专利名称：智能交流数字毫伏表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电气和电子测量领域，具体涉及一种电压表的改进。
背景技术：
在电气和电子测量中，电压是一个很重要的参数。如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电测仪器研究的内容之一。测量电压值主要通过模拟交流电压表或数字毫伏表实现。
目前所用的模拟电压表存在以下不足之处(1)模拟电压表多为平均值检波，存在测量非正弦信号误差较大、测量小信号时漂移较大的问题，致使仪器灵敏度受到限制。
(2)模拟电压表不能实现量程的自动转换，测量不同幅值的电压前需根据估计值在测量前手工转换量程，有时由于估计不准或忘记转换量程会造成电压表的损坏。
(3)模拟电压表采用刻度盘读数，存在示值误差，且受读数者主观因素影响，读数误差大。
(4)使用前需进行调零操作。
而目前所用数字毫伏表也存在以下不足(1)具有超量程自动闪烁功能，但不具备自动量程转换功能；(2)数码管(LED)显示，只显示数值，不显示单位。
(3)测量幅度范围有限，典型的范围有以下几种100mV～300V、30μV～300V、1mV～300V、0.3mV～100V。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种灵敏度高，测压范围广，读数简单、明了，操作方便之全自动智能交流数字毫伏表。
本实用新型是通过下面的技术方案解决上述技术问题的。其特征在于它包括衰减器及放大电路、单片机、真有效值直流变换器和模数转换器，所述衰减器及放大电路内设有运算放大器和微型继电器，与单片机相连，同时与真有效值直流变换器相连，真有效值直流变换器通过模数转换器与单片机相连，单片机之I/O口与两液晶显示器相连。
本实用新型具有下述技术效果(1)采用有源积分式放大检波方式，克服了模拟电压表的缺陷，有效地保证了8仪器的灵敏度；(2)对于频率在10Hz～2MHz范围内的任意波形交流模拟信号，在实现传统模拟电压表的一般功能(单/双通道测量及显示)的基础上，还扩展了智能选择量程进行测量的功能，整个测压范围达到10μV～300V，灵敏度保证在10μV级；(3)采用两块液晶可同时显示电压值、分贝值以及所需的其它字符，读数简单方便，液晶可显示的最大分辨率为0.01mV；(4)具备自动调零功能，不需手工调零；(5)实现无按键操作，只需接输入信号，直接进行读数，不需任何中间操作。
图1为本实用新型电路原理框图；图2为本实用新型具体实施例电路图一；图3为本实用新型具体实施例电路图二；图4为本实用新型产品面板示意图；图5为本实用新型工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括衰减及放大电路、单片机、真有效值直流变换器和模数转换器，所述衰减及放大电路内设有运算放大器和微型继电器，与单片机相连，同时与真有效值直流变换器相连，真有效值直流变换器通过模数转换器与单片机相连，单片机之I/O口与两液晶显示器相连。滤波后的模拟信号通过衰减放大电路将电压值转换到真有效值直流变换器的工作电压范围内，然后让变换结果通过模数转换器转换后直接进入单片机，经软件部分的相应处理后送液晶显示器显示。若输入的被测信号电压不在合适的量程之内，单片机经过判断后控制衰减及放大电路中微型继电器对衰减放大电路作相应的调整，以实现仪器智能转换量程的功能，并起到了保护后续电路的作用。
图2和图3表达了实施本实用新型的具体电路结构。
如图2所示，U1为三端稳压器，型号为7905，其主要功能是输出-5V电压；JP为跳线器，主要功能是为电路系统提供-15V和-5V电源电压。U1与JP1～JP2组成的电路部分的功能为若JP1接通，则为电路提供-5V电压；若JP2接通，则为电路提供-15V电压。
U3为参考电源，型号为TL431，主要功能是为模数转换电路提供基准电压。U3所在的电路部分的功能是给模数转换器提供2V和0.2V的基准电压，D1、D2为发8光二极管，主要功能是用来指示+5V和-5V电源电压是否接通。
U2为有效值-直流变换器，型号为AD637JQ-DIP，主要功能是将交流信号的有效值变换为直流电压。
U4为模数转换器，型号为TLC1549，其主要功能是将输入模拟信号离散化为数字信号后输出。本实用新型模数转换用带串行控制的10位模数转换器来实现，它能对信号自动采样保持，总不可调整误差可控制在±1LSB Max内。通过TL431电压基准芯片提供外加参考电平Vref+～Vref-；转换范围Vcc～0V，经过校准即可确定具体数值。U4的输入信号为10Hz～1MHz的正弦波。但由于前端采用有效值-直流变换器U2处理，被测信号可以是任意波形。
U2、U4及JP3、JP5所组成的电路部分的功能是将交流信号的有效值采样变换为数字信号。
U5为单片机，型号为P87LPC762/4-DIP，其主要功能是采集交流信号的有效值、响应按键、控制液晶的显示以及完成相关信号的数字运算功能。它为一次性编程的单片机，可以提供4K字节OTP程存空间，128字节数据存储器。它不仅具备MCS-51系列已有的特点，同时增加了WDT看门狗、I2C总线，上电复位检测、欠压复位检测等其他功能，保证I/O口驱动电流达到20mA，运行速度为标准80C51的二倍，而且温度范围也达到工业级标准(-40～+85℃)，单片机U5本身的可靠性即电磁兼容特性也极好，功耗很低。
D3～D10为发光二极管，主要功能是指示继电器工作状态，S1为按键，对应操作面板上的DISPLAY按钮。
U6A～U6F、U7A～U7F、U8A～U8F为反相器，型号为74LS14，主要功能是将输入TTL电平求反，与JP8～JP23组成的电路主要功能为将输入电平缓冲和求反。
如图3所示，U9～U12、U19～U22为继电器，型号为HRS1H-S，主要功能是开关切断，选通不同的路径；U13～U18、U23～U28为运算放大器，型号为OP07，主要功能是对输入信号进行放大处理。U9～U18、U19～U28组成的电路部分的主要功能是完成对输入信号的衰减放大及量程转换。
本实用新型信号的衰减及放大由单片机U5之I/O口通过微型继电器U9～U12、U19～U22控制，与模数转换器U4配合，以实现量程的自动转换。若被测电压高于单片机U5此时设定的量程，单片机U5控制相应的继电器U9～U12、U19～U22对信号衰减，反之则放大，保证输入的有效值-直流变换器U2信号不超过其工作电压范围，并尽量使有效值-直流变换器U2工作在最佳状态，提高灵敏度。
本实用新型共两块液晶显示器，每块3根控制线，通过信号线复用，两块液晶共占用4根信号线。液晶可显示3位带负号小数点的8位字段。显示有效值和分贝值格式如下有效值“3位半数字(可带小数点)”+“mV/V”分贝值“负号”+“3位数字(可带小数点)”+“dB”单路时一块液晶显示有效值，另一块显示分贝值。双路测量显示有效值、分贝值可交替显示。
液晶可显示电压mV值及dB值，dB的转换和显示原理如下分贝值转换公式dB＝20log10V，其中，V表示待测电压值，并采用查表方法实现分贝值的转换。由于单片机U5只提供4K字节的程存空间，无法存入所有电压值对应的dB值，故查表程序应根据情况灵活设计。
首先将确定此时的量程档位值，然后调出经模数转换后的电压数据查表，接着根据档位值和查表结果确定该电压的实际分贝值。如测量150V电压，首先确定选用量程为7档，衰减后的信号为1.5V，故其实际的分贝值应为1.5V电压对应的分贝值再加40(信号从150V调整为1.5V衰减了100倍)，最后送液晶显示。
本实用新型工作过程如图5所示，上电初始化后，首先将档位值置于最大档位(BAND＝7)，让系统从100V～300V开始检测待测电压，这样虽然延长了仪表的响应时间，但是可以避免上电时待测电压过高烧坏仪表，然后单片机U5从模数转换器U4读取数据。128个数据为一包，读满一包数据后进行处理，经过剔除粗大误差及求均值操作后，得到的均值作为这一包数据的有效值Data。
由于A/D转换后的数据范围是0～1000，为了保护仪表防止电压过高或过低造成损坏以及便于量程转换，可取100～1000为正常测量范围(即不进行档位转换)。仿真中发现在Data＝100附近电压跳变较大造成档位频繁跳变，所以这里取下限值为95。即程序判断Data小于95时，档位值减1，而Data大于1000时，档位值加1。
由于最高档位不能大于7且最低档位值不能小于0，所以在加减档位值操作前加入判断语句。若加减操作前已经是7档或0档，程序就直接跳转到主程序中重新取数据并执行响应操作。若不是，就执行相应的档位值加减操作。
由于在数据较小时容易受到各种噪声干扰，使得继电器U9～U12在Data为95附近经常产生跳档误操作，既不方便又损坏仪表，因此主程序中设置了一个数据缓冲区[90，100]来避免这一现象。这种情况下电压值和分贝值会按照正常测量档位降一档显示。当Data∈[90，95)时显然跳档是合理的；当Data∈[95，100]时就要强制下跳一档，将数据放在低一档进行处理和显示。
执行完数据处理和显示的操作后，程序根据此时的档位值重新取数、处理、显示，如此循环下去，直到测量完毕。
另外，在分贝值显示时，程序单独编写了查表程序，利用查表的方法查找和显示此时电压对应的分贝值，既大大加快了程序运行速度，又节省了将近1K字节的程存空间，优化了程序。
本实用新型产品面板如图4所示，面板上各部分的功能如下(1)左边液晶显示输入端口1(CH1)中输入信号的幅度值，该液晶与图2中的JP4相连；(2)右边液晶显示输入端口2(CH1 INPUT)中输入信号的幅度值，该液晶与图2中的JP6相连；(3)POWER总电源开关；(4)CH1 INPUT输入端口1，与图3中的CH1_IN相连；(5)CH2 INPUT输入端口2，与图3中的CH2_IN相连；(6)DISPLAY显示转换开关，在测量一路信号时，左液晶显示mV，右液晶显示dB，当测量两路信号时，左右液晶均显示mV，按“DISPLAY”开关，则两液晶均显示dB，与图2中的S1相连。
权利要求1.一种智能交流数字毫伏表，其特征在于它包括衰减器及放大电路、单片机、真有效值直流变换器和模数转换器，所述衰减器及放大电路内设有运算放大器和微型继电器，与单片机相连，同时与真有效值直流变换器相连，真有效值直流变换器通过模数转换器与单片机相连，单片机之I/O口与两液晶显示器相连。
专利摘要一种智能交流数字毫伏表，其特征在于它包括衰减器及放大电路、单片机、真有效值直流变换器和模数转换器，所述衰减器及放大电路内设有运算放大器和微型继电器，与单片机相连，同时与真有效值直流变换器相连，真有效值直流变换器通过模数转换器与单片机相连，单片机之I/O口与两液晶显示器相连。本实用新型采用有源积分式放大检波方式，有效地保证了仪器的灵敏度，同时还扩展了智能选择量程进行测量的功能，测压范围达10μV～300V，灵敏度保证在10μV级；采用两块液晶可同时显示电压值、分贝值以及所需的其它字符，读数简单方便，液晶可显示的最大分辨率为0.01mV；具备自动调零功能，不需手工调零；可实现无按键操作，只需接输入信号，直接进行读数。
文档编号G01R19/02GK2689245SQ200420035648
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月19日 优先权日2004年4月19日
发明者张玘, 刘国福, 扈啸, 罗诗途, 周婷婷, 冯旭哲, 吴石林 申请人:张玘
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