晏 杰，閆英敏，趙 霞，趙志寧

（1.軍械工程學(xué)院電氣控制教研室，河北 石家莊 050003；2.總參炮兵訓(xùn)練基地，河北 宣化 075100；3.軍械工程學(xué)院裝備指揮與管理系，河北 石家莊 050003）

目前115 V/400 Hz中頻電源廣泛應(yīng)用于航空、航天和軍用裝備中。由于這些裝備一般對(duì)電源的精度要求較高，因此必須對(duì)其進(jìn)行較精確的檢測(cè)，使其符合相關(guān)要求，以確保這些裝備安全、可靠地運(yùn)行[1]。本設(shè)計(jì)利用精密電壓傳感器SPT204A、儀用放大器AD620、真有效值/直流轉(zhuǎn)換芯片AD637、A/D轉(zhuǎn)換器MAX197、電壓比較器LM311和單片機(jī)組成了精度較高的中頻電源檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中頻電源電壓和頻率進(jìn)行檢測(cè)的目的。

1 系統(tǒng)工作原理

被測(cè)中頻電源輸入到電壓傳感器，在電壓傳感器二次回路產(chǎn)生與一次回路有一定比例關(guān)系的小電流信號(hào)，該小電流信號(hào)經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，得到一個(gè)幅值適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)。該電壓信號(hào)分成兩路，其中一路送入到RMS/DC轉(zhuǎn)換芯片，從而得到它的有效值，再將該有效值送入A/D轉(zhuǎn)換器，最終將被測(cè)電源電壓的有效值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給單片機(jī)。另一路經(jīng)過電壓波形整形電路得到一個(gè)與被測(cè)電源頻率相同的脈沖信號(hào)，再將該脈沖信號(hào)送給單片機(jī)的一個(gè)計(jì)數(shù)器，通過單片機(jī)的計(jì)數(shù)器對(duì)該脈沖計(jì)數(shù)并進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算得到被測(cè)中頻電源的頻率，最終由單片機(jī)將該電源有效值和頻率值送給LCD顯示。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 傳感器及電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

傳感器電路及電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖2所示。

圖2中電壓傳感器選用的是毫安級(jí)精密電壓傳感器SPT204A。它的額定輸入電流為2 mA，額定輸出電流也為2 mA，但有較好的過載能力。使用時(shí)需要在該電壓傳感器的輸入端接一個(gè)限流電阻60 kΩ，當(dāng)輸入電壓為交流115 V時(shí)，使輸入電流接近額定值2 mA，在這種情況下減小電壓傳感器的輸出誤差。

圖2 傳感器及電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的原理圖

電壓傳感器SPT204A的輸出為電流信號(hào)，因此需要將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。采用儀用放大器AD620搭建一個(gè)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。為了獲得精度較高的輸出電壓，AD620反饋電路由一個(gè)1 kΩ的固定電阻和一個(gè)1 kΩ的可調(diào)電阻組成[2]。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號(hào)送給由R5和C2組成的一階低通濾波電路，濾除對(duì)系統(tǒng)影響較大的高頻信號(hào)。

2.2 真有效值/直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的真有效值/直流轉(zhuǎn)換芯片為AD637芯片。AD637輸入電壓幅度可達(dá)7 V，可以很方便地與A/D轉(zhuǎn)換器MAX197配合，完成電壓有效值的測(cè)量[3]。為了提高測(cè)量精度，在AD637使用手冊(cè)推薦電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下改進(jìn)。在輸入端串接電解電容33 μF隔離直流干擾信號(hào)。另外，采用雙極型濾波器，該濾波器能在不增加平均電容的情況下，減少波紋電壓產(chǎn)生的交流誤差，同時(shí)又不減少穩(wěn)定時(shí)間[4]。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了12位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器MAX197芯片。該芯片內(nèi)部有4.096 V參考電壓源，本設(shè)計(jì)采用其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓[5]。MAX197的INT腳與51單片機(jī)的INT0腳相連，作為轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào)，當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，MAX197的INT腳產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，從而使單片機(jī)進(jìn)入INT0中斷處理程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀入與處理操作。

2.4 電壓波形整形電路的設(shè)計(jì)

電壓波形整形電路的原理如圖3所示。

圖3 電壓波形整形電路的原理圖

本設(shè)計(jì)中選用的電壓比較器為L(zhǎng)M311。為了克服比較器震蕩，提高比較器的抗干擾能力，在本設(shè)計(jì)中給LM311的電路作出改進(jìn)，即同相端引入正反饋接成遲滯比較器。對(duì)于LM311，加入3 mV的滯后量，就會(huì)消除電路中的震蕩[6]。按圖3中的電阻阻值，得到的滯后量為ΔV=5 mV。能夠較好地消除電路中的震蕩。

2.5 單片機(jī)和LCD電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的是STC12C5624單片機(jī)和FYD12864LCD顯示器。利用該LCD靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。在本次設(shè)計(jì)中為了節(jié)省單片機(jī)資源，采用串行接口方式將LCD與單片機(jī)連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)在Keil C51編譯環(huán)境下使用C語言開發(fā)，采用模塊化方式完成對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。主程序流程圖如圖4所示。

3.1 電壓數(shù)據(jù)采集子程序

電壓數(shù)據(jù)的采集是通過控制A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換，并讀取MAX197轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。首先對(duì)MAX197進(jìn)行初始化，然后單片機(jī)通過2個(gè)寫脈沖分別控制數(shù)據(jù)采集和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，MAX197產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)入中斷處理子程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀入與處理操作。

3.2 頻率數(shù)據(jù)采集子程序

單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器定時(shí)一段時(shí)間，同時(shí)在這段時(shí)間內(nèi)單片機(jī)的一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)與被測(cè)電源頻率相同的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后在定時(shí)器的中斷處理子程序中對(duì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)進(jìn)行處理，從而得到被測(cè)電源的頻率。為了實(shí)現(xiàn)足夠長(zhǎng)的定時(shí)時(shí)間，可以采用定時(shí)器和軟件計(jì)數(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行定時(shí)。

3.3 電壓和頻率顯示子程序

首先初始化串行口工作方式，然后單片機(jī)即可向LCD發(fā)送數(shù)據(jù)讓其顯示。

4 測(cè)試結(jié)果

用該系統(tǒng)對(duì)APS5000型號(hào)電源發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)115.0 V、400 Hz的AC電源進(jìn)行測(cè)試，用示波器觀察RMS/DC轉(zhuǎn)換電路和電壓波形整形電路輸出的信號(hào)，波形分別如圖5和圖6所示。

用萬用表測(cè)量電流/電壓轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)的電壓，其有效值為2.999 V。由圖5可知真有效值/直流轉(zhuǎn)換電路將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成了3.00 V的直流信號(hào)，同時(shí)由圖6可知電壓波形整形電路將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成399.998 Hz的方波，達(dá)到了預(yù)期的效果。最終，該檢測(cè)系統(tǒng)顯示的電壓為AC114.91 V，其測(cè)試誤差為0.0783%，頻率為400 Hz，其測(cè)試誤差為0。

圖5 真有效值/直流轉(zhuǎn)換電路輸出的信號(hào)

圖6 電壓波形整形電路輸出的信號(hào)

用該系統(tǒng)先后對(duì)有效值90～140 V、頻率300～500 Hz的電源進(jìn)行測(cè)試，電壓的誤差均在0.1%范圍內(nèi)，頻率誤差均為0。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)利用電壓傳感器、儀用放大器、RMS/DC芯片AD637、A/D轉(zhuǎn)換器完成了中頻電源電壓數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)，利用了對(duì)電壓比較器LM311進(jìn)行改進(jìn)的電路和單片機(jī)完成了中頻電源頻率數(shù)據(jù)的采集。該設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)思路清晰、程序簡(jiǎn)潔、測(cè)量精度高，同時(shí)可提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，可推廣使用到航空、航天和軍用裝備的中頻電源系統(tǒng)檢測(cè)中。

[1]楊學(xué)昭，王耕.基于單片機(jī)的400 Hz軍用電源頻率和相位的測(cè)量設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2003，15（7）：42-43.

[2]紀(jì)宗南.低功耗儀表放大器的應(yīng)用[J].國外電子元器件，1998，10（10）：32-35.

[3]陳仁偉.高準(zhǔn)確度有效值轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，6（6）：20-22.

[4]梁琴.基于AD637高精度真有效值數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)[J].中國儀器儀表，2008（11）：57-58.

[5]顏廷秦.12位MAX197和51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù)與管理，2006（3）：75-77.

[6]楊玉強(qiáng).LM311在使用中應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J].錦州師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999（3）：9-11.