简易数字显示交流毫伏表摘要：本系统由高级模拟器件、CPLD，可实现具有自动量程转换功能的真有效值测量、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 ≥2M,C<2.5pF），宽频带范围（10 HZ-5M HZ）,宽电压范围（1mV-250V）,高精度（有效值≤１％，频率<10-6）的优越性能。

可满足多方位的需要。

关键词：静电计频率计高频放大真有效值1.系统方案选择与论证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）电压测量a、测量电压的频率范围100Hz～500KHz。

b、测量电压范围100mV～100V（可分多档量程）。

c、要求被测电压数字显示。

d、电压测量误差±5%±2个字。

e、输入阻抗≥1MΩ，输入电容≤50pF（本项可不做测试，在电路设计中给予保证）f、具有超量程自动闪烁功能。

（2）设计并制作该仪表所需要的直流稳压电源。

1.1.2发挥部分（1）将测量电压的频率范围扩展为10Hz～1MHz。

（2）将测量电压的范围扩展到10mV～200V。

（3）交流毫伏表具有自动量程转换功能。

（5）其他。

1.2系统基本方案及框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。

其中前两者构成一个测量系统。

测量系统包括：信号调理模块、A/D，D/A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、语音播报及打印模块、电源模块等。

图-3所示。

为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证，我们选取了较好的方案实现。

图-3 测量系统框图1.2.1各模块方案选择和论证（1）有效值测量部分：方案一：用分立元件搭焊高频放大电路，用精密整流电路测量输入信号的真有效值。

这种方案成本较低。

但是这种电路结构复杂，调试困难，精度低，温漂大，稳定度低。

而且，放大电路的放大倍数难以准确控制，导致放大和测量的结果不准确。

方案二：用优质运算放大器做前级跟随放大，用专用真有效值转换芯片做有效值转换。

这种方案成本较高。

但是，通过合理的选择各级运放，可以做到电路简单可靠，输入阻抗高、测量精度高、近似无级量程转换的优良性能。

（2）频率测量部分：作为扩展功能对输入交流信号的频率进行测量。

要实现快速准确的测量频率，必须要有良好的硬件响应速度和良好的测量策略。

方案一：用单片机的计数器对基准时钟源进行计数。

然后通过计数的比值计算出被测信号的频率。

这种方案节省硬件，用一片单片机实现计数，运算等工作。

但是，由于单片机内部的计数器所能计数的频率有限，更重要的是开始计数和停止计数难以做到同步，所以，此种方法测得的频率精度低，范围窄。

方案二：用8253等专用硬件计数器配合逻辑电路设计一套硬件测量电路。

此种电路如果能合理设计，能做到实时性好，测量准确。

但是设计起来较为麻烦。

需要的硬件多，电路制作复杂。

方案三：采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）编写代码实现频率计数功能。

可编程逻辑器件响应速度快可以达到十几纳秒甚至几纳秒，响应频率可以达到几十兆甚至上百兆，可以实现高速计数。

可编程逻辑器件可以用代码实现硬件的功能，易于修改，而且性能优于传统的电路连接方式，对于一定规模的数字电路尤其显示了其优越性。

1.2.2系统各模块的最终方案（1）有效值测量部分：我们选用方案二：用各种优质运算放大器做信号调理，用有效值转换专用芯片AD637作为有效值测量器件。

（2）频率测量部分：我们选用方案三：用CPLD作为硬件平台进行同步计数，然后用单片机进行数据读取、处理。

精度可达<10-6，测量速度可达0.2s/次。

2.系统的硬件设计与实现2.1系统硬件的基本组成概述本系统由电源、保护电路、分压跟随、信号放大、信号真有效值转换、A/D、D/A、CPLD频率测试、算法控制器、键盘、显示、语音播报、打印、电源等十几个模块组成。

各部分紧密联系，形成了一套完善的测量系统。

2.2有效值测量单元电路的设计2.2.1有效值转换电路总揽此部分为交流毫伏表的主要构成部分，负责输入信号的处理以及测量。

图-4为此部分电路图，可分为分压网络，输入缓冲级，高频放大级以及测量级。

图-4有效值测量原理图2.2.4高频放大级经过分压后的信号一般是比较微弱的，还不能直接去进行真有效值转换，需要放大至合适的幅值。

这种放大器应该是可变的，以保证使输入电压都放大到一个合适的幅度。

我们设计了两种方案，一种方案是通过继电继来改变串入放大的电路的放大级，通过不同放大倍数的组合来实现更多放大比，这种方法增加了继电器的使用，使得切换时有大量的噪声，且不能实现任意放大比；另一种方案就是采用程控放大器，通过电压来控制放大倍数，从而得到最合适的输出幅值，我们采用了此种方案。

我们选择了AD603可变增益放大器。

AD603在增益为－11dB 至31dB范围内具有90MHz的带宽，通过两级AD603级联可实现－20dB至60dB 极宽范围的增益，从而使得放大纺输出的有效值在2V附近，达到最高的精度。

超低温漂基准源AD586的输出经过分压产生500mV的电压加在增益控制脚GNEG 上，而单片机DA输出0－1V的电压加在GPOS上，从而使控制电压Vg＝（Vgpos-Vgneg）在－500mV至500mV内，增益公式为Gain＝80Vg+20dB。

由于AD603的输入电阻仅为100欧姆，对于级间耦合电容，则需要很大才能达到理想的低频响应，我们用0.1uF，1uF和470uF的电容并联，达到全频带都有理想的响应。

由于AD603的输出幅值仅为＋-2V，所以我们级联了一级由AD811构成的同相放大器，其增益为2.从而提高了放大器输出的幅度，进而提高了精度。

如图-8所示：图-8高频放大原理图2.2.5真有效值转换一个交变信号的有效值的定义为：为信号的有效值，T为测量时间，V（t）是信号的波形。

这时，VRMSV(t)是一个时间的函数，但不一定是周期性的。

对等式的两边进行平方得：右边的积分项可以用一个平均来近似：这样式（2）可以简化为：VRMS2=Avg[V2（t）] (4)等式两边除以VRMS得：V RMS ={Avg[]V2(t)}}VRMS（5）这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础、AD公司的真有效值直流变换器也正是采用了这一原理。

AD637是ADI的一款单片集成高精度真有效值转换芯片，0.2V有效值输入时，频响为600K，而当输入信号有效值高于1V是，频响可高达8M。

图-9 AD637内部原理图图-10 AD637外围接线图AD637可提供幅度值和分贝值两种输出接口，以满足不同的需要。

在这里我们接成幅度输出，然后经过A／D变换，由单片机进行处理。

2.2.6 A/D变换12位AD2.3等精度频率计电路设计由于输入的信号是交流信号而CPLD（现场可编程逻辑器件）和施密特触发器是数字芯片，不识别负信号，要把输入交流信号变为直流信号。

用两个电阻实现电压钳位功能，钳位后的信号经7414（施密特触发器）整形为方波后直接输入CPLD对其计数。

原理图如图-11所示。

由于CPLD可以实现高速响应，可以实现准确计数。

图-11频率计原理图2.5 电源电路设计本系统采用±5V，±12V直流供电。

用多抽头变压器产生多路交流低压，桥堆整流，电容滤波，再经LM2576T、LM7905、LM7812、LM7912稳压给系统供电。

电路总功耗<20W。

3.系统的软件设计本系统对软件的要求不高，用前后台式的程序即可能轻松完成系统的基本任务。

3.1程序流程图3.1.1电压频率测量系统程序流程图图-17控制程序流程图3.2程序核心简介3.2.1自动量程转换程序有效值测量部分的待测电压范围宽，为保证精度，必须设定多个不同的量程。

我们多量程是通过分压网络和程控放大器的相互组合来实现的。

分压网络分为两档：1/2分压，1/201分压。

程控放大器（级联AD603）的线性增益调节范围为-20dB 到60dB 。

经测定，在-3dB 到46dB 的范围内线性度最好，噪声最小，所以我们选用此区域。

这样1/2分压网络与程控放大器组合，可以得到-6dB 到43dB 的增益调节范围。

1/201分压网络与程控放大器组合，可以得到-46dB 到3dB 的增益调节范围。

我们分别选择此两个增益调节范围为“交流毫伏档”和“交流伏特档”。

前者能把电压范围为10mV到2.82V的搬移到2V，后者能把1V到282V 的电压搬移到2V。

我们通过D/A转换器微调程控放大器的增益，使输入电压搬移到2V附近，然后经A/D转换器得到较为准确的结果电压（接近2V）。

通过D/A 给出的增益值和A/D得到的结果电压可以运算出待测电压的有效值。

这样做的目的是：一、A/D转换器输入的结果电压接近满偏，精度高。

二、真有效值转换芯片AD637的随频率变化的最佳线性区就在2V附近。

这样在很大程度上提高了系统的测量精度。

测量系统的测量过程分为半自动换档和全自动换档。

半自动换档即为只给定“伏特档”或“毫伏档”，而在此两范围内通过“D/A扫描”实现自动搜索并锁定量程。

半自动量程换档的好处在于用户可以事先估测待测电压的大体范围，然后选择两档之一，这样可以减轻“D/A扫描”的负担，提高测量速度和测量准确度。

全自动量程选择是让系统在全量程内搜索电压值。

这样会减慢测量速度，但可以不必估计待测电压的大体范围，使用较方便。

由于分压网络与跟随缓冲器之间的低泄露保护二极管的钳位作用，即使在低压档加上最高点压，也不会烧坏系统。

所以，系统尽可以在全量程内搜索电压值，这为全自动量程换档提供了可能性。

换档过程采用误差积分式的算法。

根据当前档测得的结果电压与2V进行比较，通过比较误差调整D/A增益给定。

这样换档超调小，速度快。

3.2.2频率测试的VHDL程序等精度频率计的实现方法可以简单的用图-19表示：图-19等精度频率计主控结构图-19 中预置门控信号CL可由单片机发出，CL的时间宽度对测频精度影响较小，只是影响测频的最小值，所以可以在0.1秒至1秒间任意选取，令其为Tp。

B和T是两个可控的32位高速计数器,BEN和TEN分别是各自的计数使能信号，高电平有效。

20M标准信号源从B的时钟输入端BCLK输入，被测信号经整形后从与B相似的32位高速计数器T的时钟输入端TCLK输入。

测频开始前，首先发一个清0信号CL,高电平有效，是两个计数器、D触发器和4位选通信号均置0，然后由单片机发出测频允许命令，即令预置门控信号CL为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的上升沿到来之后Q端才被置1（即令START为高电平），与此同时，将同时启动两个计数器B和T，进入计数允许周期。