交流數(shù)字電壓表設計
2021-11-23 18:20:05|
來源：網(wǎng)絡 作者：
傳統(tǒng)的電壓表在測量電壓時需要手動切換量程，不僅不方便，而且要求不能超過該量程。如果在測量時忘記改變量程，則會出現(xiàn)很大的測量誤差，甚至有將電壓表燒壞的可能。本文中采用運算放大器和集成多路模擬開關電路設計了電壓表量程自動切換技術，通過單片機檢測可實現(xiàn)電壓表量程的自動轉(zhuǎn)換。它具有體積小，驅(qū)動電流小，動作快，結(jié)構簡單，操作方便的優(yōu)點，可用于實驗教學中。1 技術要求電壓測量范圍：0～500 V；測量精度：0．5％；量程自動切換；采用LED顯示；可用現(xiàn)場提供的220 V交流電源。2 基本原理基本原理如圖1所示，信號經(jīng)過衰減處理后通過采樣保持器采樣保持，由A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由單片機控制和計算后將結(jié)果送LED顯示。量程的自動切換由單片機通過程序控制多路模擬開關來完成。由于要求采用現(xiàn)場的220 V交流電源，所以本文設計了電源電路，將220 V交流電轉(zhuǎn)換成電路可用的低壓直流電。3 硬件系統(tǒng)設計在硬件電路設計中多次采用了電容濾波來消除干擾信號，同時采用了跟隨器，跟隨器的輸入阻抗很大，可以解決信號傳輸中的衰減問題。又考慮到單片機的驅(qū)動能力很小，在設計中加入了7407用來驅(qū)動LED顯示。整個硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)電壓信號衰減電路：將輸人的0～500 V被測電壓信號衰減成0～5 V。(2)量程自動切換電路：完成信號量程選擇及其小數(shù)點位置選擇。(3)采樣保持器：對模擬信號進行采樣并保持。(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路：完成對采集的數(shù)據(jù)處理和對系統(tǒng)的控制。(5)顯示器：由74LS164和數(shù)碼管組成，將測量的電壓信號顯示出來。(6)整流電路：將交流電整流成直流電，作為電源給數(shù)字電壓表供電。3．1 電壓信號衰減電路電壓信號衰減電路如圖2所示。為了在輸入大電壓時不損壞電壓表內(nèi)部器件先對電壓進行衰減，該設計中用阻抗進行1：100衰減，為防止衰減后信號電壓過小又通過運算放大電路以及多路開關CD4052進行信號放大，其中的5．1 V穩(wěn)壓管起過壓保護作用。3．2 量程自動切換電路量程的自動切換由初設量程開始，直至選出最佳的量程為止。量程自動切換電路如圖3所示，控制開關的閉合和斷開都有一個短暫的過程，為解決這個問題系統(tǒng)中采用軟件延時，然后再進行測量與判斷。為了避免相鄰兩量程交叉點上可能出現(xiàn)的跳動，在程序中把低量程的上限比較值和高量程的下限比較值之間設計了一定的重疊范圍。該單元中運算放大器與多路模擬開關CD4052的其中一組開關執(zhí)行相應量程的選擇，另一組開關接LED的小數(shù)點，選擇不同量程時分別點亮相應LED的小數(shù)點位。CD4052的A、B以及INH分別接單片機P21，P20，P22。3．3 采樣保持器在測量交流電壓時，A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差與信號的頻率成正比。為了提高模擬量輸入的頻率范圍，故選用采樣保持器。在此設計中采用LF398作采樣保持器，采樣保持器的原理結(jié)構圖如圖4所示，保持電容Cn取值和采樣頻率以及精度有關，常選510～1 000 pF。一般選用聚苯乙烯，聚四氟乙烯等高質(zhì)量的電容器。3．4 A／D轉(zhuǎn)換電路A／D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件或裝置，是一種模擬系統(tǒng)和計算機之間的接口，在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。常用的A／D轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，考慮到前者轉(zhuǎn)換時間短，因此選用逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器。AD574為12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，分辨率為1／212，轉(zhuǎn)換時間25μs。在本系統(tǒng)中的量程選用雙極性-5～+5 V，與AT89C51的接口電路如圖5所示。AD574的12／8引腳接+5 V，一次輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，3，5腳分別接至單片機控制總線的P3．1，P3．2，CE接單片機P3．0，狀態(tài)引腳(STATUS)接單片機的P1．7。AD574的12引腳和10引腳接兩個0．1 kΩ的電位器，分別用于零點調(diào)整和滿刻度調(diào)整。AD574的數(shù)據(jù)輸出線與單片機數(shù)據(jù)總線的連接時，12位分別接單片機的P0．0～P0．7和P1．0～P1．3。
標簽： 交流數(shù)字電壓表測量電
