專利名稱：智能交流數(shù)字毫伏表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電氣和電子測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種電壓表的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
在電氣和電子測(cè)量中，電壓是一個(gè)很重要的參數(shù)。如何準(zhǔn)確地測(cè)量模擬信號(hào)的電壓值，一直是電測(cè)儀器研究的內(nèi)容之一。測(cè)量電壓值主要通過模擬交流電壓表或數(shù)字毫伏表實(shí)現(xiàn)。
目前所用的模擬電壓表存在以下不足之處(1)模擬電壓表多為平均值檢波，存在測(cè)量非正弦信號(hào)誤差較大、測(cè)量小信號(hào)時(shí)漂移較大的問題，致使儀器靈敏度受到限制。
(2)模擬電壓表不能實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，測(cè)量不同幅值的電壓前需根據(jù)估計(jì)值在測(cè)量前手工轉(zhuǎn)換量程，有時(shí)由于估計(jì)不準(zhǔn)或忘記轉(zhuǎn)換量程會(huì)造成電壓表的損壞。
(3)模擬電壓表采用刻度盤讀數(shù)，存在示值誤差，且受讀數(shù)者主觀因素影響，讀數(shù)誤差大。
(4)使用前需進(jìn)行調(diào)零操作。
而目前所用數(shù)字毫伏表也存在以下不足(1)具有超量程自動(dòng)閃爍功能，但不具備自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能；(2)數(shù)碼管(LED)顯示，只顯示數(shù)值，不顯示單位。
(3)測(cè)量幅度范圍有限，典型的范圍有以下幾種100mV～300V、30μV～300V、1mV～300V、0.3mV～100V。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種靈敏度高，測(cè)壓范圍廣，讀數(shù)簡(jiǎn)單、明了，操作方便之全自動(dòng)智能交流數(shù)字毫伏表。
本實(shí)用新型是通過下面的技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的。其特征在于它包括衰減器及放大電路、單片機(jī)、真有效值直流變換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述衰減器及放大電路內(nèi)設(shè)有運(yùn)算放大器和微型繼電器，與單片機(jī)相連，同時(shí)與真有效值直流變換器相連，真有效值直流變換器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，單片機(jī)之I/O口與兩液晶顯示器相連。
本實(shí)用新型具有下述技術(shù)效果(1)采用有源積分式放大檢波方式，克服了模擬電壓表的缺陷，有效地保證了8儀器的靈敏度；(2)對(duì)于頻率在10Hz～2MHz范圍內(nèi)的任意波形交流模擬信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模擬電壓表的一般功能(單/雙通道測(cè)量及顯示)的基礎(chǔ)上，還擴(kuò)展了智能選擇量程進(jìn)行測(cè)量的功能，整個(gè)測(cè)壓范圍達(dá)到10μV～300V，靈敏度保證在10μV級(jí)；(3)采用兩塊液晶可同時(shí)顯示電壓值、分貝值以及所需的其它字符，讀數(shù)簡(jiǎn)單方便，液晶可顯示的最大分辨率為0.01mV；(4)具備自動(dòng)調(diào)零功能，不需手工調(diào)零；(5)實(shí)現(xiàn)無按鍵操作，只需接輸入信號(hào)，直接進(jìn)行讀數(shù)，不需任何中間操作。


圖1為本實(shí)用新型電路原理框圖；圖2為本實(shí)用新型具體實(shí)施例電路圖一；圖3為本實(shí)用新型具體實(shí)施例電路圖二；圖4為本實(shí)用新型產(chǎn)品面板示意圖；圖5為本實(shí)用新型工作流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型包括衰減及放大電路、單片機(jī)、真有效值直流變換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述衰減及放大電路內(nèi)設(shè)有運(yùn)算放大器和微型繼電器，與單片機(jī)相連，同時(shí)與真有效值直流變換器相連，真有效值直流變換器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，單片機(jī)之I/O口與兩液晶顯示器相連。濾波后的模擬信號(hào)通過衰減放大電路將電壓值轉(zhuǎn)換到真有效值直流變換器的工作電壓范圍內(nèi)，然后讓變換結(jié)果通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后直接進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)軟件部分的相應(yīng)處理后送液晶顯示器顯示。若輸入的被測(cè)信號(hào)電壓不在合適的量程之內(nèi)，單片機(jī)經(jīng)過判斷后控制衰減及放大電路中微型繼電器對(duì)衰減放大電路作相應(yīng)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)儀器智能轉(zhuǎn)換量程的功能，并起到了保護(hù)后續(xù)電路的作用。
圖2和圖3表達(dá)了實(shí)施本實(shí)用新型的具體電路結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，U1為三端穩(wěn)壓器，型號(hào)為7905，其主要功能是輸出-5V電壓；JP為跳線器，主要功能是為電路系統(tǒng)提供-15V和-5V電源電壓。U1與JP1～JP2組成的電路部分的功能為若JP1接通，則為電路提供-5V電壓；若JP2接通，則為電路提供-15V電壓。
U3為參考電源，型號(hào)為TL431，主要功能是為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)電壓。U3所在的電路部分的功能是給模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供2V和0.2V的基準(zhǔn)電壓，D1、D2為發(fā)8光二極管，主要功能是用來指示+5V和-5V電源電壓是否接通。
U2為有效值-直流變換器，型號(hào)為AD637JQ-DIP，主要功能是將交流信號(hào)的有效值變換為直流電壓。
U4為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，型號(hào)為TLC1549，其主要功能是將輸入模擬信號(hào)離散化為數(shù)字信號(hào)后輸出。本實(shí)用新型模數(shù)轉(zhuǎn)換用帶串行控制的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，它能對(duì)信號(hào)自動(dòng)采樣保持，總不可調(diào)整誤差可控制在±1LSB Max內(nèi)。通過TL431電壓基準(zhǔn)芯片提供外加參考電平Vref+～Vref-；轉(zhuǎn)換范圍Vcc～0V，經(jīng)過校準(zhǔn)即可確定具體數(shù)值。U4的輸入信號(hào)為10Hz～1MHz的正弦波。但由于前端采用有效值-直流變換器U2處理，被測(cè)信號(hào)可以是任意波形。
U2、U4及JP3、JP5所組成的電路部分的功能是將交流信號(hào)的有效值采樣變換為數(shù)字信號(hào)。
U5為單片機(jī)，型號(hào)為P87LPC762/4-DIP，其主要功能是采集交流信號(hào)的有效值、響應(yīng)按鍵、控制液晶的顯示以及完成相關(guān)信號(hào)的數(shù)字運(yùn)算功能。它為一次性編程的單片機(jī)，可以提供4K字節(jié)OTP程存空間，128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它不僅具備MCS-51系列已有的特點(diǎn)，同時(shí)增加了WDT看門狗、I2C總線，上電復(fù)位檢測(cè)、欠壓復(fù)位檢測(cè)等其他功能，保證I/O口驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到20mA，運(yùn)行速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51的二倍，而且溫度范圍也達(dá)到工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(-40～+85℃)，單片機(jī)U5本身的可靠性即電磁兼容特性也極好，功耗很低。
D3～D10為發(fā)光二極管，主要功能是指示繼電器工作狀態(tài)，S1為按鍵，對(duì)應(yīng)操作面板上的DISPLAY按鈕。
U6A～U6F、U7A～U7F、U8A～U8F為反相器，型號(hào)為74LS14，主要功能是將輸入TTL電平求反，與JP8～JP23組成的電路主要功能為將輸入電平緩沖和求反。
如圖3所示，U9～U12、U19～U22為繼電器，型號(hào)為HRS1H-S，主要功能是開關(guān)切斷，選通不同的路徑；U13～U18、U23～U28為運(yùn)算放大器，型號(hào)為OP07，主要功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理。U9～U18、U19～U28組成的電路部分的主要功能是完成對(duì)輸入信號(hào)的衰減放大及量程轉(zhuǎn)換。
本實(shí)用新型信號(hào)的衰減及放大由單片機(jī)U5之I/O口通過微型繼電器U9～U12、U19～U22控制，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器U4配合，以實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。若被測(cè)電壓高于單片機(jī)U5此時(shí)設(shè)定的量程，單片機(jī)U5控制相應(yīng)的繼電器U9～U12、U19～U22對(duì)信號(hào)衰減，反之則放大，保證輸入的有效值-直流變換器U2信號(hào)不超過其工作電壓范圍，并盡量使有效值-直流變換器U2工作在最佳狀態(tài)，提高靈敏度。
本實(shí)用新型共兩塊液晶顯示器，每塊3根控制線，通過信號(hào)線復(fù)用，兩塊液晶共占用4根信號(hào)線。液晶可顯示3位帶負(fù)號(hào)小數(shù)點(diǎn)的8位字段。顯示有效值和分貝值格式如下有效值“3位半數(shù)字(可帶小數(shù)點(diǎn))”+“mV/V”分貝值“負(fù)號(hào)”+“3位數(shù)字(可帶小數(shù)點(diǎn))”+“dB”單路時(shí)一塊液晶顯示有效值，另一塊顯示分貝值。雙路測(cè)量顯示有效值、分貝值可交替顯示。
液晶可顯示電壓mV值及dB值，dB的轉(zhuǎn)換和顯示原理如下分貝值轉(zhuǎn)換公式dB＝20log10V，其中，V表示待測(cè)電壓值，并采用查表方法實(shí)現(xiàn)分貝值的轉(zhuǎn)換。由于單片機(jī)U5只提供4K字節(jié)的程存空間，無法存入所有電壓值對(duì)應(yīng)的dB值，故查表程序應(yīng)根據(jù)情況靈活設(shè)計(jì)。
首先將確定此時(shí)的量程檔位值，然后調(diào)出經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)據(jù)查表，接著根據(jù)檔位值和查表結(jié)果確定該電壓的實(shí)際分貝值。如測(cè)量150V電壓，首先確定選用量程為7檔，衰減后的信號(hào)為1.5V，故其實(shí)際的分貝值應(yīng)為1.5V電壓對(duì)應(yīng)的分貝值再加40(信號(hào)從150V調(diào)整為1.5V衰減了100倍)，最后送液晶顯示。
本實(shí)用新型工作過程如圖5所示，上電初始化后，首先將檔位值置于最大檔位(BAND＝7)，讓系統(tǒng)從100V～300V開始檢測(cè)待測(cè)電壓，這樣雖然延長(zhǎng)了儀表的響應(yīng)時(shí)間，但是可以避免上電時(shí)待測(cè)電壓過高燒壞儀表，然后單片機(jī)U5從模數(shù)轉(zhuǎn)換器U4讀取數(shù)據(jù)。128個(gè)數(shù)據(jù)為一包，讀滿一包數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，經(jīng)過剔除粗大誤差及求均值操作后，得到的均值作為這一包數(shù)據(jù)的有效值Data。
由于A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)范圍是0～1000，為了保護(hù)儀表防止電壓過高或過低造成損壞以及便于量程轉(zhuǎn)換，可取100～1000為正常測(cè)量范圍(即不進(jìn)行檔位轉(zhuǎn)換)。仿真中發(fā)現(xiàn)在Data＝100附近電壓跳變較大造成檔位頻繁跳變，所以這里取下限值為95。即程序判斷Data小于95時(shí)，檔位值減1，而Data大于1000時(shí)，檔位值加1。
由于最高檔位不能大于7且最低檔位值不能小于0，所以在加減檔位值操作前加入判斷語句。若加減操作前已經(jīng)是7檔或0檔，程序就直接跳轉(zhuǎn)到主程序中重新取數(shù)據(jù)并執(zhí)行響應(yīng)操作。若不是，就執(zhí)行相應(yīng)的檔位值加減操作。
由于在數(shù)據(jù)較小時(shí)容易受到各種噪聲干擾，使得繼電器U9～U12在Data為95附近經(jīng)常產(chǎn)生跳檔誤操作，既不方便又損壞儀表，因此主程序中設(shè)置了一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)[90，100]來避免這一現(xiàn)象。這種情況下電壓值和分貝值會(huì)按照正常測(cè)量檔位降一檔顯示。當(dāng)Data∈[90，95)時(shí)顯然跳檔是合理的；當(dāng)Data∈[95，100]時(shí)就要強(qiáng)制下跳一檔，將數(shù)據(jù)放在低一檔進(jìn)行處理和顯示。
執(zhí)行完數(shù)據(jù)處理和顯示的操作后，程序根據(jù)此時(shí)的檔位值重新取數(shù)、處理、顯示，如此循環(huán)下去，直到測(cè)量完畢。
另外，在分貝值顯示時(shí)，程序單獨(dú)編寫了查表程序，利用查表的方法查找和顯示此時(shí)電壓對(duì)應(yīng)的分貝值，既大大加快了程序運(yùn)行速度，又節(jié)省了將近1K字節(jié)的程存空間，優(yōu)化了程序。
本實(shí)用新型產(chǎn)品面板如圖4所示，面板上各部分的功能如下(1)左邊液晶顯示輸入端口1(CH1)中輸入信號(hào)的幅度值，該液晶與圖2中的JP4相連；(2)右邊液晶顯示輸入端口2(CH1 INPUT)中輸入信號(hào)的幅度值，該液晶與圖2中的JP6相連；(3)POWER總電源開關(guān)；(4)CH1 INPUT輸入端口1，與圖3中的CH1_IN相連；(5)CH2 INPUT輸入端口2，與圖3中的CH2_IN相連；(6)DISPLAY顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)，在測(cè)量一路信號(hào)時(shí)，左液晶顯示mV，右液晶顯示dB，當(dāng)測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)時(shí)，左右液晶均顯示mV，按“DISPLAY”開關(guān)，則兩液晶均顯示dB，與圖2中的S1相連。
權(quán)利要求1.一種智能交流數(shù)字毫伏表，其特征在于它包括衰減器及放大電路、單片機(jī)、真有效值直流變換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述衰減器及放大電路內(nèi)設(shè)有運(yùn)算放大器和微型繼電器，與單片機(jī)相連，同時(shí)與真有效值直流變換器相連，真有效值直流變換器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，單片機(jī)之I/O口與兩液晶顯示器相連。
專利摘要一種智能交流數(shù)字毫伏表，其特征在于它包括衰減器及放大電路、單片機(jī)、真有效值直流變換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述衰減器及放大電路內(nèi)設(shè)有運(yùn)算放大器和微型繼電器，與單片機(jī)相連，同時(shí)與真有效值直流變換器相連，真有效值直流變換器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，單片機(jī)之I/O口與兩液晶顯示器相連。本實(shí)用新型采用有源積分式放大檢波方式，有效地保證了儀器的靈敏度，同時(shí)還擴(kuò)展了智能選擇量程進(jìn)行測(cè)量的功能，測(cè)壓范圍達(dá)10μV～300V，靈敏度保證在10μV級(jí)；采用兩塊液晶可同時(shí)顯示電壓值、分貝值以及所需的其它字符，讀數(shù)簡(jiǎn)單方便，液晶可顯示的最大分辨率為0.01mV；具備自動(dòng)調(diào)零功能，不需手工調(diào)零；可實(shí)現(xiàn)無按鍵操作，只需接輸入信號(hào)，直接進(jìn)行讀數(shù)。
文檔編號(hào)G01R19/02GK2689245SQ200420035648
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月19日
發(fā)明者張玘, 劉國福, 扈嘯, 羅詩途, 周婷婷, 馮旭哲, 吳石林 申請(qǐng)人:張玘