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基于STC89C52的高精度宽频带数显毫伏表的设计

2012-9-28 08:41| 发布者: 闪电| 查看: 1593| 评论: 0

摘要: 设计了基于STC89C52微控制器的数显毫伏表,运用AD811、CD5406集成器件构成程控放大器,采用AD637、MAX187进行RMS-DC变换和模数转换,简化了系统设计的复杂性,提高了系统的抗干扰能力和测量精度,具有量程自动变换和 ...

 

 在电量的测量中,电压、电流和频率是最基本的三个被测量,其中,电压量的测量最为普遍。而且随着电子技术的发展,更需要测量微弱电压信号,所以毫伏电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数显毫伏表采用单片机控制技术,集模拟与数字技术于一体,是一种通用型智能化的数字交流毫伏表,一般具备自动/手动测量功能,能显示量程和挡位状态,但是,由于测量频带窄、精度低、抗干扰能力差,应用受到一定的限制[1]。
 本设计的数显毫伏表具有测量频带宽、精度高、反应速度快、输入阻抗高、频率影响误差小、读数方便、使用便捷等优点,可测电压范围为1 V以下,最高分辨率可达0.001 mV,且可以实现量程自动转换,具有广阔的市场应用前景。
1 系统硬件设计[2-4]
 本系统包括增益放大器、量程变换器、RMS-DC变换器、模数转换器、微控制器、LCD显示器6个主要组成部分,系统硬件框图如图1所示。

首先将待测信号源的电压值通过增益放大器转换到RMS-DC变换器输入信号电压范围内,再将RMS-DC变换器的输出信号接到模数转换器的输入端,转换后的数字信号以串行方式输入给微控制器,经软件处理后送液晶显示器显示测量结果。若输入的待测信号电压不在合适的量程之内,微控制器经过判断后,输出相应的控制信号,通过量程变换器,调整增益放大器的增益,以实现毫伏表量程自动转换的功能。
1.1 微控制器
 本系统采用STC89C52单片机作为系统控制器。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有1 KB RAM、64 KB片内Flash程序存储器;具有在应用可编程(IAP)、在系统可编程(ISP)功能;具有3个16位定时器/计数器,而且额外提供了一个可以无须CPU参与、独立工作的可编程计数器阵列(PCA),具有PWM的捕获/比较功能; 具有4个8位I/O口;具有可编程看门狗定时器(WDT)、掉电检测和低功耗模式等功能。另外STC89C52在8051基础上增加了上电复位、软件复位、欠压检测与复位等多个复位功能,以提高单片机的抗干扰能力。
 基于STC89C52单片机的性能及特点,将X1、X2外接12 MHz晶振,使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡,产生时钟信号;RESET外接复位按键,复位后P0~P3口均置1,引脚为高电平,程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。
 将P0口与LCD显示器8位数据线(D0~D7)相连;P1口中Pin1~Pin3分别接 A/D转换电路的时钟信号(SCLK)、片选信号(CS)、数字输出信号(DOUT),Pin4~Pin6分别接LCD显示器数据/命令选择端(RS)、读/写选择端(R/W)、使能信号(E);P2口中Pin21~Pin23分别接CD4051多路转换器的3个二进控制输入端 A、B、C;P3口(Pin10~Pin17)是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,本系统设计中,这8个引脚用于专门的第二功能。
1.2 增益放大器
信号的放大由STC89C52单片机P2口通过模拟开关控制,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,单片机控制模拟开关地址端对信号分档,保证输入到RMS-DC变换器的信号不超过其工作电压范围,尽量使RMS-DC变换器工作在最佳状态,提高灵敏度。量程分为:0~10 mV,10~100 mV,100~1 000 mV,共计三档。
增益放大电路如图2所示,由3片AD811运算放大器级联构成。AD811运算放大器是美国ADI公司推出的一种视频运算放大器,具有高速、高频、宽频带、低噪声等特性,内部具有电流反馈结构。设计要求的闭环增益与闭环带宽可以通过改变电阻RFB(图中引脚2、6之间的电阻)和RG(图中引脚2与接地端之间的电阻)来获得。图2中,当RFB=562 Ω,RG=562 Ω时,-3 dB带宽与闭环增益分别为80 MHz、2倍;当RFB=442 Ω,RG=48.7 Ω时,-3 dB带宽与闭环增益分别为65 MHz、10倍。

1.3 量程变换器
  量程变换器采用8通道数字控制模拟电子开关CD4051,该器件有3个控制输入端 A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。当INH=1时,所有通道截止。当CBA=000时,输入端X0导通,输入信号放大200倍,对应量程为0~10 mV;当CBA=001时,输入端X1导通,输入信号放大20倍, 对应量程为10~100 mV;当CBA=010时,输入端X2导通,输入信号放大2倍, 对应量程为100~1 000 mV。CD4051输出端(X)接RMS-DC变换器的输入端(Vin)。
1.4 RMS-DC变换器
从精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间等因素综合考虑,选用了ADI公司的RMS-DC变换器件AD637。AD637属于高准确度的单片真有效值/直流转换器,在±3 dB附加误差的条件下,输入1 000 mV(RMS)时频率上限达5 MHz。内部有独立的缓冲放大器,既可作输入缓冲器用,亦可构成有源滤波器来减少纹波,提高测量的准确度;输入端有电压保护电路,即使Vin超过电源电压,一般也不会损坏芯片。
 有效值/直流变换电路如图3所示,直流电压输出端(V)与A/D转换器输入端(AIN)相连,转换后的直流信号送入A/D转换电路进行A/D转换。根据AD637其特性曲线,输入电压在0.2 V~2 V范围内有最佳频率响应,放大电路的输出信号电压应控制在该范围内。


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