ARM真有效值檢測

./基于LPC2103真有效值的檢測摘要：在電氣測量中,電壓是一個很重要的參數(shù)。如何準(zhǔn)確地測量模擬信號的電壓值,一直是電測儀器研究的內(nèi)容之一。目前所用的模擬電壓表多為平均值檢波,存在測量非正弦信號誤差較大、測量小信號時漂移較大的問題,致使儀器靈敏度受到限制。本文討論的基于LPC2103的真有效值的松檢測,中有效地保證了儀器的靈敏度。它能精確測量任意波形的低頻模擬周期信號并同時顯示其有效值和分貝值。具有智能量程轉(zhuǎn)換功能。關(guān)鍵詞：單片機(jī),LPC2103,真有效值,AD637Abstract:Inelectricalmeasurements,thevoltageisaveryimportantparameter.Howtoaccuratelymeasuretheanalogsignalvoltage,electricalmeasuringinstrumentshasbeenoneoftheresearch.Currentlyusedbymorethantheaverageanalogvoltagedetectiontable,thereisnon-sinusoidalsignalmeasurementerrorislargerwhenmeasuringsmallsignaldriftofthelargerproblemsthatinstrumentsensitivityislimited.Thisarticlediscussesthetrueeffectivevalue-basedLPC2103pinedetection,effectivelyensuringtheinstrumentsensitivity.Itcanaccuratelymeasurethelow-frequencyarbitrarywaveformsignalsandsimulationcyclealsoshowedtheRMSandthedecibelvalues.Withintellectualenergyconversionprocess.Keywords:microcontroller,LPC2103,RMS,AD637目錄1前言31.1課題簡介31.2真有效值〔rms基本定義3真有效值與有效值的區(qū)別4真有效值與加權(quán)平均技術(shù)的對比42關(guān)鍵器件及編譯仿真軟件簡介62.1LPC2103概述62.2LPC2103主要特性62.3Proteus仿真軟件簡介72.4Keil編譯及調(diào)試軟件簡介83系統(tǒng)硬件設(shè)計113.1整機(jī)設(shè)計方案113.2單片機(jī)電路模塊框圖113.3穩(wěn)壓直流電源設(shè)計123.4串口通信電路設(shè)計12串口通信原理圖12串口通信簡介13串口通信的原理及意義143.5A/D轉(zhuǎn)換電路部分15真效值直流變換芯片AD637簡介15RMS-DC變換器的選型考慮15AD637的工作原理16DC誤差、輸出紋波和平均誤差17AD轉(zhuǎn)換電路原理圖184系統(tǒng)軟件設(shè)計184.1RMS-DC變換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換184.2真有效值的計算204.3真有效值計算中應(yīng)注意的幾個問題215系統(tǒng)仿真225.1串口通信的仿真22串口通信流程圖235.2其它程序〔略236原理圖及PCB繪制246.1原理圖繪制246.2元器件封裝246.3元件布局256.4PCB繪制257小結(jié)與體會268參考文獻(xiàn)279附錄289.1附錄一設(shè)計總體電路圖289.2附錄二整機(jī)PCB圖28前言課題簡介單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī),又稱微控制器<MCU>,它的出現(xiàn)是計算機(jī)發(fā)展史上的一個重要的里程碑,它以體積小、功能全、性價比高等諸多優(yōu)點獨具特色,在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中獨占鰲頭。本次課設(shè)采用的PHILIPS單片32位ARM微控制器－LPC2103,代表,目前ARM系列單片機(jī)是國內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種單片機(jī)之一。單片機(jī)以其系統(tǒng)硬件構(gòu)架完整、價格低廉、運行速度快學(xué)生能動手等特點,成為工科學(xué)生硬件設(shè)計的基礎(chǔ)課。本系統(tǒng)包括以下器件：電源端子<DC+5V>,可以USB供電,也可獨立電源供電。CAT1025作為復(fù)位芯片,通用異步串口,采用MAX232做電平轉(zhuǎn)換。ARM單片機(jī)LPC2103,支持串口下載和單步調(diào)試,AD637真有效值直流轉(zhuǎn)換芯片。真有效值〔rms基本定義真有效值〔rms的定義RMS〔真有效值是對交流信號幅度的基本量度,可以分別從實用角度和數(shù)學(xué)角度予以定義。從實用角度定義是：一個交流信號的真有效值等于在同一負(fù)載上產(chǎn)生同等熱量所需的直流量。例如,1V真有效值交流信號與1V直流信號在同一電阻上產(chǎn)生的熱量相同。從數(shù)學(xué)角度定義是：電壓的真有效值值定義如下：〔以上是經(jīng)過簡化的公式,等同于零平均值統(tǒng)計信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這包括求信號的平方,取平均值,然后獲得其平方根。取平均值的時間必須足夠長,以便能在所需的最低工作頻率進(jìn)行濾波。真有效值與有效值的區(qū)別〔1真有效值與有效值之間的處別：有效值是：交流電壓一周內(nèi)的電壓、電流轉(zhuǎn)換成直流電壓、電流等效計算出來,這樣在電壓表、電流表刻上表記,所以把交流電壓、電流叫有效值。〔2現(xiàn)在可控硅整流、變頻器的應(yīng)用,它是通過移相來調(diào)電壓,它出來的電壓已經(jīng)不是正弦波,如果用原來電表的刻度讀出來已不精確了?，F(xiàn)在又有一種新電壓表、電流表來精確核算有效值。這就是真有效值測量。真有效值與加權(quán)平均技術(shù)的對比AD637是AD公司推出的真有效值直流變換器。和以往的有效值測量技術(shù)不同,真有效值直流變換可以直接測得各種波形的真實有效值,它不是采用整流加平均測量技術(shù),而是采用信號平方后積分的平均技術(shù)。采用AD637可以簡化儀器的設(shè)計,增加信號測量品種,并且靈敏度、精確度也大大改善。目前市場上的萬用表大多采用簡單的整流加平均電路來完成交流信號的測量,因此這些儀表在測量RMS值時要首先校準(zhǔn),而且用這種電路組成的萬用表只能用于指定的波形如正弦波和三角波等,如果波形一變,測出的讀數(shù)就不準(zhǔn)確了。真有效值直流變換則不同,它可以直接測得輸入信號的真實有效值,并和輸入波形無關(guān)。一個交變信號的變化情況可用波峰因數(shù)C〔CrestFactor來表示,波峰因數(shù)定義為信號的峰值和RMS的比值：C=VPEAK/VRMS.不同的交變信號,它的波峰因數(shù)也就可能不同,許多常見的波形,如正弦波和三角波,它們的C比較小,一般小于2,而一些占空比的信號和SCR信號,它們的峰值因數(shù)就比較大。要想獲得精確的RMS測量結(jié)果,如果使用加取平均電路,設(shè)計者要事先知道信號的波形,并測得其波峰因數(shù),而RMS-DC變換器測無需知道的波號的開關(guān)就能直接測出各種波峰因數(shù)的交變信號的有效值。AD636能外理的信號的最大波峰因數(shù)為10,附加誤差不超過1%,而AD736/AD737能處理的信號波峰因數(shù)為5,下面對采用真RMS-DC變換器和加數(shù)平均兩種技術(shù)在各種波形下的性能作了對比。

一個交變信號的有效值的定義為：

這時,VRMS為信號的有效值,T為測量時間,V〔t是信號的波形。V<t>是一個時間的函數(shù),但不一定是周期性的。

對等式的兩邊進(jìn)行平方得：

右邊的積分項可以用一個平均來近似：

這樣式〔2可以簡化為：

VRMS2=Avg[V2〔t>]

<4>

等式兩邊除以VRMS得：

VRMS={Avg[]V2<t>]}VRMS

〔5

這個表達(dá)式就是測量一個信號真實有效值的基礎(chǔ)、AD公司的真有效值直流變換器也正是采用了這一原理。

對式〔4兩邊進(jìn)行開方得：

這樣就得到VRMS另一種表示方法。

在實際中公式〔5比公式〔6更有應(yīng)用價值,因為采用公式〔5將使得器件的動態(tài)范圍更寬,采用公式〔6,對于一個100:1〔0.1～10V的交變信號來說,平方后的輸出的變化范圍將為10000:1〔1mV～10V,而使用的平方器電路的誤差本身就可能超過1mV,那么,準(zhǔn)確率就會和信號的幅度有很大的關(guān)系：為了保證一定的精度,動態(tài)范圍就要小于100:1.關(guān)鍵器件及編譯仿真軟件簡介LPC2103概述LPC2101/2102/2103基于一個支持實時仿真的ARM7TDMI-SCPU,并帶有8kB和32kB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。這可以使得中斷服務(wù)程序和DSP算法中重要功能的性能較Thumb模式提高30﹪。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%,而性能的損失卻很小。由于LPC2101/2102/2103非常小的尺寸和極低的功耗,它們非常適合于那些將小型化作為主要要求的應(yīng)用,多個UART、SPI到SSP和2個I2C總線組成的混合串行通信接口和片內(nèi)2kB/4kB/8kB的SRAM一起作用,可使得LPC2101/2102/2103非常適合用來實現(xiàn)通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器、數(shù)學(xué)協(xié)處理器以及足夠大空間的緩沖區(qū)的強(qiáng)大處理功能。而多個32位和16位的定時器、一個經(jīng)改良后的10位ADC、PWM特性<通過所有定時器上的一個輸出匹配來實現(xiàn)>和32個快速GPIO<含有多達(dá)9個邊沿或電平有效的外部中斷管腳>使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。LPC2103主要特性16/32位ARM7TDMI-S處理器,極小型LQFP48封裝。2kB/4kB/8kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM,8kB/16kB/32kB的片內(nèi)Flash程序存儲器,128位寬的接口/加速器使其實現(xiàn)了70MHz的高速操作。通過片內(nèi)Boot-loader軟件實現(xiàn)在系統(tǒng)/在應(yīng)用編程<ISP/IAP>,Flash編程時間：1ms可編程256字節(jié),單個Flash扇區(qū)擦除或整片擦除只需400ms。EmbeddedICERT通過片內(nèi)RealMonitor軟件來提供實時調(diào)試。10位的A/D轉(zhuǎn)換器含有8個模擬輸入,每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至2.44μs,專用的結(jié)果寄存器使中斷開銷降到最低。2個32位的定時器/外部事件計數(shù)器,具有7路捕獲和7路比較通道。2個16位的定時器/外部事件計數(shù)器,具有3路捕獲和7路比較通道。低功耗實時時鐘<RTC>,有獨立的供電電源和專門的32kHz時鐘輸入。多個串行接口,包括2個UART<16C550>,2個快速I2C總線<400kbits/s>以及帶緩沖和可變數(shù)據(jù)長度功能的SPI和SSP。向量中斷控制器,可配置優(yōu)先級和向量地址。多達(dá)32個可承受5V的通用I/O口。高達(dá)13個邊沿或電平有效的外部中斷管腳。通過可編程的片內(nèi)PLL<可能的輸入頻率范圍：10MHz～25MHz>可實現(xiàn)最大為70MHz的CPU時鐘頻率,設(shè)置時間為100μs。片內(nèi)集成的振蕩器,工作在1MHz～25MHz的外部晶體下。節(jié)電模式包括空閑模式、RTC有效的睡眠模式和掉電模式。通過外設(shè)功能的單獨使能/禁止和調(diào)節(jié)外設(shè)時鐘來實現(xiàn)功耗的最優(yōu)化。通過外部中斷或RTC將處理器從掉電模式中喚醒。Proteus仿真軟件簡介ProteusISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件[9]。它運行于Windows操作系統(tǒng)上,可以仿真、分析<SPICE>各種模擬器件和集成電路,該軟件的特點是：①實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器,如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。②支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。③提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能,同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài),因此在該軟件仿真系統(tǒng)中,也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境,如KeilC51uVision2等軟件。④具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件,功能極其強(qiáng)大。Proteus主要用于繪制原理圖并可進(jìn)行電路仿真,ProteusARES主要用于PCB設(shè)計。ISIS的主界面主要包括：1是電路圖概覽區(qū)、2是元器件列表區(qū)、3是繪圖區(qū)。繪制電路圖的過程如下：單擊2區(qū)的P命令即彈出元器件選擇〔PickDevices對話框,Proteus提供了豐富的元器件資源,包括30余種元器件庫,有些元器件庫還具有子庫。利用該對話框提供的關(guān)鍵詞〔Keywords搜索功能,輸入所要添加的元器件名稱,即可在結(jié)果〔Results中查找,找到后雙擊鼠標(biāo)左鍵即可將該元器件添到2區(qū),待所有需要的元器件添加完成后點擊對話框右下角的OK按鈕,返回主界面。接著在2區(qū)中選中某一個元器件名稱,直接在3區(qū)中單擊鼠標(biāo)左鍵即可將該元器件添加到3區(qū)。由于是英國的軟件,特別要注意的是繪圖區(qū)中鼠標(biāo)的操作和一般軟件的操作習(xí)慣不同,這正像是司機(jī)座位和人行道走向和國內(nèi)不同一樣。單擊左鍵是完成在2區(qū)中被選中的元器件的粘貼功能；將鼠標(biāo)置于某元器件上并單擊右鍵則是選中該元器件〔呈現(xiàn)紅色,若再次單擊右鍵的話則刪除該元器件,而單擊左鍵的話則會彈出該元器件的編輯對話框〔EditComponent；若不需再選中任何元器件,則將鼠標(biāo)置于3區(qū)的空白處單擊右鍵即可；另外如果想移動某元器件,則選中該元器件后再按住鼠標(biāo)左鍵即可將之移動。元器件之間的連線方法為：將鼠標(biāo)移至元器件的某引腳,即會出現(xiàn)一個"×"符號,按住鼠標(biāo)左鍵后移動鼠標(biāo),將線引至另一引腳處將再次出現(xiàn)符號"×",此時單擊鼠標(biāo)左鍵便可完成連線。連線時在需拐彎的地方單擊鼠標(biāo)左鍵即可實現(xiàn)方向的改變。繪制好電路后,可利用1區(qū)的綠色邊框?qū)?區(qū)的電路進(jìn)行定位。Keil編譯及調(diào)試軟件簡介目前流行的51系列單片機(jī)開發(fā)軟件是德國Keil公司推出的KeilC51軟件,它是一個基于32位Windows環(huán)境的應(yīng)用程序,支持C語言和匯編語言編程,其6.0以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為μVision〔通常稱為μV2。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案,由以下幾部分組成：μVisionIDE集成開發(fā)環(huán)境〔包括工程管理器、源程序編輯器、程序調(diào)試器、C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫管理器、BL51連接/定位器、OH51目標(biāo)文件生成器以及Monitor-51、RTX51實時操作系統(tǒng)。應(yīng)用Keil進(jìn)行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序并保存——建立工程并添加源文件——設(shè)置工程——編譯/匯編、連接,產(chǎn)生目標(biāo)文件——程序調(diào)試。Keil使用"工程"〔Project的概念,對工程〔而不能對單一的源程序進(jìn)行編譯/匯編、連接等操作。工程的建立、設(shè)置、編譯/匯編及連接產(chǎn)生目標(biāo)文件的方法非常易于掌握。首先選擇菜單File—New…,在源程序編輯器中輸入?yún)R編語言或C語言源程序〔或選擇File—Open…,直接打開已用其他編輯器編輯好的源程序文檔并保存,注意保存時必須在文件名后加上擴(kuò)展名.asm〔.a51或.c；然后選擇菜單Project—NewProject…,建立新工程并保存〔保存時無需加擴(kuò)展名,也可加上擴(kuò)展名.uv2；工程保存后會立即彈出一個設(shè)備選擇對話框,選擇CPU后點確定返回主界面。這時工程管理窗口的文件頁〔Files會出現(xiàn)"Target1",將其前面+號展開,接著選擇SourceGroup1,右擊鼠標(biāo)彈出快捷菜單,選擇"AddFiletoGroup‘SourceGroup1’",出現(xiàn)一個對話框,要求尋找并加入源文件〔在加入一個源文件后,該對話框不會消失,而是等待繼續(xù)加入其他文件。加入文件后點close返回主界面,展開"SourceGroup1”前面+號,就會看到所加入的文件,雙擊文件名,即可打開該源程序文件。緊接著對工程進(jìn)行設(shè)置,選擇工程管理窗口的Target1,再選擇Project—OptionforTarget’Target1’〔或點右鍵彈出快捷菜單再選擇該選項,打開工程屬性設(shè)置對話框,共有8個選項卡,主要設(shè)置工作包括在Target選項卡中設(shè)置晶振頻率、在Debug選項卡中設(shè)置實驗仿真板等,如要寫片,還必須在Output選項卡中選中"CreatHexFi成功編譯/匯編、連接后,選擇菜單Debug—Start/StopDebugSession〔或按Ctrl+F5鍵進(jìn)入程序調(diào)試狀態(tài),Keil提供對程序的模擬調(diào)試功能,內(nèi)建一個功能強(qiáng)大的仿真CPU以模擬執(zhí)行程序。Keil能以單步執(zhí)行〔按F11或選擇Debug—Step、過程單步執(zhí)行〔按F10或選擇Debug—StepOver、全速執(zhí)行等多種運行方式進(jìn)行程序調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯,可采用在線匯編功能對程序進(jìn)行在線修改〔Debug—InlineAssambly…,不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)境、修改源程序、對工程重新進(jìn)行編譯/匯編和連接、然后再次進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)的步驟。對于一些必須滿足一定條件〔如按鍵被按下等才能被執(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進(jìn)行調(diào)試的程序行,可采用斷點設(shè)置的方法處理〔Debug—Insert/RemoveBreakpoint或Debug—Breakpoints…等。在模擬調(diào)試程序后,還須通過編程器將.hex目標(biāo)文件燒寫入單片機(jī)中才能觀察目標(biāo)樣機(jī)真實的運行狀況。Keil軟件Eval版〔免費產(chǎn)品的功能與商業(yè)版相同,只是程序的最大代碼量不得超過2kB,但對初學(xué)者而言已是足夠。Keil軟件由于其強(qiáng)大的軟件仿真功能,友好的用戶界面以及易于掌握的特點而受到工程技術(shù)人員的歡迎,有人甚至認(rèn)為Keil是目前最好的51單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用軟件。系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機(jī)系統(tǒng)〔ARMLPC2103232串口232電平轉(zhuǎn)換電路直流穩(wěn)壓電源 單片機(jī)系統(tǒng)〔ARMLPC2103232串口232電平轉(zhuǎn)換電路直流穩(wěn)壓電源真有效值檢測電路單片機(jī)電路模塊框圖本電路采用基于MCS-51單片機(jī),用LM032L進(jìn)行顯示的硬件設(shè)計方法,電路硬件模塊圖如下：硬件框圖硬件框圖Lpc2103232串口轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)復(fù)位振蕩電路蜂鳴器AD637模塊穩(wěn)壓直流電源設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計為5V直流穩(wěn)壓電源輸入,5V直流電壓經(jīng)電容濾波電路,經(jīng)兩個1117三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓,再進(jìn)行二次濾波,輸出較穩(wěn)定的DC3.3V和DC1.8V的電壓信號,給系統(tǒng)供電。流程圖如下圖所示：濾波濾波穩(wěn)壓濾波穩(wěn)壓濾波本系統(tǒng)在實際制作過程中,基于成本考慮,本設(shè)計未做電源這一部分,而是用USB連接線,代替了電源的制作。因電腦現(xiàn)已非常普及,從電腦的USB口取5V電源,亦非常方便。串口通信電路設(shè)計串口通信原理圖串口通信簡介RS232串口針腳定義9針接口針腳定義：Pin1CDReceivedLineSignalDetector<DataCarrierDetect>Pin2RXDReceivedDataPin3TXDTransmitDataPin4DTRDataTerminalReadyPin5GNDSignalGroundPin6DSRDataSetReadyPin7RTSRequestToSendPin8CTSClearToSendPin9RIRingIndicator9芯信號方向來自縮寫描述1調(diào)制解調(diào)器CD載波檢測2調(diào)制解調(diào)器RXD接收數(shù)據(jù)3PCTXD發(fā)送數(shù)據(jù)4PCDTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好5GND信號地6調(diào)制解調(diào)器DSR通訊設(shè)備準(zhǔn)備好7PCRTS請求發(fā)送8調(diào)制解調(diào)器CTS允許發(fā)送9調(diào)制解調(diào)器RI響鈴指示器串口通信的原理及意義串口通訊對單片機(jī)而言意義重大,不但可以實現(xiàn)將單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端,而且也能實現(xiàn)電腦對單片機(jī)的控制,比如你可以把寫入單片機(jī)的數(shù)據(jù)碼顯示在電腦上,如可以使用一個按鍵,當(dāng)按下它時使某一個字母如：AA,通過單片機(jī)的串口將它發(fā)送到電腦上顯示,起到仿真器的某些功效,站長在開發(fā)數(shù)據(jù)采集設(shè)備時就是通過串口來檢查數(shù)據(jù)正確與否的。ARM單片機(jī)有一個全雙工的串行通訊口,所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時要滿足一定的條件,比如電腦的串口是RS232電平的,而單片機(jī)的串口是TTL電平的,兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路,我們采用了專用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換,雖然也可以用幾個三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換,但是還是用專用芯片更簡單可靠。我們采用了三線制連接串口,也就是說和電腦的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的連接方法,但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了,電路如下圖所示,MAX232的第10腳和單片機(jī)的11腳連接,第9腳和單片機(jī)的10腳連接,第15腳和單片機(jī)的20腳連接。A/D轉(zhuǎn)換電路部分真效值直流變換芯片AD637簡介圖1管腳定義它的輸入級是一個單位增益〔增益為1緩沖器,在AD536A、AD636和AD637中,這個緩沖器是獨立的,可另作它用,我們可以把它用作變換器的一個高阻抗輸入緩沖,也可以把它作為一個有源濾波器跟在RMS-DC變換器自身的濾波器后面,我們也可以把它束之高閣,棄之不用。而在AD736和AD737中,這個輸入緩沖器只能作為高阻抗放大器使用,并且在內(nèi)部已按需要的連線連接好。

第二部分就是絕對值電路,絕對值電路就是一個高精度的全波整流器,絕對值電路的輸出接至一個平方/乘法器。平方乘法器對輸入信號進(jìn)行平方運算,然后用RMS-DC變換器的輸出去除,就可實現(xiàn)要求的功能。RMS-DC變換器的選型考慮

雖然真RMS-DC變換器可以測出任意波形交變信號的有效值,但是不同型號的RMS-DC變換器可以測量的交流信號最大有效值、最大波峰因數(shù)也不相同,到目前為止還沒有一種能適用于任何場合的RMS-DC變換器,在實際應(yīng)用中我們要盡可能地選擇和應(yīng)用場合適應(yīng)的型號,這樣,我們就地精度、帶寬、功耗、輸入信號電平、波峰因數(shù)和穩(wěn)定時間因素綜合考慮。

AD637可測量的信號有效值可高達(dá)7V,也是AD公司RMS-DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的,對于1VRMS的信號,它的3dB帶寬為8MHz,并且可以對輸入信號的電平以dB形式指示,另外,AD636還具有電源自動關(guān)斷功能,使得靜態(tài)電流眾3mA降至45μA.

AD736和AD737主要用于便攜測試儀表,它的靜態(tài)功耗電流小于200μA,可接受的信號有效值為0～200mV,〔如加上衰減器,可增大測量范圍,后面詳述AD737也有一個電源關(guān)斷〔Power-down輸入,允許用戶把電流眾160μA降至40μA,從而降低功耗,AD637的性能更好,它的精度、動態(tài)范圍、波峰因數(shù)、穩(wěn)定時間諸參數(shù)都很好。如果要求精度調(diào),對大幅度信號和變化快信號的響應(yīng)速度快,就應(yīng)選擇AD637。AD637的響應(yīng)時間和信號幅度無關(guān),而AD736、AD737的響應(yīng)時間在平均電容器電容值恒定的條件正,直接取決于信號電平。信號幅度愈小,響應(yīng)時間愈長,信號幅度愈大,響應(yīng)時間愈短。

因此本系統(tǒng)選用AD637作為有效值轉(zhuǎn)換芯片。AD637的工作原理AD637框圖為了更好的理解AD637的工作原理,本處結(jié)合平均電容CAV和濾波器CF,重新畫出它的框圖〔如圖3所示,以便使其信號流向更清楚。

AD637的輸入是通過一個用作單位增益緩沖器〔具有FET輸入的運放來引入的。這個緩沖器有兩種用法,一種是用作高阻抗輸入緩沖器〔通過PIN2引入被測信號,另外一種就是用作低阻抗輸入緩沖器〔通過PIN1引入被測信號。用作低阻抗輸入是,可提供的動態(tài)范圍要比用作高阻抗緩沖時寬,所需輸入電流小,適于要求高輸入阻抗的應(yīng)用場合。這個緩沖器的輸出接至全波整流器即絕對值電路,反過來,全波整流器的輸出又接至一個平方器/除法器,此平方/除法器的輸出又接至作為電流—電壓變換器的運放的反相輸入端〔引腳3。這樣,可以在引腳3和引腳6〔輸出之間跨接一個電容,這個電容和內(nèi)部8kΩ反饋電阻并聯(lián)組成一個有一個極點的低通濾波器。

由于外接的平均電容CAV在RMS計算過程中保持著經(jīng)過整流器的輸入信號和電壓,因此電容CAV的值就直接影響測量精度,特別是在測試信號的頻率低時,電容器的值越大,誤差越小,同樣,由于平均電容看起來是接在平方/除法器的基極—發(fā)射極組成的PN結(jié)之間的,PN結(jié)的電阻隨信號電平的變化而變化,這樣平均時間常數(shù)將隨輸入信號的變小而線性增大。因此,當(dāng)信號電平變小時,由于平均電路的非理想性而造成的誤差就會變小,電路穩(wěn)定至新的RMS電平所需的時間也就增加,這樣,對于小幅度的輸入信號,測試精度高,但由于放電需要的時間長而使兩次測試之間的等待時間變長。這樣就需要在精度和穩(wěn)定時間之間作出權(quán)衡。DC誤差、輸出紋波和平均誤差直流誤差就是輸出信號〔已通過濾波濾去紋波和理想的直流輸出之間的差,直流誤差只受所用平均電容的影響,采用一個百常大的CF將減小直流誤差。同樣采用一個大CF,也就消除紋波。在大多數(shù)情況下,在選擇電容器CAV和CF的值時,要考慮直流誤差和交流誤差的綜合誤差,這個綜合誤差表征著測量中的最大確定性,因此也稱為"平均誤差〔AveragingError",它等于輸出紋波的峰值加上直流誤差。當(dāng)測量信號的頻率變高時,直流誤差和交流誤差會隨之迅速減小,如果頻率增大一倍,直流誤差將變?yōu)樵瓉淼?/2,而交流誤差將變?yōu)樵瓉淼?/4,這樣誤差的影響也就變小了。編譯及仿真軟件本次課設(shè)的任務(wù)是實現(xiàn)正弦波有效值的測量,一般有效值的測量主要有平均值法峰值法,真有效值轉(zhuǎn)換芯片測量等方法。本次課程設(shè)計采用TI公司的串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549測量交流信號,再根據(jù)有效值的定義式求得其有效值。AD轉(zhuǎn)換電路原理圖圖4.3AD轉(zhuǎn)換原理框圖系統(tǒng)軟件設(shè)計RMS-DC變換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換就精度、帶寬、功耗、輸入信號電平、波峰因數(shù)和穩(wěn)定時間因素綜合考慮,選用了AD公司的RMS-DC變換器件AD637。它具有響應(yīng)速度快,響應(yīng)時間和信號幅度無關(guān)等特點。AD637采用隱式真有效值計算法,使用了一個絕對值電壓/電流〔V/I轉(zhuǎn)換器、一個平方器/除法器、低通濾波器、精密電流鏡和一個輸出緩沖器〔參見圖5及圖35,具有10V滿量程輸入范圍。AD637的輸入電壓首先由絕對值電路〔精密整流器處理,它具有單極性輸出。此輸出驅(qū)動電壓到電流轉(zhuǎn)換器〔使用運算放大器,其電流輸出IIN為整流過的輸入信號。電流IIN驅(qū)動平方器/除法器,它利用電流鏡的反饋,在一級電路上實現(xiàn)平方和平方根兩種功能。利用對數(shù)-反對數(shù)電路,反饋電流IF被平方輸入電流IIN2所除。由于dB〔分貝是信號的對數(shù)函數(shù),因此AD637的dB輸出就是從這一平方器/除法器級導(dǎo)出。這一級的輸出IIN2/IF通過一個內(nèi)部電阻和一個外部連接的濾波器電容組成的低通濾波器求平均值。經(jīng)過濾波的信號驅(qū)動提供反饋電流IF和輸出電流2IF的電流鏡電路。輸出電流被設(shè)置為反饋電流的兩倍,以利用器件內(nèi)部的25k?電阻RL以得到器件輸出電壓。AD637的IOUT引腳輸出為每伏真有效值輸入信號對應(yīng)40μA電流。如果將RL引腳接地,則器件輸出為每伏真有效值輸入對應(yīng)1V直流電壓。單位增益緩沖放大器可以用來為IOUT或dB輸出功能提供低低阻抗電壓輸出。AD637濾波器/求平均值電路圖這種模擬"三態(tài)"工作方式允許將數(shù)個AD637的輸出并聯(lián)起來,并通過將片選拉至高電平來選擇所需的通道,由此便構(gòu)成了一個有源多路復(fù)用器。AD637同其前款產(chǎn)品一樣,利用絕對值電路對輸入信號電壓進(jìn)行全波整流。轉(zhuǎn)換器的下一級電路將此直流信號取對數(shù)并翻倍,以執(zhí)行平方操作。然后,此部分的平方輸出傳遞至除法器級,在這一級輸入信號平方的對數(shù)減去真有效值輸出VOUT的對數(shù)。然后,指數(shù)電路實現(xiàn)反對數(shù)功能,得到VIN2/VOUT。真有效值轉(zhuǎn)換器的最后部分——濾波器級獲得上述結(jié)果后,對處理過的信號求平均值,從而得到：VIN2/VOUT。因為在輸出處根據(jù)定義,這就是輸入電壓的真有效值值。真有效值的計算根據(jù)有效值的定義,有效值等于最大值除以,為了計算方便,程序中取為1.414,A/D轉(zhuǎn)換輸出的結(jié)果<設(shè)為M>是16進(jìn)制的數(shù),最大為#0FFH,對應(yīng)的是基準(zhǔn)電壓,約為4.2V,所以每個十六進(jìn)制的單位1對應(yīng)的電壓是,有效值為。在實驗程序中先取出采樣結(jié)果M,然后乘以12<即#0CH>,再將所得的結(jié)果<也是十六進(jìn)制>轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制BCD碼,其計算和轉(zhuǎn)換的流程圖如圖5.1所示。真有效值計算中應(yīng)注意的幾個問題應(yīng)用AD637來計算真有效值時,應(yīng)注意以下幾個問題：〔1當(dāng)被測交流電壓超過200mVRMS時,必須在AD736前加一級分壓器,以將被測電壓衰減到200mV以內(nèi)?！?若要測量交流電流的真有效值,應(yīng)在AD736前面加一級分流器。〔3設(shè)計高精度真有效值RMS時,還應(yīng)考慮被測電壓的波峰因素Kp〔波峰因數(shù)Kp是被測信號的峰值與真有效值之比的影響,應(yīng)仔細(xì)選擇合適的CAV。常見的正弦波、言波