低频电压真有效值测量系统正文

11绪论在科学研究和生产实践中，会遇到大量的非正弦波。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。传统测量仪表采用的是平均值转换法来对其进行测量，但这种方法存在着较大的理论误差。为了实现对交流信号电压有效值的精密测量，并使之不受被测波形的限制，可以采用真有效值(TrueRootMeanSquare，TRMS)转换技术，亦称为真均方根值。在电气测量中，本文讨论的低频电压真有效值测量系统，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。近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制日新月异更新。在实时监测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用。电子计算机的飞跃进步，单片机的普及与推广，为电压测量系统智能化做出了贡献。作为重要的测量工具，真有效值测量系统的发展可以说见证了现代工业的发展和科技进步。从传统的模拟多用表，到现在精确度和灵敏度越来越高的数字仪表，多用表的发展可谓是日新月异。目前的有效值测量系统的设计大概可以分为以下几类：（1）基于单片机的数字有效值测量系统，这类系统中，最有代表性的是89C51系列的。由于8位机在价格和性能方面的优点，这类系统可以说是越来越成熟，并且能根据不同的场合选用不同的核心芯片来满足实际的要求。（2）将传统测量方法和现代数字化测量方法有机结合起来，能适用于工频交流电特征，同时也能适用于非工频电参数测量，以提高通用性。在这类系统中，由单片机实现测量控制、数据分析处理、显示和量程自动转化等功能；由CPLD器件和高速A/D芯片组成双通道高速同步数据采集电路，由锁相倍频电路实现周期内均匀等样间隔。在电子测量技术和自动控制系统中,通常要测量正弦波、矩形波、三角波等波形的交变电压有效值和微弱信号中的噪声,尤其在随机过程测量中,只要能准确测出各个窄频带内与被测波形无关的有效值,就可以得到该随机过程的功率谱密度函数,进行频谱分析和过程控制,而且电压有效值也是电力系统中一个十分重要的参数。因此,交流真有效值的测量是电测领域内一个重要的研究课题。目前,虽然一些数字式电压表和智能仪器具有真有效值的测量功能,但结构复杂,价格昂贵;而数字万用表虽然价格低廉,但大多仅能测量正弦电压的有效值,且准确度不太高,频率范围不大。本文介绍的测量电路,结构简单,价格低廉,精度较高,频率范围较宽,波形适应性强。22总体方案设计方案一：利用单片机控制A/D对一个周期内的信号进行连续多点采样，然后通过编写单片机程序在软件中根据有效值计算公式，利用傅里叶变换等算法积分求平均得到有效值并且通过数码管显示。被测信号方案二：采用专用有效值检测芯片如AD736直接将交流信号转换为直流有效值信号，然后通过A/D转换器AD0808进行采样处理，最后经由单片机控制数码管显示输出。方案一软件算法过于复杂，编程难度较大，而方案二软硬件都较简单，故设计中选用方案二。被测交流信号VinA/D采样单片机控制LED显示被测交流信号Vin真有效值转换AD转换单片机控制LED显示33单元模块设计系统总体框图：系统主要由真有效值转换模块、AD0808采样处理模块、单片机处理模块、LED显示模块组成。3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1真有效值转换模块真有效值转换模块采用的芯片是AD736，AD736是AD公司推出的真有效值直流变换器。和以往的有效值测量技术不同，真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真实有效值，它不是采用整流加平均测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术。采用AD736可以简化仪器的设计，增加信号测量品种，并且灵敏度、精确度也大大改善。系统的核心是测量交流电压的有效值，因此有效值测量的精度将直接影响系统最终的精度。该器件是按有效值隐含运算而设计，能计算任意复杂波形的高精度真有效值--直流转换器件，其精度优于0.3%，波峰因素≤5，相对稳定时间快，是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。AD736有效值测量原理如下:一个交变信号的有效值定义为TTRMSdttVV021)]([（1）这里，RMSV为信号的有效值，T为测量时间，)(tV是一个时间的函数，但不一定是周期性的。对等式两边进行平方得：dttVVTTRMS021)]([2（2）右边的积分项可以用一个平均来近似TdttVTtVAvg022)]([1)]([（3）这样式（2）可以简化为：被测交流信号Vin真有效值转换AD736AD0808采样处理单片机处理LED显示4)]([22tVAvgVRMS（4）等式两边除以RMSV得：RMSRMSVtVAvgV)]([2（5）这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础。AD736也是采用的这一原理。图中CC为低阻抗输入端耦合电容一般取值为10～20uF；CF为输出端滤波电容一般取10uF；CAV为平均电容，它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接影响到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选33uF。设计电路：图3.1.1.1真有效值转换模块因为本次设计要求测量的是-10V——+10的低频信号，而AD736主要用于便携测试仪表，它的静态功耗电流小于200µA,可接受的信号有效值为0～200mV,但如加上衰减器，可增大测量范围。同时我们知道，AD0808与单片机能接受的电压信号约为5V,。可先通过一个衰减模块将信号先衰减50倍送入AD736，从AD736出来后将信号放大25倍，然后在经过单片机的程序处理将衰减的两倍弥补，最终正确的显示在LED上。5图3.1.1.2衰减、放大器电路3.1.2AD采样处理模块本模块使用了AD0808，其主要作用是将模拟信号转化为数字信号，经过转换单片机可以对信号经行处理，最后实现对测量信号的显示。AD0808需要NE555提供时钟信号才能正常工作。图3.1.2AD0808采样处理3.1.3单片机处理模块本次设计的单片机处理模块功能主要是对衰减了两倍的数据进行放大处理以及使测量数据正确的显示在LED数码管上。6图3.1.3单片机处理模块3.1.4LED显示模块本模块主要实现测量数据的显示设计本模块主要注意应加一个上拉电阻在P1口。图3.1.4LED显示73.1.5稳压电源电路模块本文的设计采用了稳压电源电路，将220V交流电压转变为15V和5V，来满足系统设计中的供电需要。图3.1.5稳压电源电路3.2电路元器件的选择本次设计选用了真有效值转换芯片AD736对不同波形信号的电压真有效值转换，该器件是按有效值隐含运算而设计，能计算任意复杂波形的高精度真有效值--直流转换器件，其精度优于0.3%，波峰因素≤5，相对稳定时间快，是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。选择了ADC0808来对模拟信号进行采样变换后成为数字信号，ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。单片机选用了我们熟悉的51单片机，51单片机使用广泛，功能强大，同时我们学习时是由51单片机来讲解的，便于我们更好地进行电路设计和程序的编写。数码管选择了7SEG-MPX4-CC四个共阴二极管显示器，因为单片机I/O输出的电流过小不足以驱动数码管，加上拉电阻可以解决这个问题。1234Vin1GND2Vout37805Vin2Vout3GND17905+5V-5V220VTRANS50.33uF0.33uF1uF1uF10V18V1234Vin1GND2Vout37815Vin2Vout3GND17915+15V-15V0.33uF0.33uF1uF1uF270500....83.3特殊器件的介绍3.3.1AT89C51单片机引脚结构与功能图3.3.1AT89C51单片机主要特性：（1）与MCS-51兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器（3）寿命：1000写/擦循环数据保留时间10年（4）全静态工作：0Hz-24Hz（5）三级程序存储器锁定（6）128*8位内部RAM（7）32可编程I/O线（8）两个16位定时器/计数器（9）5个中断源（10）可编程串行通道(11)低功耗的闲置和掉电模式(12)片内振荡器和时钟电路管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。9P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两10次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为