电压信号采集

电压信号采集方案设计叶云云摘要:电压信号采集电路是电子系统中常用到的功能模块，该电路设计分三个模块:数据采集、数据处理和显示模块。数据信号采集采用运算放大器0P07构成电压跟随器对信号进行跟随处理，再由采样/保持器LF398对信号进行采样/保持。高电平，采样；低电平，保持。采样控制信号由集成锁相环CD4046对被测信号进行64倍频产生。关键词:电压跟随器采样/保持器A/D转换锁相环电路LED显示1.方案设计采用89C51单片机来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示测量值。对于电压信号采样用OP07电压跟随器和LF398数据保持器进行预处。在测量工频交流电压信号时，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制89C51对电压信号的相位测量。采用以89C51为核心的单片机系统使整体结构简单，并且可以实现显示、打印、与微机通信等功能，大大提高了系统的智能化程度，同时系统所测结果的精度很高。系统总体框图如：图1系统整体框图2.模块电路设计与比较2.1数据采集模块数据采集模块包括：电压跟随电路，信号采样/保持电路，A/D转换电路。2.1.1电压跟随电路：由OP07构成，虽然精确度不够高，但它能提高带负载能力，硬件电路简单，也不需软件控制，所以本设计采用了此方案。输入信号是0～5V交流电压信号，输出信号不变。f(t)f(t)tt图2电压跟随电路2.1.2信号采样/保持电路采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；电压信号电压跟随器保持器A/D转换过零检测电路锁相环倍频电路单片机80C51显示板低电平，保持。输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。电路如图3所示：图3信号采样/保持电路失调电压的调整是通过与V＋的分压并调整1KΩ电位器实现的。保持电容CH应选用300～1000PF的高性能低漏电云母电容器。控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。本设计采用此种连接方法。2.1.3A/D转换电路利用ADC0809完成A/D转换功能。输入的是LF398输出的抽样信号，经过ADC0809内部的量化编码，以数字信号的形式输出。本设计中ADC0809与8051单片机的接口方案如图4所示图4ADC0809与8051单片机的接口由于ADC0809片内无时钟产生电路，可利用8051提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。ADC0809具有三态数据输出，其8位数据线直接与CPU数据总线相连，地址译码线A、B、C共同接地，只选通IN0通路。将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号WR/和P27控制ADC0809的地址锁存和转换启动。由于AIE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行A/D转换。再读取转换结果时，用单片机的读信号RD/和P27给一级或非门形成的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。由原理图可知，P27与ADC0809的ALE、START和OE之间有如下关系：R124kC10.01ufD2D1R21k+12V-12V+5V-5V12345678ALF398uiUoP2.5可见，P2.7应设置为低电平。由硬件线路分析可知：在编写软件时应令P2.7=A15=0;给出被选择的模拟通道地址；执行一条输出指令，启动A/D转换。执行一条输入指令，读取转换结果。2.2单片机系统数据处理模块包括：过零检测电路，锁相环倍频电路，数据处理转换电路。2.2.1.过零检测电路由TL082构成同相检零器，如图5所示。当输入信号高于0V时，输出高电平；当输入信号低于0V时，输出低电平。作用：给CD4046提供方波信号。图5过零检测电路2.2.2.锁相环倍频电路为了保证信号采样的精度,要对信号进行等时间间隔采样。其间隔时间就是采样周期。从理论和理想情况来看，如认为信号频率是固定不变的，则采样周期也固定不变，但实际系统中，工频信号频率经常会发生变动，假设信号频率减小时，如仍以原频率时的理论采样间隔对信号采样，会造成信号的一个周期中前一段是以理论间隔被采样（以采64个点为例），如果采满了64个点，造成信号后一部分没有被采到，如图所示。而当信号频率增大时，则一个周期采不到64个点，如图9所示。所以频率变化会引起采样失真，从而影响测量的精度。在实际中，必须保持采样间隔随信号频率的波动而发生相应的变化，即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样。采用锁相环电路直接实现。用锁相环把信号的频率通过计数器进行64倍频，从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲，利用此脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动ADC0809进行转换，实现高速数据采集。这种方案实施简单，而且可靠性高，简化了软件的设计。本设计采用了此种方案。电路如图6所示：图6锁相环倍频电路7.2PWRSTARTALE7.2PRDOECLK13Q011Q110Q29Q38MR12B74LS393CLK1Q03Q14Q25Q36MR2A74LS393AIN14BIN3VCIN9INH5CA6CB7R111R212PCP1PC12PC213VCOUT4SF10ZEN154046R7100KR81MR610KC52.2uC4200pfINT1Ui电路主要包括相位比较器I和II、压控振荡器VCO、线性放大及整形电路A1,令需外接阻容元件构成低通滤波器。现对基本工作过程作一简介。输入信号Vi从14脚输入后，经过A1进行放大和整形，加至相位比较器I和II的输入端。图中将开关S拨到第2脚，相位比较器I就把从第3脚输入的比较信号与输入信号Vi进行相位比较，由第2脚输出的误差电压V即反映出二者的相位差。V经过由R3、R4、C2组成的低通滤波器滤除高频之后，就得到控制电压Vd,加至VCO的输入端来调整其震荡频率，使f2迅速逼近于Nf1。VCO的输出在经除法器进行N分频后，送至相位比较器I，继续与Vi进行相位比较，最后使f2’=f1，二者的相位差为一恒定值，实现了锁相。需要指出，由f2’=f2/N=f1,很容易推导出f2=Nf1。这表明，尽管从局部上看使用出发器完成的是N分频，但就锁相环整体而言则实现了N被频。因此，利用锁相环可以构成N被频器，N是除法器的分频系数。在本设计中N=64,则1264ff。即从CD4046的4脚输出的信号频率是14脚输入信号频率的64倍。2.2.3.数据处理转换电路本设计采用ADC0809和片外6264RAM与单片机一起构成数据处理转换电路。2.3显示模块由译码器/驱动器7447，NPN型三极管和四位共阳极数码管构成。三极管的发射极作数码管的片选信号。高电平选通；7447的输出作数码管的段选信号，低电平点亮。显示值为有效值。3.系统实现及理论分析3.1数据采集部分电压信号的放大电路：由于电压信号有效值为0～5V，最大峰-峰值为7.07V，超过了ADC0809的量程，因而在数据保持器LF398的输出加两个稳压二极管，能够避免电压发生异常时对ADC0809造成损害，从而保证了ADC0809的正常工作。3.2数据处理部分交流电压有效值的计算分析对交流工频信号的采集，一般是以其有效值进行计量，其计算公式为TdttuTU02/1其中T为信号周期TdttuTU02/12令TUF2,tutf2,则dtTtfF0由于在计算机采集系统中tU和tf都是一些离散点的数值，故采用数值积分的方法，将函数分解为离散值之和，即ENffffffffhF64624226331403/其中余项490/5fnhENT0上式中，nTh2/为采样间隔；2/Nn,N为每周期采样点数。理论上电压为正弦信号，但当电压发生波动时，以三次谐波影响最大，因此可以认为电压波形为基波和三次谐波之和，即tUtUtu3cos3cos1设在最严重情况，令UUU31,则424max928Uf,AD0809采用±5V满量程，因此可认为U=5V，则︱EN︱=2.3×10-5V,因此在每周期采集64点时，其余项部分为23uV,远小于AD0809的最低分辨率2.4mV,采集精度完全满足要求。数据采集部分P2.5口控制采样保持器，P2.5口置“0”，采样保持器关闭；置“1”采样保持器打开。INT1接收锁相环倍频电路的输出信号。4.电路调试4.1调试方法和过程采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，提高调试的效率。4.1.1据采集模块的调试将OP07的输入与函数信号发生器输出相联，用万用表测试输入、输出电压，再调节函数信号发生器的输出，用万用表测试输入、输出电压是否正确；数据保持器LF398的管脚8则用单片机的P2.5口来控制，并用示波器观察波形。调试结果显示，模块可以正常工作。4.1.2.信号频率倍增模块调试将函数信号发生器的输出与锁相环倍频电路的输入相联，调节函数信号发生器的输出频率，用示波器观察锁相环倍频电路的输出频率。经检验，锁相环能够正常工作。4.1.3.A/D转换模块调试因系统软件较大，不适合用来调试A/D转换模块，故编制了一简单程序进行测试，并用示波器监视几个控制信号（如片选、启动）是否正确。通过这种方法使A/D转换电路很快便能正常工作。4.1.4.显示模块调试将显示模块与仿真机相联，编制一简单程序进行调试，并观察显示数码管的变化是否正确。通过这种方法可以看出显示模块能够正常工作。各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调好的各模块连接在一起，用函数信号发生器模拟交流电压输入，先用仿真机代替80C51单片机进行模拟调试，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线和地址线也进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试。由于本人能力有限，程序编写有错误，故整个系统不能够正常工作。4.2测试仪器PC机，32M内存双路稳压电源仿真机示波器数字万用表函数信号发生器/计数器参考文献[1]杨振江，蔡德芳.《新型集成电路使用指南与典型应用》[M]西安：西安电子科技大学出版社1998年10月[2]杨振江《A/D、D/A转换器接口技术与实用线路》[M]西安：西安电子科技大学出版社1996年[3]沙占友等《新编实用数字化测量技术》[M]北京：国防工业出版社1998年1月[4]李广弟，朱月秀，王秀山.《单片机基础》[M]北京：北京航空航天大学出版社2001年7月