[M] 西安： 西安电子科技大学出版社 1998年 10月
[2] 杨振江《A/D 、D/A 转换器接口技术与实用线路》[M] 西安： 西安电子科技大学出版社 1996年
[3] 沙占友等《新编实用数字化测量技术》 [M] 北京： 国防工业出版社 1998年 1月
[4] 李广弟，朱月秀，王秀山.《单片机基础》[M] 北京：北京航空航天大学出版社 2001年 7月。