黃春平

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 中山 528404）

0 引 言

交流毫伏表是用來(lái)測(cè)量交流電壓有效值的儀器，是常用的測(cè)試儀器，在音響產(chǎn)品和其他電氣的產(chǎn)品測(cè)試中有廣泛的應(yīng)用[1]。本文通過(guò)STM32F103C8T6的72 MHz高速總線、12 bit ADC、電阻網(wǎng)絡(luò)匹配以及高帶寬電壓有效值直流轉(zhuǎn)換器AD637設(shè)計(jì)了一種集200 V、20 V、2 V及200 mV自動(dòng)量程切換的高帶寬、大量程的數(shù)顯交流毫伏表，通過(guò)STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能控制，使用穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高的穩(wěn)壓芯片單獨(dú)供電，大大減小了電源紋波，提高了采樣精度，對(duì)交流電壓有效值的測(cè)量測(cè)試具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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1所示。微控制器部分包括STM32單片機(jī)、12位ADC、鍵盤(pán)以及數(shù)碼管顯示[2]。繼電器切換選擇電路部分包括200 V、20 V、2 V和200 mV繼電器選擇通道，默認(rèn)從高電壓開(kāi)始，根據(jù)被測(cè)電壓自動(dòng)調(diào)整到對(duì)應(yīng)檔位。電阻網(wǎng)絡(luò)通過(guò)精密功率電阻串聯(lián)分壓，確保每個(gè)檔位的電壓在合理范圍。有效值直流轉(zhuǎn)換器AD637能計(jì)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(guò)交流整流濾波后串聯(lián)穩(wěn)壓芯片再濾波的雙15 V電源、3.3 V及5 V電源。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 控制硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路

主控芯片采用48腳STM32F103C8T6單片機(jī)，外接8 MHz無(wú)源晶振，采用串口下載方式，如圖2所示。芯片擁有128 kB FlashROM、20 kB SRAM，芯片內(nèi)有2個(gè)12位的ADC[3]。微控制器處理電路通過(guò)上電復(fù)位，S1連接到外部中斷1，按下啟動(dòng)測(cè)試。為了節(jié)省IO口，通過(guò)串行方式控制顯示，CP為時(shí)鐘信號(hào)，DATA為數(shù)據(jù)信號(hào)。P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7是啟動(dòng)測(cè)試控制和檔位控制IO口。

圖2 單片機(jī)控制模塊單元

人機(jī)交互采用數(shù)碼管顯示，如圖3所示。數(shù)碼管的各個(gè)數(shù)據(jù)引腳都連接74LS164，74LS164再連接單片機(jī)，方便擴(kuò)展數(shù)碼顯示。單片機(jī)通過(guò)編程，配置好74LS164的啟用程序，把得到的轉(zhuǎn)速輸送到74LS164上，從而通過(guò)74LS164移位到數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。74LS164是8位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，之后并行輸出。數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)輸入端（DSA或DSB）之一串行輸入，任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。時(shí)鐘（CP）每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位輸入到Q0。Q0是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長(zhǎng)度。主復(fù)位（MR）輸入端上的一個(gè)低電平將使其他所有輸入端都無(wú)效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。

圖3 數(shù)碼管顯示電路圖

2.2 切換電路

交流毫伏表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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4所示。為了提高抗干擾能力，減少?gòu)?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(hào)引腳2發(fā)光二極管陰極接STM32單片機(jī)IO口，通過(guò)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(guò)1 K電阻連接到5 V電壓，當(dāng)連接二極管陰極的IO口輸出低電平時(shí)，光耦芯片發(fā)光二極管發(fā)光，三極管基極接到光信號(hào)導(dǎo)通，PC817引腳3即三極管發(fā)射極輸出電流驅(qū)動(dòng)MPSA13三極管，MPSA13導(dǎo)通，由于MPSA13最大集電極電流可以達(dá)到500 mA，可以確保線圈吸合。當(dāng)線圈吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，被測(cè)電壓將會(huì)被接通進(jìn)行測(cè)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(kāi)和閉合期間產(chǎn)生的自感電壓被二極管鉗位在0.7 V，不至于因自感電壓過(guò)高擊穿驅(qū)動(dòng)三極管；另一方面，在開(kāi)關(guān)階段形成續(xù)流回路，提高開(kāi)關(guān)速度，讓通斷更接近理想開(kāi)關(guān)[4]。

圖4 檔位切換電路公共部分

自動(dòng)量程切換電路如圖5所示，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)量程切換。P1.3是啟動(dòng)測(cè)試控制IO，當(dāng)啟動(dòng)按鍵按下，P1.3輸出低電平，被測(cè)電壓輸入進(jìn)來(lái)。P1.4是200 mV檔位控制IO，P1.5是2 V檔位控制IO，P1.6是20 V檔位控制IO，P1.7是200 V檔位控制IO。默認(rèn)將從200V高檔位開(kāi)始測(cè)試，通過(guò)單片機(jī)ADC采集的電壓范圍確定在某一檔位，并將測(cè)試電壓輸出顯示在數(shù)碼管上。

圖5 檔位切換電路

2.3 電阻網(wǎng)絡(luò)和限幅電路

電阻網(wǎng)絡(luò)通過(guò)電阻的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)電壓的分壓，如圖6（a）所示。電阻網(wǎng)絡(luò)是交流毫伏表自動(dòng)量程的關(guān)鍵，保證每個(gè)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(cè)試電壓與分壓電阻、最大分壓輸入關(guān)系如表1所示。由表1可見(jiàn)，最大輸入電壓為1 V，因?yàn)殡娮铻榇?lián)連接，電流相等，這種情況下電阻越大，功率越大，200 V對(duì)應(yīng)的電阻消耗的最大功率為3.33 mW。

表1 電阻和電壓關(guān)系表

圖6 電阻網(wǎng)絡(luò)和限幅電路原理圖

限幅電路是限制信號(hào)輸出幅度的電路，如圖6（b）所示。它能按限定的范圍削平信號(hào)電壓的波形幅度，是用來(lái)限制信號(hào)電壓范圍的電路，又稱(chēng)限幅器、削波器等。當(dāng)正常電壓輸入時(shí)，D3、D4不導(dǎo)通，輸入電壓直接輸入到單片機(jī)ADC引腳。當(dāng)輸入電壓高于3.2 V時(shí)候，二極管D4導(dǎo)通，輸入電壓將被鉗位在3.2 V；當(dāng)輸入電壓低于負(fù)3.2 V時(shí)，二極管D3導(dǎo)通，輸入電壓將被鉗位在負(fù)3.2 V；當(dāng)輸入電壓達(dá)到或超過(guò)上限電壓時(shí)，輸出電壓將保持為一個(gè)固定值，不再隨輸入電壓而變，這樣就保證了ADC的輸入電壓在不超過(guò)3.2 V的電壓范圍內(nèi)。

2.4 有效值轉(zhuǎn)換電路

有效值轉(zhuǎn)換采用AD637有效值直流轉(zhuǎn)換器，所需外圍元件少，轉(zhuǎn)換原理如圖7所示。芯片采用±15 V供電，能計(jì)算任何復(fù)雜波形的真有效值、平均值、均方根值以及絕對(duì)值；頻帶寬，允許測(cè)量 100 mV均方根、頻率最高達(dá)600 kHz的輸入信號(hào)以及2 V均方根以上、頻率最高達(dá)8 MHz的輸入信號(hào)[5]。輸入正弦波信號(hào)，它的有效值為，Um為最大值；輸入直流信號(hào)，它的有效值仍是標(biāo)稱(chēng)值。

圖7 AD37有效值轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.5 電源電路

電源電路包括±15 V、5 V及3.3 V整流濾波穩(wěn)壓電路?！?5 V直流電源提供給AD637，5 V電源提供給直流繼電器和數(shù)碼管，各用一塊穩(wěn)壓芯片，3.3 V電源提供給單片機(jī)，如圖8所示。電源電壓的準(zhǔn)確度直接影響交流毫伏表的精度。整流濾波之后采用了LM317穩(wěn)壓芯片。LM317調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高。LM317輸出電壓引腳和調(diào)整電壓引腳之間的標(biāo)準(zhǔn)電壓為1.25 V，可以通過(guò)電阻調(diào)整到1.2～37 V，通過(guò)合理匹配調(diào)整到15 V、5 V和3.3 V。每塊LM317芯片最大輸出電流可達(dá)1.5 A，滿足單片機(jī)和繼電器吸合所需 電流。

圖8 電源電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)顯交流毫伏表程序流程如圖9所示。開(kāi)機(jī)后首先初始化，判斷中斷按鍵即測(cè)試鍵按下，將檔位切換到最高檔位200 V位置并讀取ADC轉(zhuǎn)換值，判斷電壓是否在該檔有效范圍值。如果是對(duì)應(yīng)范圍電壓值，則通過(guò)滑動(dòng)濾波平均算法將電壓值顯示在數(shù)碼管上；如果不是對(duì)應(yīng)電壓范圍，則切換到20 V檔位并按照如上流程循環(huán)進(jìn)行。

圖9 程序流程圖

滑動(dòng)濾波平均算法為：

式中：Xn為第n次采樣值經(jīng)濾波后的輸出，Xn-i為未經(jīng)濾波的第n-i次采樣值，N為滑動(dòng)平均項(xiàng)數(shù)，這里N選5，對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用[6]。

數(shù)顯交流毫伏表內(nèi)部實(shí)物如圖10所示，通過(guò)數(shù)碼管能準(zhǔn)確顯示被測(cè)電壓有效值。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，系統(tǒng)軟件穩(wěn)定、效果良好，顯示效果如圖11所示。

圖10 數(shù)顯交流毫伏表內(nèi)部實(shí)物圖

圖11 數(shù)顯交流毫伏表工作圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用STM32單片機(jī)、繼電器切換電路、電阻網(wǎng)絡(luò)、限幅電路以及AD637等硬件模塊，并應(yīng)用STM32單片機(jī)12位高速ADC、滑動(dòng)平均濾波法完成200 V、20 V、2 V及200 mV四個(gè)檔位自動(dòng)測(cè)試電壓有效值，量程從0～400 V，精度能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后三位，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試檔位自動(dòng)切換、數(shù)碼顯示、寬量程等智能控制，產(chǎn)品具有較好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。