【數(shù)字式交流毫伏表的設(shè)計報告10000字（論文）】

數(shù)字式交流毫伏表的設(shè)計報告目錄TOC\o"1-3"\h\uHYPERLINK\l_Toc32699引言 PAGEREF_Toc32699\h1HYPERLINK\l_Toc119891、數(shù)字交流毫伏表的電路原理 PAGEREF_Toc11989\h1HYPERLINK\l_Toc122022、系統(tǒng)總體設(shè)計 PAGEREF_Toc12202\h2HYPERLINK\l_Toc41423、控制硬件電路設(shè)計 PAGEREF_Toc4142\h3HYPERLINK\l_Toc238833.1通道電路設(shè)計 PAGEREF_Toc23883\h3HYPERLINK\l_Toc89363.1.1無源衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 PAGEREF_Toc8936\h4HYPERLINK\l_Toc82933.1.2阻抗變換電路設(shè)計 PAGEREF_Toc8293\h5HYPERLINK\l_Toc320943.1.3增益可控的放大網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 PAGEREF_Toc32094\h6HYPERLINK\l_Toc258113.1.4觸發(fā)通道設(shè)計 PAGEREF_Toc25811\h11HYPERLINK\l_Toc305333.2A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計 PAGEREF_Toc30533\h12HYPERLINK\l_Toc229613.3切換電路 PAGEREF_Toc22961\h14HYPERLINK\l_Toc185823.4電阻網(wǎng)絡(luò)和限幅電路 PAGEREF_Toc18582\h15HYPERLINK\l_Toc202503.5有效值轉(zhuǎn)換電路 PAGEREF_Toc20250\h17HYPERLINK\l_Toc166123.6電源電路 PAGEREF_Toc16612\h17HYPERLINK\l_Toc78584、數(shù)字式交流毫伏表軟件設(shè)計 PAGEREF_Toc7858\h18HYPERLINK\l_Toc251444.1控制軟件總體框圖 PAGEREF_Toc25144\h18HYPERLINK\l_Toc239434.2單片機(jī)控制軟件設(shè)計 PAGEREF_Toc23943\h19HYPERLINK\l_Toc173814.2.1人機(jī)交互模塊 PAGEREF_Toc17381\h19HYPERLINK\l_Toc189724.2.2在系統(tǒng)配置FPGA軟件設(shè)計 PAGEREF_Toc18972\h20HYPERLINK\l_Toc162734.3.上位機(jī)軟件設(shè)計 PAGEREF_Toc16273\h21HYPERLINK\l_Toc49104.3.1.上位機(jī)串口通信程序設(shè)計 PAGEREF_Toc4910\h21HYPERLINK\l_Toc325844.3.2更新FPGA固件應(yīng)用程序設(shè)計 PAGEREF_Toc32584\h22HYPERLINK\l_Toc293385、結(jié)論 PAGEREF_Toc29338\h22HYPERLINK\l_Toc27767參考文獻(xiàn) PAGEREF_Toc27767\h24HYPERLINK\l_Toc21334致謝 PAGEREF_Toc21334\h25

引言隨著新科技的推廣,儀器的數(shù)字化程度也愈來愈高,而人們對其性能的需求也愈來愈高。我們所設(shè)計的數(shù)字交換毫伏表,其功效相當(dāng)于用各種離散元器件所構(gòu)成的精密晶體管毫伏表,對使用于試驗集成電路中的交流數(shù)據(jù)輸入產(chǎn)生波浪狀,可以直接算出其真有效值,再通過數(shù)字表示,其準(zhǔn)確度和性能均高于同類產(chǎn)品,并且具備了規(guī)格較小,使用方便等特性,因此能夠代替目前的結(jié)晶管數(shù)量毫伏表。1、數(shù)字交流毫伏表的電路原理圖1.1數(shù)字交流毫伏表原理圖其電路原理圖1.1所示.當(dāng)SW1閉合，SW2接通A時，為200mv檔；當(dāng)SW1斷開，SW2接通A時，為2V檔；檔SW1斷開，SW2接通B時，為20V檔.下面以選中200mv檔為例(如圖1.2示)，說明量程選擇及運算放大時的工作原理:圖1.2200mv量程定值運算放大部分工作原理當(dāng)SW一封閉,而SW2連接A線時,經(jīng)過定值放大器可以將低于200mV的訊號擴(kuò)大,并把訊號送入到寬頻帶、高質(zhì)量的真值有效變流器中,在經(jīng)過濾波器濾波之后加在A/D變換器ICL7107上,就成為了對應(yīng)的數(shù)位訊號,結(jié)尾再以LED表示起來.AD637還設(shè)有輸入輸出保護(hù)的功能,整個系統(tǒng)進(jìn)入有過壓或過流保護(hù),而出口則有短接保護(hù).AD637還可以直接算出一種很復(fù)雜的交流(或直流電壓疊加)輸入訊號的均方根值(有效值),并提供一種等效的輸入輸出直流電平.在當(dāng)選定量程接通輸入電流之后,用LED四位數(shù)字管表示出其有效值；當(dāng)進(jìn)入電流達(dá)到過量程狀態(tài)時,最后三位數(shù)字管指示數(shù)字熄滅,但第一位的4和小數(shù)點依然閃亮著,以提醒用戶量程已過。2、系統(tǒng)總體設(shè)計數(shù)顯交流毫伏表主要由微控制器部分、繼電器切換選擇電路部分、電阻網(wǎng)絡(luò)、有效值直流轉(zhuǎn)換器以及電源管理部分組成，如圖2.1所示。微控制器部分包括STM32單片機(jī)、12位ADC、鍵盤以及數(shù)字管顯示。繼電器切換選擇電路部分包括200V、20V、2V和200mV繼電器選擇通道，默認(rèn)從高電壓開始，根據(jù)被測電壓自動調(diào)整到對應(yīng)檔位。電阻網(wǎng)絡(luò)通過精密功率電阻串聯(lián)分壓，確保每個檔位的電壓在合理范圍。有效值直流轉(zhuǎn)換器AD637能計算任何復(fù)雜波形的有效值、平均值及均方值。電源管理部分包括經(jīng)過交流整流濾波后串聯(lián)穩(wěn)壓芯片再濾波的雙15V電源、3.3V及5V電源。圖2.1總體設(shè)計框圖3、控制硬件電路設(shè)計3.1通道電路設(shè)計模擬多通道電路既是交流毫伏表的重要組成部分,更是完成被測信息波形重建復(fù)原的核心組成部分之中。模擬信道電路結(jié)構(gòu)一般分為激發(fā)通路和輸出信號幅度調(diào)理通路二個部分,激發(fā)通路首先形成了一條與輸入信號相同的脈沖信號,是實現(xiàn)隨機(jī)等效采樣的重要信息之一也叫:輸出信號幅度調(diào)理通路主要是對輸入輸出信息實行無失真處理,以適應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器的輸入輸出條件。模擬信道的構(gòu)造如圖3.1所示。圖3.1模擬通道設(shè)計框圖同時,交換耦合系統(tǒng)一般用于消除輸入信號產(chǎn)生的直流電壓信號分量；無源衰減網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則一般對大幅值信息加以減弱；阻抗變換電路功能一般是將入口電阻變成很高,使出口電阻變成很低,以提高對后級的驅(qū)動力量；増益控制網(wǎng)絡(luò)功能一般是對訊號加以相應(yīng)的增強(qiáng).位移調(diào)整一般是對交換訊號疊加一種適合的直流電壓值,以適應(yīng)于A/D交換器采樣。下面將對上述所有組成部分加以詳盡說明。3.1.1無源衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計減弱網(wǎng)路是輸出信號最大幅度調(diào)理通道主要部分,為達(dá)到最大檔位的減弱需求,本研究設(shè)計中選用的是無源衰減網(wǎng)路,但考慮到輸入信號幅有可能相當(dāng)大,并還可能達(dá)到有源器件所能接受的最高電壓限值,故將無源衰減網(wǎng)路置于模擬信道的第1級。在設(shè)定衰減倍數(shù)時,也可采用調(diào)整電阻和電容值來完成。其基本電路構(gòu)造如圖三點二所述,其中,無源衰減網(wǎng)絡(luò)是利用一個繼電器進(jìn)行直通或減弱檔位的轉(zhuǎn)換,當(dāng)RL_s2為低電平時,選用直通檔,否則,就選用減弱檔。圖3.2無源衰減網(wǎng)絡(luò)電路我們中工程設(shè)計的是一個交流毫伏表,需要信號輸入相對地的電流必須是十MΩ,所以,在選用電阻系數(shù)時既要滿足對輸入阻抗的需要,又要使衰減網(wǎng)絡(luò)可以滿足1/100的電流衰減,即:綜合了上述原因,最后選取了電阻R47、R48、R49和R50型的電阻,分別為3.3Mω、3.3MΩ、3.3MΩ和100KΩ。因為在高頻網(wǎng)絡(luò)時,有分布電容的影響,所以必須在衰減網(wǎng).上加補償電容器,以使衰減網(wǎng)在整個信號頻帶內(nèi)的衰減系數(shù)基本不變,本設(shè)計中就是把一個1nF電容器,與一個容值在5~30pF范圍內(nèi)的可調(diào)整電容器分別串聯(lián)連接在分壓電阻上,并通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容器大小來減少在實際電路中出現(xiàn)的微小誤差,使衰減網(wǎng)最終達(dá)到最佳效應(yīng)。3.1.2阻抗變換電路設(shè)計阻抗變換電路的主要功能就是通過進(jìn)行電阻轉(zhuǎn)換,將輸入阻抗提高到兆歐姆以上,使輸出阻抗減小到50Ω以內(nèi),進(jìn)而實現(xiàn)了分離與前級集成電路內(nèi)部相互作用和影響的目的,進(jìn)而提高了對后級集成電路的直接驅(qū)動工作能力。其電路結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.3阻抗變換電路在圖3.3中,阻抗變換網(wǎng)絡(luò)主要由運算放大器、二極體和阻容器件等構(gòu)成,所用的運算放大器為OPA656。OPA656六是美國TI公司的一款低噪音JFET電壓反饋放大器,其產(chǎn)品具備高寬帶寬、低輸入偏置額定電流、低輸入電流噪音和低輸入失調(diào)電壓等優(yōu)點。其具體特點包括:a.低輸入偏置電流:2pA。b.低輸入電壓噪聲:7nV/VHZc.單位增益穩(wěn)定。d.低TV.:+2μV1°C。e.高輸出電流:70mA。OPA565用作阻抗變換中的運放設(shè)備,其功能就等同于輸入電壓跟著器,但因為阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的信號輸入端是來自衰減網(wǎng)路,源端的阻力也較大,就等于從輸入電壓跟著器信號輸入端并了一塊比較大的阻力到地,所以一旦所選用的計算放大的信號輸入偏置電流變化較大,最終在信號輸入端會疊加一一個較大的負(fù)電流,會影響到后一級的處理,所以,在實際工程設(shè)計中應(yīng)該選用一種信號輸入偏置電流變化在pA級以上的計算放大。結(jié)合零PA656以上的:低輸入偏置額定電流、低噪音和單位增益穩(wěn)定等特性,該型運算放大器可以滿足原本設(shè)計中對阻抗變換的需要。在圖3.4中,二極管DI和D2主要是對輸入信號幅度作一一個控制,以避免輸入信號幅度超出運算放大器所能接受的最高電壓值；在OPA六百五十六的輸出端口加上了一級RC電路,從而能夠有效濾除通信中的高頻噪音。3.1.3增益可控的放大網(wǎng)絡(luò)設(shè)計增益控制放大網(wǎng)絡(luò)一般對信號放大幅值做相應(yīng)的調(diào)理調(diào)整,使信號放大獲得較理想的幅值。在本工程設(shè)計中,將增益控制擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為前級放大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和后級擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)二個部分,其構(gòu)成框圖如圖3.4中所示。前級增益控制擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的增益可以是1倍、3倍或十倍,而后級增益控制擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以是一倍或五十倍增益設(shè)定,因而做到了增益能夠從1倍、3倍、10倍、50倍和一百五十倍等檔位中選取,前一級的增益選擇通常都是采用多通道控制器模塊去控制。圖3.4增益可控放大網(wǎng)絡(luò)放大網(wǎng)絡(luò)要求的寬帶范圍為20MHz,且信號幅度在-1.65Vpp~+1.6SVpp范圍內(nèi),因此必須根據(jù)以上條件選用一個理想的運算放大器進(jìn)行信號調(diào)理。通常情形下,可從如下幾個方面思考:單位增益帶寬BW(Bandwidth)單位增益帶寬,指的是計算放大器在單元增益狀況下,輸出信號在規(guī)定輸出功率幅值區(qū)域下,所可以獲得的最大頻率,這種輸出功率幅值區(qū)域一般為-3dB至-1dB。運算放大器當(dāng)前的增益,寬度GBW(GainBandwidth)和當(dāng)前增益G的乘積一般是恒定不變化的,符合以下關(guān)系式BW=GBW.G。在本設(shè)計中,假設(shè)前后的單級擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)中最大增益都為五十倍,這時需要用二級擴(kuò)大來完成,單級別擴(kuò)展的最大增益大約為七倍,并且?guī)捯鬄?0MHz,從而規(guī)定運放的最大單位增益寬帶必須為140MHz。電源電壓為運算放大器供給適當(dāng)?shù)碾娫磯毫?是使它順利工作的前提條件,有的運算放大器.是單電源供水,有的則是雙電源供電,但有的也是以上二個條件下均可工作。電源電壓確定了計算擴(kuò)大時訊號輸出的最大幅度,所以,在實際使用中,要根據(jù)工程設(shè)計條件選用適當(dāng)?shù)碾娫措妷?而且計算放大器此時也能工作。在原本工程設(shè)計中,訊號的最大幅度限制范圍是-1.65Vpp~1.65Vpp,所以計算擴(kuò)大的電源電壓應(yīng)該超過了這一限制范圍,所以,采用土五V的雙電源供電。壓擺率SR(SlewRate)壓擺率指的是單位時間(--般用微秒)運算放大器輸出電壓值可改變的范圍，反映的是一個運算放大器在速度方面的指標(biāo)，單位通常有VIs,V/ms和VIμs三種。在運算放大器工作在大信號放大時，就需要考慮運算放大器的壓擺率是否滿足設(shè)計要求。壓擺率與信號的最大頻率f，以及輸出信號的最大峰值V。有關(guān)，滿足如下關(guān)系式:壓擺率,指的是在單位時間內(nèi)(-般用微秒)計算放大器輸出電流值可變化的時間范圍,反映的是一種運算放大器在速度方面的重要指標(biāo),單位時間通常有VIs,V/ms和VIμs三種。當(dāng)運算放大器工作于大訊號放大狀態(tài)時,就必須考察運算放大器的高壓擺率能否達(dá)到設(shè)計要求。壓擺率為訊號的最高頻率f,以及輸出信號的最高峰值V。與相關(guān),并符合下列關(guān)系式:在本設(shè)計中,信號的最高頻段f=10MHz,而在此頻段下,信號的最大峰值Vx=1.65V,帶入公式為三3-3即得SR=2rx160Mx1.65V=104V1μs。所以當(dāng)選用運算放大器時其壓擺率SR必須大于104V1s。最大輸出電壓計算放大器的最高輸出電流指的是計算放大在線形且不畸變的情形下,最高輸出功率信號的變化幅度。最佳輸出電流不但與運算放大器的電源電壓相關(guān),而且還與所選運算放大器的實際特性相關(guān)。在本工程設(shè)計中,如果訊號的變化幅度限制范圍是-1.65Vpp~1.65Vpp,那么,所選用運算處理放大器的最高輸出電流應(yīng)該超過上述限制范圍。綜合上述的技術(shù)參數(shù)后,在增益控制與放大網(wǎng)絡(luò)中最終選用了EL5203運算放大器,其-3dB單位增益帶寬為400MHz,最大壓擺率為3500VIμs,在±5V電源時,最高輸出電流為+3.9V,以符合設(shè)計規(guī)定。在前級增益效果可控放大網(wǎng)絡(luò)中,為了達(dá)到1倍、3倍和十倍的增益,以便保證在十倍增益時就可以有更充足的帶寬,前級增益效果控制放大網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)計了兩級op放大器來完成,而增益效應(yīng)的變換則是通過采用控制模擬多路復(fù)用器來完成,電路構(gòu)成如圖3.5所顯示。前級的放大倍率一直相同,當(dāng)信號RL_S0和RL_S1發(fā)生變化時,運算放大器的反饋電流也相應(yīng)地隨之發(fā)生了變化,亦即前級增益控制放大網(wǎng)絡(luò)的放大倍率改變,由此完成了增益控制的功能。而信號RL_S0和RL_S1所對應(yīng)的前級增益控制放大網(wǎng)絡(luò)的增益則如表3.1所顯示。表3.1RL_S0和RL_S1對應(yīng)的前級放大網(wǎng)絡(luò)增益RL_S1RL_S0等效反饋電阻(Ω)增益0001018031x24010圖3.5前級增益可控放大網(wǎng)絡(luò)電路運算放大器中的反饋電阻對運算放大器的頻率響應(yīng)范圍具有很大影響,當(dāng)反饋電阻過小時,易使整個系統(tǒng)不平衡,甚至產(chǎn)生自激振蕩式；而當(dāng)反饋電阻過大時,運算放大器的瞬態(tài)頻率響應(yīng)范圍也受影響,同時也不方便調(diào)節(jié)噪聲值。要減少自激振蕩式,就必須在運算放大電路加一個元件,以改善電路的頻率響應(yīng)范圍,以便破壞自激振蕩的幅度和相位要求。最常見的方式是電容器落后賠償、RC落后賠償和密勒補償,因為密.勒賠償已經(jīng)整合到了大多數(shù)的運算放大器里面,但是極少在運算放大器外面加密勒補償,所以即便應(yīng)用到了密勒補償,電容取值也會很小,通常取幾pF或者只是零點幾pF。通過電容器落后賠償和RC落后賠償措施,在一定程度上將使運算放大器的信號頻帶變窄,但是在實際使用時,還要考察增加了上述賠償措施之后,頻帶寬度是否還符合設(shè)計要求。后級增益效果可控擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和前級增益效果控制擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不同,它有一倍增益和五十倍增益兩種檔位,其中,50倍增益是利用前二級運放來完成,電路的構(gòu)成如圖三點六所述。利用控制模擬的多路復(fù)用器,來確定訊號是直接通過還是經(jīng)五十倍擴(kuò)大網(wǎng)路,進(jìn)而進(jìn)行一倍增益與五十倍增益之間的抉擇。當(dāng)選用直通時(RL_S3為低電平),繼電器會.自動斷開,保證訊號不會通過五十倍增益放大網(wǎng)路,當(dāng)選用五十倍增益時(RLS3為高電平),繼電器開關(guān)就會閉合,使訊號能成功地通過五十倍增益的擴(kuò)大網(wǎng)路。團(tuán)3.6后級增益可控放大網(wǎng)絡(luò)電路前后級增益監(jiān)控擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在完成了級聯(lián)之后,就能夠通過信息RL_S0、RL_S1和RL_S3確定所有增益監(jiān)控擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的擴(kuò)大倍率。然后根據(jù)前一級的減弱網(wǎng)的減弱倍率,便可選擇出適應(yīng)整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要的減弱和增強(qiáng)倍率,對整體衰減放大網(wǎng)的增益控制如表3.2中所示。表3.2衰減放大網(wǎng)絡(luò)增益檔位選擇RL_S3RL_S2RL_S1RL_S0增益01013/10001lx10/100110050/1000000100013001x1010005010011503.1.4觸發(fā)通道設(shè)計在本研究設(shè)計中,將經(jīng)過衰減和放大電路網(wǎng)絡(luò)調(diào)理后的信息經(jīng)過高速類比器,并根據(jù)設(shè)定變化的激發(fā)電平值,獲得占空比變化的方波信息,并以此進(jìn)行交流毫伏表的激發(fā)通道設(shè)計集成電路,如圖3.7所示。并將此方波信息輸入至FPGA處理后,FPGA將此方波信息的上沿所處的時間基視為對信號每周期進(jìn)行取樣的回參考點方式,進(jìn)而利用A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)第一個取樣時鐘出現(xiàn)的時間算出本輪取樣序列在信號波形中的位置。圖3.7觸發(fā)信號產(chǎn)生圖激發(fā)信息大多由高速類比器形成,所以類比器的產(chǎn)品設(shè)計選型也是整體激發(fā)信道產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵問題,而類比器的產(chǎn)品設(shè)計特性也決定著激發(fā)信息的品質(zhì),一旦類比器產(chǎn)品設(shè)計得不合理,與產(chǎn)生的脈沖信號質(zhì)量不平衡,就將會導(dǎo)致錯誤激發(fā),并最后直接影響被測信息波形的恢復(fù)。因為FPGA可以接受TTL輸入輸出電平及LVDS等電平規(guī)范的數(shù)值信息,所以在選用對比器時要充分考慮對比器的輸入輸出能否符合FPGA的電平規(guī)范。對比器件一般有ECL對比器、PECL對比器和TTL對比器等,但因為ECL對比和PECL對比器件的輸入輸出邏輯電平都無法直觀地被FPGA所接受,所以必須在其輸入輸出端口添加電平轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換成能被FPGA所接受的LVTTL電平；而對于TTL比較器來說,其輸出電平必須與FPGA可以接受的電平相符,才能夠進(jìn)行與FPGA連接,而一旦能夠找出下一個TTL比較器,其對比速度就能夠滿足設(shè)計需求,則電路設(shè)計上就能夠省去了電平交換部分,從而減少了設(shè)計復(fù)雜度。ADI有限公司的AD8561比較器是一種TTL比較器,其傳播延時為七ns,電源電壓支持士五V雙供電,最大功率為65mW,符合低功耗設(shè)計；AD8561型還可以很簡單地在外部加遲滯電阻,滯回比器的電路原型如圖3.8所示,利用式(3-4)和式(3-5),便可設(shè)定適當(dāng)?shù)纳祥摵拖麻撝惦妷?簡易而方便,也因此增強(qiáng)了比器的抗干擾能力,更有效地避免震蕩,并降低了由于噪聲所引起的狀態(tài)變化。所以,原本設(shè)計中采用了ADI公司的AD8561芯片,電路圖如圖3.9所顯示。圖3.8滯回比較器電路原型圖3.9比較器電路3.2A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器是一個能夠把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的有源器件,為具有連續(xù)信息的仿真學(xué)習(xí)環(huán)境和能夠辨別數(shù)字信息的計算機(jī),創(chuàng)造了一個互連端口。A/D轉(zhuǎn)換器的輸入輸出及數(shù)字信號都是根據(jù)輸入輸出的模擬量,及其參考電壓來確定的。因此絕大部分A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入輸出均為二進(jìn)制類型的,任意一n位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù),記為DATA,均可用式(3-6)表示。其中Di=0或1(i=0，1,2,3，n-1)，2'為對應(yīng)位數(shù)的權(quán)。如果給定輸入電壓V]和參考電壓VREF，那么對應(yīng)的輸出數(shù)字量DATA=Vn.2n1VpREF。A/D轉(zhuǎn)換器主要的性能指標(biāo)有:(1)分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的最大數(shù)據(jù)分辨率,即數(shù)值量的最低有效單位(LSB)改變時,與輸入數(shù)據(jù)仿真信息所相應(yīng)的最大改變量,數(shù)據(jù)分辨率一般以數(shù)值信息的最大位數(shù)來表達(dá)。(2)轉(zhuǎn)換速率A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率表現(xiàn)為從模擬電壓變換到數(shù)字量所用時刻的倒數(shù),使用到的速度單位為Ksps和Msps,表現(xiàn)為每秒采樣千/幾百億個次(kiloMillionSamplesperSecond)。(3)量化誤差量化誤差表示有限分辯率AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移特性曲線(階梯狀)與無限分辯率A/D轉(zhuǎn)換器(理想A/D轉(zhuǎn)換器)的轉(zhuǎn)移特性曲線之間的最大偏差[32]。通常是--個或半個最小數(shù)字量對應(yīng)的模擬變化量，分別用1LSB和1/2LSB表示[3]。在本設(shè)計中，需要測量的交流信號的頻率范圍為10Hz~10MHz,由于運用的是隨機(jī)等效采樣方法，對A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率沒有嚴(yán)格的要求,因此,采用串行的A/D不僅能滿足設(shè)計要求，還可以簡化電路設(shè)計，成本也會相應(yīng)降低。結(jié)合以上所述,本設(shè)計采用ADI公司的AD7476A[14作為A/D轉(zhuǎn)換器.AD7476A的最高采樣率為1Msps，12位分辨率，2.35V~5.25V的參考電壓范圍。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3.10所示，由于A/D轉(zhuǎn)換器是容性負(fù)載，通常需要在輸入端加一級RC網(wǎng)絡(luò)，這個RC網(wǎng)絡(luò)的作用有:(1)平均處理電流尖峰:AD轉(zhuǎn)換器在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時可能會產(chǎn)生輸入電流尖峰，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的RC網(wǎng)絡(luò)可將這些電流尖峰進(jìn)行積分(平均處理)，同時也能夠提供額外的電容來消除A/D轉(zhuǎn)換器對電路的瞬態(tài)影響，通常在10pF到100pF之間選取。(2)隔離功能:由于A/D轉(zhuǎn)換器因接在op放大器的輸出端,所充當(dāng)?shù)木褪莖p放大器的容性電流負(fù)載,而運算放大器的相位裕度也很可能會隨著這個容性電流負(fù)載大小而變化,所以通常在運算放大器與A/D轉(zhuǎn)換器中間并聯(lián)-個電阻,以便發(fā)揮隔離的功能:這種電流取值范圍一般在100~1000左右。(3)噪聲濾波:A/D轉(zhuǎn)換器輸入端增加的RC網(wǎng)絡(luò)可以是-個簡單的--階低通濾波器，其作用是濾除信號中的高頻雜波。圖3.10A/D轉(zhuǎn)換器電路3.3切換電路交流毫伏表實現(xiàn)自動量程切換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是繼電器切換電路，切換電路公共部分如圖3.11所示。為了提高抗干擾能力，減少強(qiáng)電和弱電電路之間可能產(chǎn)生的干擾，采用光耦控制。光耦控制芯片為PC817，其輸入信號引腳2發(fā)光二極管陰極接STM32單片機(jī)IO口，通過IO口編程輸出高低電平控制繼電器的通斷，達(dá)到通道切換和檔位轉(zhuǎn)換的目的。PC817引腳4通過1K電阻連接到5V電壓，當(dāng)連接二極管陰極的IO口輸出低電平時，光耦芯片發(fā)光二極管發(fā)光，三極管基極接到光信號導(dǎo)通，PC817引腳3即三極管發(fā)射極輸出電流驅(qū)動MPSA13三極管，MPSA13導(dǎo)通，由于MPSA13最大集電極電流可以達(dá)到500mA，可以確保線圈吸合。當(dāng)線圈吸合，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，被測電壓將會被接通進(jìn)行測試。線圈的兩端并聯(lián)了續(xù)流二極管，一方面保證線圈斷開和閉合期間產(chǎn)生的自感電壓被二極管鉗位在0.7V，不至于因自感電壓過高擊穿驅(qū)動三極管；另一方面，在開關(guān)階段形成續(xù)流回路，提高開關(guān)速度，讓通斷更接近理想開關(guān)。圖3.11檔位切換電路公共部分自動量程切換電路如圖3.12所示，通過編程實現(xiàn)量程切換。P1.3是啟動測試控制IO，當(dāng)啟動按鍵按下，P1.3輸出低電平，被測電壓輸入進(jìn)來。P1.4是200mV檔位控制IO，P1.5是2V檔位控制IO，P1.6是20V檔位控制IO，P1.7是200V檔位控制IO。默認(rèn)將從200V高檔位開始測試，通過單片機(jī)ADC采集的電壓范圍確定在某一檔位，并將測試電壓輸出顯示在數(shù)字管上。圖3.12檔位切換電路3.4電阻網(wǎng)絡(luò)和限幅電路電阻網(wǎng)絡(luò)通過電阻的串聯(lián)實現(xiàn)電壓的分壓，如圖3.13（a）所示。電阻網(wǎng)絡(luò)是交流毫伏表自動量程的關(guān)鍵，保證每個檔位的輸入電壓都是在STM32的ADC采樣電壓的合理范圍內(nèi)。測試電壓與分壓電阻、最大分壓輸入關(guān)系如表3.3所示。（a）電阻網(wǎng)絡(luò)電路原理圖（b）限幅電路原理圖圖3.13電阻網(wǎng)絡(luò)和限幅電路原理圖限幅電路,是控制信號輸出幅度的集成電路,如圖3.13(b)所示。它能在按規(guī)定的時間范圍內(nèi)削平信號電流的波形幅度,是一種控制信號電流范圍的電路,俗稱為限幅器、削波器等。當(dāng)正常電壓輸入時,D3、D4不導(dǎo)通,輸入電壓直接輸入到單片機(jī)ADC引腳。當(dāng)輸入電流超過3.2V時,由于二極管的D4導(dǎo)通,輸入電流也就被鉗位到了3.2V；當(dāng)輸入電流小于3.2V時,若二極管D三導(dǎo)通,則輸入電流也就被鉗位到了正負(fù)3.2V；當(dāng)輸入電流達(dá)到或大于上限電流范圍時,輸出電流也將保持為一固定數(shù)值,不再隨輸入電流大小而變化,這也就確定了ADC的輸入電流在不大于3.2V的電流范圍內(nèi)。表3.3電阻和電壓關(guān)系表測試電壓范圍分壓電阻/Ω總電阻/Ω檔位分壓20-200V3x1046x1060.1-1V2-20V3x1056x1060.1-1V200mV-2V3x1066x1060.1-IV200mV以下6x1066x106200mV以下(Vn=Vi)由表3.3可見，最大輸入電壓為1V，因為電阻為串聯(lián)連接，電流相等，這種情況下電阻越大，功率越大，200V對應(yīng)的電阻消耗的最大功率為3.33mW。3.5有效值轉(zhuǎn)換電路有效值轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用了AD637有效數(shù)字直流轉(zhuǎn)換器,所需要的外圍元器件較少,轉(zhuǎn)換原理如圖3.14所示。芯片用±線供電時,可計算任何復(fù)雜輸出電流波形的真有效數(shù)字、平均值、均方根值及其絕對值；頻帶寬度,可以測試一百mV均方根、頻譜高達(dá)六百kHz的進(jìn)入訊號,和二V均方根以上、頻譜高達(dá)八MHz的進(jìn)入訊號。輸入正弦波信號，它的有效值為，Um為最大值；輸入直流信號，它的有效值仍是標(biāo)稱值。圖3.14AD37有效值轉(zhuǎn)換電路原理圖3.6電源電路電源電路包括±15V和3.3V,整流集成電路濾波處理穩(wěn)壓集成電路中?！?5V的直流電源供應(yīng)給AD637,5V開關(guān)電源供應(yīng)給直流繼電器和數(shù)字管等,均使用了一個開關(guān)電源穩(wěn)定晶片,而三點三V開關(guān)電源則供應(yīng)給單片或微型計算機(jī)等,如圖3.15所示。開關(guān)電源穩(wěn)定的準(zhǔn)確性影響交流毫伏表的準(zhǔn)確性。在整流集成電路與濾波處理集成電路后面,使用了LM317開關(guān)電源穩(wěn)定晶片。LM317調(diào)壓集成電路的適用范圍廣、電流穩(wěn)定特性好、噪音少、紋波抑制比高。LM317的輸出電流插針與調(diào)整電流插針之間的標(biāo)準(zhǔn)電流差是1.25V,可利用調(diào)整電流調(diào)節(jié)到1.2~37年V,再經(jīng)過合理搭配調(diào)節(jié)至15V、5V和3.3V。每塊LM317晶片的最大輸出電流可達(dá)1.5A,滿足了單片的微型計算機(jī)與繼電器開關(guān)吸合所需要電流。圖3.15電源電路圖數(shù)字式交流毫伏表軟件設(shè)計4.1控制軟件總體框圖控制軟件是整個嵌入式系統(tǒng)的靈魂,當(dāng)軟硬件平臺都設(shè)定好之后,還必須軟件系統(tǒng)操作,才能使整個硬件系統(tǒng)正常地工作起來,并完成一定的控制功能。本設(shè)計中,監(jiān)控軟件系統(tǒng)基本上包含了單片機(jī)管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件和上位機(jī)軟件二個組成部分,要完成的監(jiān)控軟件功能如圖41所示。圖4.1系統(tǒng)控制軟件模塊單片機(jī)控制軟件的功能模塊主要有:(1)人機(jī)交互模塊,便于使用者操縱儀表。(2)通道調(diào)節(jié),把輸入信號調(diào)理調(diào)整為符合A/D采樣的信號。(3)通過控制隨機(jī)取樣模塊,收集每一次的取樣數(shù)據(jù),并重建波形。(4)控制UART和上位機(jī)的軟件設(shè)備通信。(5)串行FLASH控制，實現(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)的存儲。上位機(jī)控制軟件的功能模塊主要有:(1)控制UART與單片機(jī)通信(2)FPGA配置數(shù)據(jù)更新模塊4.2單片機(jī)控制軟件設(shè)計4.2.1人機(jī)交互模塊設(shè)計人機(jī)交互控制系統(tǒng)的主要目的是為了便于使用者操縱儀表,從而能夠更簡便地改變測試要求,更直接地觀察到測試數(shù)據(jù)。在整個人機(jī)互動系統(tǒng)中,數(shù)字管用來表示測量的參數(shù),按鈕用于應(yīng)答用戶的輸入要求,而狀態(tài)說明燈用來表明控制系統(tǒng)當(dāng)前處于的狀況。整個人機(jī)交互系統(tǒng)的交互過程如圖4.2所示。通過反復(fù)試驗,使用者僅需要非常簡單的幾步就能夠?qū)崿F(xiàn)檔位轉(zhuǎn)換、測量數(shù)據(jù)的正確顯示以及正常的狀態(tài)表示,從而達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)和需求。圖4.2人機(jī)交互流程圖4.2.2在系統(tǒng)配置FPGA軟件設(shè)計因為FPGA在工作時,必須使用SRAM來存儲配置消息,掉電保護(hù)后數(shù)據(jù)信息將無法保留,所以在每個上海電氣學(xué)院時,學(xué)生都必須再次把設(shè)置數(shù)據(jù)信息寫在SRAM中,以保證FPGA能順利工作。在本產(chǎn)品設(shè)計中,由于FPGA采用了如前文描述的被動分配模型,所以對于被動的分配模塊,必須有主機(jī)在上海電力學(xué)院時才自主選擇FPGA,同時需要掉電保存不丟失的存儲介質(zhì)來保存對FPGA的設(shè)置數(shù)據(jù)信息,所以,在本產(chǎn)品設(shè)計中采用了串行FLASHM25P16來存儲配置數(shù)據(jù)信息,同時單片機(jī)模塊與FLASH之間采用了SPI總線傳送數(shù)據(jù),單片機(jī)模塊在每次上海電力學(xué)院時,自主在FLASH中提取設(shè)置數(shù)據(jù)信息,并根據(jù)被動設(shè)置時序把配置數(shù)據(jù)寫在FPGA的SRAM中,最后才實現(xiàn)了對FPGA的設(shè)置。在操作系統(tǒng)需要更換設(shè)備時,FPGA的設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)果就可能要改變,所以,在本設(shè)計中,就實現(xiàn)了在系統(tǒng)升級時FPGA設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)果塊的方法。在本集成電路設(shè)計技術(shù)方案中,還添加了一個可以加入編程模式的按鈕,當(dāng)上電時,用戶只需要按下編程按鈕,單片機(jī)模塊便能夠加入程序模型,在這種模型中,利用上位機(jī)的設(shè)計數(shù)據(jù)更新管理軟件將FPGA設(shè)置數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件系統(tǒng)中,然后再利用串口將FPGA配置文件的數(shù)據(jù)信息重新寫入到串行FLASH中,就這樣實現(xiàn)了在系統(tǒng)中自動更新的FPGA設(shè)置數(shù)據(jù)信息。具體實現(xiàn)流程如圖4.3所示。圖4.3在系統(tǒng)更新配置數(shù)據(jù)流程4.3上位機(jī)軟件設(shè)計上位機(jī)管理軟件一般起著輔助工具的功用,一方能夠給FPGA進(jìn)行分配數(shù)據(jù)信息,同時還能夠程控交換毫伏表,并可以給出測試訊號的波狀圖,由此增加了交換亳伏表的功用。本設(shè)計中的上位機(jī)軟件在VC++6.0環(huán)境中開發(fā)。4.3.1.上位機(jī)串口通信程序設(shè)計在VC++6.0環(huán)境條件中,設(shè)計的串口方式通訊系統(tǒng)軟件一般有WindowsAPI函數(shù)和MSComm控件二個方式,這二個方式都各有優(yōu)劣。WindowsAPI函數(shù)完成了串口通信,并且是透過直接調(diào)出Windows操作系統(tǒng)的函數(shù)來完成,具備了很大的操作靈活度,但是需要開發(fā)人員對串口開發(fā)流程以及一-些更復(fù)雜的函數(shù)都要非常熟悉。在Windows控制系統(tǒng)中,對串口的使用都是以文件的形式來管理,其中啟動、禁用、輸入和讀出等動作的函數(shù),和文件管理的函數(shù)基本相同。MSComm控件,是由微軟提出的可以在Windows環(huán)境條件下完成串口數(shù)據(jù)通信的ActiveX控件,提供了通過事件驅(qū)動和查詢這二個方法處理數(shù)據(jù)通信的基本方式,并且通過它還能夠非常簡單地完成串.口數(shù)據(jù)通信的所有功能,但MSComm控件盡管使用簡便,但它自身也具有一定弊端,例如實時性不高、數(shù)據(jù)處理率較慢和高速通信時準(zhǔn)確性不足等弊端；此外,該控件還具有一定的內(nèi)存泄漏的問題,且長期運行有時會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。綜合了上述原因后,本設(shè)計中最終選擇了WindowsAPI函數(shù)的方法來實現(xiàn)串口通信,并使用了這些方法-般需要開啟串口、配置串口、讀取串口和禁用串口這四個過程。在其中,開啟串口可以透過直接