智能数字交流毫伏表的设计与实现

智能数字交流毫伏表的设计与实现

张玘，周婷婷，扈啸

(国防科学技术大学三院，湖南长沙410073)

摘要：本文介绍了一种基于单片机和测量电压真有效值方案设计的智能数字交流毫伏表。它能精确测量任意波形的低频模拟周期信号并同时显示其有效值和分贝值。具有智能量程转换功能。

关键词：单片机数字毫伏表真有效值智能量程转换

The Design and Realization of Intelligent Digital AC

Millivoltmeter

Zhang Qi, Zhou Tingting, Hu Xiao

(National University of Defense Technology Department Three, Hunan Changsha 410073) Abstract：This paper introduces a kind of Intelligent Digital AC Millivoltmeter that is based on the Signal-chip Microcomputer and the design of voltage’s real virtual value measuring. It not only can measure discretionary low-frequency analog signals exactly, but also can show their virtual values and decibels synchronously, which has the intelligent selectiveness of measure. Key words：Signal-chip Microcomputer Digital Millivoltmeter Real Virtual Value Intelligent Selectiveness of Measure

1. 引言

在电气测量中，电压是一个很重要的参数。如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电测仪器研究的内容之一。目前所用的模拟电压表多为平均值检波，存在测量非正弦信号误差较大、测量小信号时漂移较大的问题，致使仪器灵敏度受到限制。本文讨论的智能数字交流毫伏表则采用积分式放大检波方案，从原理上克服了模拟电压表的缺陷。而且在具体设计和实现过程中有效地保证了仪器的灵敏度。

对于频率在10Hz～2MHz范围内的任意波形交流模拟信号，本文设计在实现传统模拟电压表的一般功能（单/双通道测量及显示）的基础上，还扩展了智能选择量程进行测量的功能，整个测压范围达到0.01mV～300V，灵敏度保证在10μV级。采用两块液晶可同时显示电压值、分贝值以及所需的其它字符，读数简单方便。液晶可显示的最大分辨率为0.01mV。

2. 系统设计

设计的硬件部分共包括衰减及放大、真有效值直流(RMS-DC)变换、模数转换、单片机控制、液晶显示及按键选择控制等五个主要组成部分。设计的总体思路是首先将滤波后的模拟信号通过衰减放大电路将电压值转换到RMS-DC变换器的工作电压范围内，然后让变换结果通过模数转换后直接进入单片机，经软件部分的相应处理后送液晶显示。若输入的被测

信号电压不在合适的量程之内，单片机经过判断后控制微型继电器对衰减放大电路作相应的调整，以实现仪器智能转换量程的功能，并起到了保护后续电路的作用。原理框图如图1：

图1 设计原理框图

3. 硬件设计

3.1 单片机的选择

本着尽量减少外围器件以简化电路降低成本的原则，这里选用PHILIPS的P87LPC764型OTP单片机。这是一种8051改进型MCU，可以提供4K字节OTP程存空间，128字节RAM。它不仅具备MCS-51系列已有的特点，同时增加了WDT看门狗、I2C总线，上电复位检测、欠压复位检测等其他功能，保证I/O口驱动电流达到20mA，运行速度为标准80C51的二倍，而且温度范围也达到工业级标准（－40～+85℃），单片机本身的可靠性即电磁兼容特性也极好，功耗很低。

3.2 衰减放大电路与量程转换

信号的衰减及放大由单片机I/O口通过微型继电器控制，与A/D配合，以实现量程的自动转换。若被测电压高于单片机此时设定的量程，单片机控制相应的继电器对信号衰减，反之则放大，保证输入RMS-DC变换器的信号不超过其工作电压范围，并尽量使RMS-DC 变换器工作在最佳状态，提高灵敏度。

3.3 RMS-DC变换器及模数转换

就精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间因素综合考虑，选用了AD 公司的RMS-DC变换器件AD637。它具有响应速度快，响应时间和信号幅度无关等特点。根据其特性曲线，AD637在输入电压在0.2V～2V范围内有最佳频率响应，故衰减放大电路的输出信号电压应控制在该范围内。

模数转换用带串行控制的10位模数转换器TLC1549来实现，它能对信号自动采样保持，总不可调整误差可控制在±1LSB Max内。这里通过TL431电压基准芯片提供外加参考电平V ref+～V ref-；转换范围V cc～0V，经过校准即可确定具体数值。三线控制（CS、DATA、CLK）。

TLC1549的输入信号为10Hz～1MHz的正弦波。但由于前端采用AD637处理，被测信号可以是任意波形。

3.4 显示部分设计

液晶可显示3位带负号小数点的8位字段。显示有效值和分贝值格式如下

有效值：“3位半数字（可带小数点）”＋“mV/V”

分贝值：“负号”＋“3位数字（可带小数点）”＋“dB”

单路时一块液晶显示有效值，另一块显示分贝值。双路测量显示有效值、分贝值可交替显示。

4.软件设计

软件设计主要完成三部分工作：进行数据处理（取均值去粗差）、控制继电器实现量程自动转换，以及显示电压有效值、计算和显示电压分贝值。