搜索
简易数字显示交流毫伏表摘要：本系统由STM32核心板，ADS1115为A/D转换和AD637为真有效值转换构成，前级使用阻容分压衰减的方式，可实现具有自动量程转换功能的真有效值测量、可实现超测量范围自动报警，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≥1M,C100pF），宽频带范围（10HZ-1MHZ）,宽电压范围（30mV-20V）,有效值精度≤5%，达到设定的目标性能。1.方案设计1.1设计要求设计并制作一个简易数字显示的交流毫伏表，示意图如图1所示。图1简易数字显示交流毫伏表示意图1.1.1基本要求(1)测量电压的频率范围50Hz～500KHz,显示频率。(2)测量电压范围100mV～20V（可分多档量程）。交流毫伏表数字显示稳压电源5v被测输入电压(3)电压测量误差±5%。(4)要求被测电压数字显示。(5)具有超量程自动闪烁功能。1.1.2发挥部分(1)将测量电压的频率范围扩展为10Hz～1MHz。(2)交流毫伏表具有自动量程转换功能。(3)其他功能（创新性）。1.2系统基本方案及流程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、以及标准正弦波产生电路三部分。其中前两者构成一个测量系统，后者是个信号源系统，也可作为校准测量系统使用。测量系统包括：前级衰减模块，信号调理模块、A/D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、电源模块等。前级衰减模块：由于测量的是交流信号，单纯使用电阻分压由于分布电容的影响达不到理想的效果，所以采用阻容分压的方式进行信号衰减。信号调理：继电器选挡，加上运放信号的跟随，送到后级电路处理。频率测量：使用OOPA358进行信号的放大比较，将正弦信号整形为方波信号，信号输出比较满意，能够达到测量精度的要求。真有效值转换模块：采用AD637的真有效值转换，将输入的交流信号转换为直流输出，测量范围是100mv到2V通过前级的变挡处理能达到设计要求。核心板：采用STM32F103系列的单片机，处理速度很快，比较适合本设计采用。辅助模块：按键输入控制档位自动切换还是手动，蜂鸣器和LED灯实现电压测量的超范围报警。图2.程序流程图2.前级档位选择采用电阻分压的方式对输入信号进行不同比例的衰减，分为1/1,1/4,1/10，三个档位。档位选择的硬件实现采用单片机控制继电器的选挡方式，其次是并联三个选挡开关进行手动选挡。开始初始化检测信号输入手动或自动换挡报警并切断输入信号是否超量程是否最佳档位结束，等待重启显示频率检测AC采样是否是否是否图3.前级选挡图3.软件设计该系统的核心采用STM32单片机作为核心控制器，主要用来驱动AD转换芯片，和液晶显示器，外中断进行频率测量，以及按键接口对系统进行交互设置。同时通过IO控制寄存器控制继电器，进行自动选挡，输出超量程报警。图4.AD采样和超量程报警图5.核心处理器4.显示设计显示器采用12864液晶显示，可显示当前测得的交流电压有效值，显示当前交流电的频率，统计当前交流毫伏表的信息,显示报警状态，设置系统状态时的人机交互接口。图6.液晶显示5.系统测试5.1有效值测量由于交流电压的测量不同于直流电压的测量，我们采用将交流电压通过运放构成的线性检波器，将交流电压转换成脉动的直流电压，避开交流电压的副半周。取出输出信号送入到有源滤波电路，通过运放的频率选通特性滤除信号的交流成分，剩下直流信号，将脉动的直流信号变为比较平滑的直流电信号，然后通过放大或衰减信号送到AD采样中进行转换。采样转换完成后通过单片机进行软件处理，最后通过液晶显示器显示出来。5.2频率测量通过前级档位开关，将合适大小的信号选入到频率测量的前端，然后对信号进行适当的幅度改变，然后将信号送入到信号比较器，将争先信号整形为方波信号，将方波信号进行适当的频率分频，然后将信号送到单片机的外中断，通过单片机在特定的阀门时间内对信号脉冲个数计数，得到的计数个数，除以阀门时间得到的就是信号的频率大小。精度测试：档位幅度频率精度2V30mV-200mV10Hz-1MHz±2mV2V200mV-1.99V10Hz-1MHz±1%8V1.99V-4.5V10Hz-500KHz±2%8V1.99V-4.5V500KHz-1MHz±5%8V4.5V-7V10Hz-500KHz±3%8V4.5V-7V500KHz-1MHz±5%20V3V-7V10Hz-500KHz±3%20V3V-7V500KHz-1MHz±5%7.总结本系统达到设定的预定目标并有达到部分发挥部分，对电压实施监控，超出设定预警值并报警，并可以对频率大小预警。本系统是实现集有效值测量、频率测量、信号发生于一体的多方位系统，而且部分性能指标超过了题目发挥部分的要求。在本次设计的过程中，我们遇到了许多突发事件和各种困难。由于模拟器件对外部电磁干扰反应太过明显，设计和调试曾一度陷入中断，但通过团队的仔细分析和自我调整状态后我们终于解决了所有问题，取得了圆满的结果。经过此次电子大赛让我们对模拟电路的设计、调试有了深刻的印象，同时也深刻的体会到了共同协作和团队精神的重要性，提高了我们解决问题的能力。参考文献【1】张永瑞，电子测量技术基础（第二版），西安电子科技大学出版社【2】谭浩强，C语言程序设计（第四版），清华大学出版社【3】刘火良，杨森，STM32库开发实战指南，机械工业出版社【4】刘百芬张利华，信号与系统，人民邮电出版社教材