（精密仪器及机械专业论文）6位半数字程控电压表的研究.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 本文论述了高精度程控数字电压表的设计原理及实现的方法。该电 压表可实现对交直流电压，电流、频率、周期、温度等物理量进行高 精度测量，并具有量程手动、自动切换、结果的液晶显示、与微机通 信等功能。 文章介绍了系统总体设计方案，并详细阐述了基于双c p u ( d s p ，单 片机) 及24 位数模转换芯片a d s l2 1o 构成的高精度数据采集与处理系 统。实验证明该系统已达到设计要求，文章最后对进一步提高精度作 了探讨。 关键词：高精度程控放大器自动量程转换数据采集 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a o t th e p a p e r m a in lyd is cusse sth e d es i g np r inc ip lea n dc h ie f t ec h n i q u eso fah ig ha ccu r a c yp r o g r a m m a b l e d i g it a l v 0 1 t m e t e r m e asure m e n to fa ca n dd cv 0 l t a g e ，cu r ren t 、 f r e que n cy 、p e r i 0 d 、 te 册pe r a tu r e ， a nds 0 o n ， a rea c c o m p l is hedbyth em e te r m a nu a l s w i tch in g0 rse l f a d jus t in g r a n g e 、d i sp la y i n g ther es u l ts0 n 1 iqu idc r ys t a l a ndc 0 m m un ic a t i n g w i thp cisf u l f i l l ed b y th e m e te r the p a p e rh a sin tr o du ce dtheove r a l ldes i g np l a n0 ft hesys t e m a ndd isser ted0 nt heh ig h a ccu f a c ys a m p l ea n dp r ocesssys in p a r t i cu l a r ，w h ichisb ased0 ndu a l p r 0 cess o r ( d s p ，m o n o p r o c ess o r )a n dt h e2 4 一b i tres 0 lu t i0 n a n a l0 9 t0 一d e m 那 i t h ic g i t a l c 0 nv e r te ra d s l2 10 t h e e x p e r i m e n t s p r o v e th a tth is s y s te mh a s re a ch e dt h e r e q u ir e m e n t 0 fd es ig n a n df in a l l yh o wt 0i m p r o ve p r ec i s i0 nm o reisd isc ussed int he p a p e f k e y w o r ds ：h i g ha ccu r a c y a u t o m a t ic f a n g e p r o g r a m m a b l e a m p l i f i e r c b a n g e d a t a a c q u is i t i 0 n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：i 焦主蕉整数空皇压盔监盟壅 学位论文作者签名 如移专 日期：f 堙母年6 月罗7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保罄、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 僮圭焦整熬室皇压基的叠究 日期：二砰年月3 日 日期：刚年年r 月；1 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪言 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源及背景 近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛，在此基础上 发展起来的智能仪器仪表无论是在测量的准确度、可靠性、自动化程度、运用 功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有迅速的 发展。图1 1 示出了数字电压表之类的智能仪表的基本结构框图。 图l 。l 智能仪表的基本框图 智能仪表与传统仪表相比具有以下几个主要特征： ( 1 ) 多功能、高性能。智能仪表通常都能自选量程、自动调零、自检、自校。 ( 2 ) 具有数据处理能力，减轻了测试人员的劳动强度。 ( 3 ) 具有较完善的可程控能力。 ( 4 ) 可以用键盘来选择功能、量程和数据处理程序。 ( 5 ) 可通过各种显示器将结果显示。 智能仪表具有上述优点，因此各仪器仪表开发制造商都争先推出新一代的 智能化产品。当前国产数字表绝大多数低于6 位，满足不了一些精度要求较 高的领域，例如：高等级计量、军工和航天领域，以及精密仪器与机械领域。 在这些领域往往需要购买国外的仪器仪表产品，国外的高精度数字表价格都较 为昂贵。因此，探索、制造6 必位数字电压表是切合实际的。国产6 “位数字电 压表极少见，研发出6 m 位数字电压表具有好的市场前景，具有可观的经济效 第l 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 益。课题来源于外协项目“6 彤位数字程控电压表”。 1 1 2 课题研究目的 本课题的目的是：主要通过硬件电路设计实现电压、电流、频率、周期、 温度等物理量的高精度测量要求。对高精度测量的实现做一定的探讨和研究。 另外通过与p c 机的通信实现程控。 首先，可以完成外协项目一一6 数字程控电压表，这是本课题的直接应 用目的。项目是由用户根据需要提出的，完成后可直接应用于实际测量中，具 有实用价值并可带来一定的经济效益。本课题研究获得成功，可为国内高精度 测量的发展和完善起到一定的推动作用，具有一定的社会效益。 其次，高精度测量的硬件实现原理可应用于相关领域，使得各种工作所使 用的测量参数精度得以保证。将硬件电路加入到传感器所转化的电量的测量， 那么二次处理时的数据精度将得以确保。这种处理方法梅大大提高测量原理的 使用价值，使得所测量的物理量大大增加。高精度a d 转换芯片的准确使用也 是课题意义之一，由于精度的要求，采集的模拟信号量转换成数字信号量就需 要较高精度的保证。为此采用高精度a d 来完成转换，但速度和精度在一定程 度上是成反比的，并且基准电压等因素对其有很大影响，因此需要进行合适 的设置和外部电路处理。课题在此方面进行了探讨研究。 1 2 国内外研究现状 5 0 年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器 得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测 试自动化打下了良好的基点。6 0 年代中期，测量技术又一次取得了进展，计算 机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成测量整个 系统的待征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示 输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。7 0 年代，计算机技 术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现 了数据域( d a t ad o m a in ) 测试。8 0 年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器 前面板丌始朝键盘化方向发展，过去直观的用于调节的旋转度盘，选择电压电 流等量程或功能的滑动开关，通、断丌关键已经消失。测量系统的主要模式， 是采用机柜形式，全部通过i e e e 一4 8 8 总线送到一个控制品上。测试时，可用 丰富的b a s i c 语言程序来高速测试。不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经 得到了发展。9 0 年代，仪器仪表与测量科学进步取得重大的突破性进展。这个 进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。突出表现在以下几个方面：微 电子技术的进步将更深刻地影响仪器仪表的设计：d s p 芯片的大量问世，使仪 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数 据处理能力；阁像处理功能的增加卜分普遍。 国外仪器高精度仪表产品发展一直领先于我国。国外仪器仪表发展特点： l 、新技术的应用。目前普遍采用e d a ( 电子设计自动化) 、c a m ( 计算机辅 助制造) 、c a t ( 计算机辅助测试) 、d s p ( 数字信号处理) 、a s i c ( 专用集成电 路) 及s m t ( 表面贴装技术) 等。 2 、产品结构变化。注重性能价格化。在重视高档仪器丌发的同时，注重 高新技术和量大面广产品的丌发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机， 更注重系统、产品软化，随着各类仪器装上了，c p u ，实现了数字化后，软件 上投入了巨大的人力、财力、今后的仪器归纳成一个简单的公式：仪器 = a d d a + c p u + 软件，a d 芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后 用d a 输出。 3 、产品丌发准则发生了变化。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高 精尖转为“恰到好处”。丌发一项成功产品的准则是，用户有明确的需求：能 用最短的丌发时问投放市场；功能与性能要恰到好处：产品开发准则的另变 化是收缩方向，集中优势。 4 、生产技术注重专业生产，不大而全。生产过程采用自动测试系统。目 前多以g p i b 仪器组建自动测试系统。生产线上尽是一个个大的测试柜，快速 地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。 现在，国外各仪器仪表厂家纷纷推出了自己的高精度系列产品。在精度上 1 精度已经达到8 去位，例如f l u k e ( 福禄克) 公司的8 5 0 8 a 参考级数字多用表、 2 k e i t h l e y ( 吉时利) 公司的2 0 0 2 型八位半数字多用表、a g i l e n t ( 安捷达) 公司 的3 4 5 s a 型8 5 位数字多用表等。同时，它们的产品测试功能不断增强， k e i t h l e y 公司的2 0 0 0 型六位半数字表具有13 中测试功能、2 0 0 l 型七位半数 字表具有1 8 中测试功能。 近年来，我国仪器仪表行业有长足的发展，无论是在新产品的丌发研制能 力、产品科技含量和推广应用等方面都取得可喜的成绩。我国机械、轻纺、 冶金、石化行业等仪器仪表服务领域经营状况好转，环保、信息、教育等产业 的振兴，对相关的自动化仪表、环保仪表、教学仪器、电子测量仪器等行业的 发展产生了直接的推动力。我国仪器仪表行业总体走势良好，但目前我国仪器 仪表产品档次水平偏低，令人堪忧。目前我国仪器仪表行业产品大多属于中低 档水平，随着国际上数字化、智能化、网络化、微型化的产品逐渐成为主流， 差距还将进一步加大。目前我国高档、大型仪器设备大多依赖进口，中档产品 以及许多关键零部件，国外公司占有我国市场6 0 以上的份额，而国产分析仪 器约占全球市场不到千分之二的份额，我国仪器仪表虽然技术指标同国外同类 国防科学技术人学研究生院学位论文 产品比较差距不大，但产品稳定性和可靠性的问题依然突出，由于这些问题没 有得到很好的解决，成为国产仪器仪表的“硬伤”，并极大地限制了国产仪器 仪表的使用范围和可信程度，同时科技创新进展缓慢，成为国产仪器仪表工业 发展的“瓶颈”。面对我国入世的新形势，这种状况必须尽快改变。 目前我国仪器仪表行业专门从事对行业发展进行基础性、前瞻性、战略性 及重大专项研究的力量薄弱而分散，导致我国仪器仪表行业整体技术水平不 高，其主要问题和差距：一是国际上现代化仪器仪表正向准确化、微型化、集 成化、智能化和总线化迅速发展，处于领先甚至垄断地位，而我国仪器仪表工 业起步较晚，相关基础薄弱，尚属于幼稚而脆弱的产业：二是我国入世后市场 逐渐被外商抢占，高层竞争会更加激烈，国外企业将更加关注我国市场，加大 市场份额的争夺，同时各种形式的贸易保护主义也会纷纷抬头使出口工作受到 定影响。为尽快改变现状，国家必须通过制定政策，引导、支持对仪器仪表 产业的研发投入制订可适度保护仪器仪表行业发展的国家( 行业) 标准和相 关技术法规，规范市场行为，净化经营环境，制订行规行约，协调出口价格。 同时我国仪器仪表行业应根据行业特点，加大力度推进企业多元化转制，充分 利用市场优势、产业基础和国际产业结构调整机遇，办好合资企业，嫁接技术 提高水平；还应尽快建立仪器仪表产业风险投资机制，加快国有企业的体制改 革；建立一批仪器仪表工业科研和工程发展一批仪器仪表生产基地和“龙头企 业”。我的毕业课题就是在高精度数字表方面一个小的探索。 1 3 论文研究内容及关键技术 1 3 1 研究内容 课题所要研究的内容有三个方面： 1 如何设计数掘采集系统 以a t 8 9 c 5 5 为核心组建采集系统，它必须快速准确采取各种待测参数转化 为数字量。由于要求的精度很高，采集系统应尽可能的排除噪声干扰，充分利 用高精度a d 器件的性能，提高所测物理量的精度。这些都是本课题所研究的 主要内容。 2 怎样进行数据处理 单纯利用硬件设计不能够完全实现数字电压表的测量精度达到6 位半的要 求，另外利用单片机不适合进行数据处理运算，因此利用d s p 进行一定的数据 处理，将精度尽可能提高至要求。处理方法的选择和实现是课题又一重要研究 的内容。 3 数字表功能的完备 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 数字程控电压表能对交直流电压，电流、频率周期、温度等物理量进行高 精度测量，同时要具有测量物理量的选择、量程手动、自动切换、结果的显示、 与p c 机通信( 实现程控) 等功能。另外，根据厂商要求电压表还应该可以通过 按键选择一些特殊的功能或完成某些对数字表的设置。如何有效的实现这些功 能也是课题所需研究解决的问题。 1 3 2 关键技术 整个设计、调试数字程控电压表的过程需要用到以下技术。 ( 1 ) 高精度数据采集技术 ( 2 ) 通信技术 ( 3 ) 数据处理技术 1 3 3 论文的总体介绍 在下面的章节中，笔者将只对关键的技术点和创新点进行阐述，而略去了大量的 软件功能说明、运作流程。事实上，这些方面以及硬件的调试工作是非常烦琐和复杂 的，需要耐心和细心的工作，表1 1 给出本文各章内容的安排。 表卜l 各章内容安排 童节 主要内容 第一章绪言 简介课题的背景，综述课题研究的目的、意 义，国内外的研究现状及相关技术，介绍本 文的基本框架、主要研究内容和技术方案。 第二章高精度数字电压 本章从系统的性能指标出发，提出了基于高 表设计的总体方案精度程控数字电压表的实现方案。 第三章系统硬件设计本章介绍了电压表各功能模块的设计，包括 信号调理、键盘显示、基于a d s l 2 1 0 的采集 电路，以及d s p 系统设计。 第四章数据处理及自校 本章对电压表所采用的数据处理及自校准技 准技术术进行了介绍。 第五章实验数据分析 本章首先对电压表的实验条件和标定方法作 了介绍，然后对取得的实验数据进行分析处 理得到最后的结果。 第六章结论与展望 给出本仪器的结果，并对其提出了改进方案。 第5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第二章高精度数字电压表设计的总体方案 2 1 系统的功能和性能指标 1 仪表功能 根据设计要求，6 必数字程控电压表要具有七种测量功能 ( 1 ) 直流电压； ( 2 ) 电阻； ( 3 ) 直流电流； ( 4 ) 真有效值交流电压： ( 5 ) 真有效值交流电流： ( 6 ) 频率和周期： ( 7 ) 温度： 2 ，性能指标 直流性能 表2 - 1 直流性能 功能量程分辨率输入阻抗精确度 1 0 0 m v o 1uv ( 4 0 p p mo f i v lpv r e a d i n g + 7 p p m 直流电 l o v 1 0uv o f r a n g e ) 压 1 0 0 v 1 0 0 p v y e a r ，1 v 1 0 0 0 v i m v 1 0 0q1 0 0uq ( 1 0 0 p p mo f j k qi m q l o m q r e a d i n g + 1 0 p p m l o kq1 0 mq o f r a n g e ) 电阻 1 0 0 k q1 0 0 m q y e a r ，1 k q l m qlq l o m q1 0 q l o o m q1 0 0 q 1 0 m al o n a ( 6 0 p p mo f 直流电 1 0 0 m a1 0 0 n a r e a d i n g + 1 5 p p m 流 1 a1 “a o f r a n g e ) 3 a 1 0 ua 2 4 h r ，1 0 m a ( 二) 交流特性 第6 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 表2 2 交流性能 功能量程分辨率输入阻抗精确度 交流电 1 0 0 m yo 1uv 上b 1 vi vi o f q( 0 0 6 o f 1 0 vl ouv 2 r e a d i n g + 0 0 3 o f 1 0 0 v1 0 0uv1 0 0 p f r a n g e ) y e a r ，1 0 0 v ， 7 5 0 vl m v10 h z 一2 0 k h z 【父胤电 l a1ua ( o 1 o f 汛 3 a1 0uar e a d i n g + 0 0 4 o f r a n g e ) y e a r ，l a ， 10 h z 一5 k h z 频率和周期性能 表2 3 频率、周期性能 功能测试范围精确度 f 频率3 r z 一3 0 0 k h z( o ，0 1 o fr e a d i n g ) 9 0d a y ( 1 0 0 m yt o7 5 0 v ) l 周期 2us 一3 3 3 m s 温度 测量范围：2 0 0 一4 0 04 c 分辨率：0 0 1 另外还有以下几点要求： ( 1 ) 输入保护：直流10 0 0 v ，交流7 5 0 v ( 2 ) 超范固：1 2 0 ( 3 ) 范围变化：5 0 读数s ( 4 ) 功能变化：4 5 s ( 5 ) 噪音抑制：1 5uv ，c m r r 14 0 d b ，1 0 vr a n g e 2 2 总体方案设计 2 2 1 总体方案 整个系统采用双c p u ( d s p 和单片机) 及2 4 位a d 转换芯片a d s l 2 1 0 共同构建， 其结构框图如图2 1 。 d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器。它的内部采用程序和数掘分开的哈佛结 构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊d s p 指令，可以用来快 速地实现各种数字信号处理算法。正是由于d s p 的诸多优点能够满足密集的数学计算， 而且d s p 应用的另一个突出特点是实时性，使其在通信、雷达、数字电视等领域得到 了广泛的应用，同时渗透到人们同常生活的各个方面。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 信号 输入 模拟调 理电路 g p i b 接 口电路 多路模 拟开关 输入缓 冲电路 t 鬯c 棚嘶s州攀6 p 刽棚5 5 r s 2 3 2 接口 键盘 接口 2 4 位a d a d s l 2 l o 液晶显 示接口 图2 1 双c p u 系统结构框图 在d s p 应用系统中，有些应用系统采用单个d s p 芯片辅以必要的存储器、模数转 换器和外设接口等就可以实现。但在有些应用场合，系统除了要完成d s p 处理功能外， 还有许多诸如与外部系统的通信、控制、人机接口等功能，如果仅用一个d s p 来实现， 则出于d s p 的工作频率很高，d s p 在与这些慢速外设进行数据通信时就必须加入额外 的等待周期。这一方面使硬件系统过于复杂，另一方面有可能由于处理能力有限而不 能完成包括d s p 在内的所有功能。在实时性要求苛刻、算法复杂的场合，将d s p 从这 些冗长的等待周期中解放出来，将时削重点放在处理关键的实时任务中去，有着重要 的实际意义。 通用微处理器( m c u ) 输入输出接口多，中断控制灵活，其内部特有的布尔处理 机使其具有较强的逻辑操作能力，因而特别适用于控制和人机接口等领域。将m c u 与 d s p 结合构成的主从式系统可以充分发挥d s p 的数据处理功能和m c u 的实时控制功能， 使系统处于最佳工作状态。在这种主从式系统中，一般m c u 作为主机，d s p 作为从机， 主机可以控制从机的复位、运行和挂起，从机在主机的控制下完成所分担的一部分工 作。主机将从外部获得的数掘交由从机处理，而从机则将处理后得到的有关结果传递 给主机，由主机将处理结果发送至其它系统。正是基于上述原因，本系统采用双c p u 的结构。 信号输入后，经模拟调理电路，多路丌关和输入缓冲电路进入a d s l2 l o 。 通过单片机对键盘、显示进行控制，并将采样结果送交d s p 处理。d s p 完成对 数据的分析处理，通过r s 2 3 2 串行接口和g p i b 接口实现与危机的通信，并且 将处理好的数据交于单片机完成显示。单片机与d s p 通过d s p 中的h p ir a m 实 现通信，两者工作可同时进行，大大缩短了采样，处理到显示的整个周期时间。 2 2 2 基于单片机建构的高精度采集系统 完成数字表所要求的测试功能，前端的模拟电路部分需要实现直流电压、 第8 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 直流电流、交流电压、交流电流、电阻、频率和周期等物理量的转换和信号处 理等工作，是能否实现高精度测量的基础。为了保证测量精度，仪表需要分多 个量程。根据用户要求和硬件实现方法，交流电压( 5 量程) 经交直流转换后可 与直流电压共用同一转换量程( 5 量程) ：交流电流( 2 量程) 经交直转换后可 与直流电流共用同一转换量程( 4 量程) ：电阻测量则须分为低阻( 前5 档) ， 高n ( 后2 档) 测量：频率，周期测量采用同一电路一一测频电路，周期可经 计算取得。量程的选择由处理器自动完成。采集的信号均为模拟信号，模拟信 弓的数字化通过2 4 位a d 一一a d s l 2 io 来完成，高精度的a d 转换减少了模拟量 到数字量的量化误差，这一点是硬件达到较高精度的保证之一。除频率、周期 外所有的待测量都要转换成电压信号，然后通过幅度变换电路、多路选择丌关 和缓冲放大电路送到a d 的输入端。图2 2 就是这部分输入的原理图。频率或 周期测量先进行电压测量后，选择合适通路进入处理电路产生方波信号送入计 数器，经计算后得到频率或周期值。 图2 2 数字表的模拟输入部分 经a d s l 2 1 0 转换输出的数据送到a t 8 9 c 5 5 中，同时a t 8 9 c 5 5 还控制着键盘和显 示部分。基于a t 8 9 c 5 5 的采集、控制和显示的框架如图2 3 所示。 第9 页 国防科学技术火学研究生院学4 j ：) = 论文 图2 3 基于a t 8 9 c 5 5 的系统框图 2 2 3 基于d s p 建构的数据处理系统 采集数据必须经过一定的运算处理才能减少误差，消除干扰得出更为准确的测量 值。不过单片机a t 8 9 c 5 5 不适合进行这样的计算处理，因此将采集数据交给d s p 处 理。这旱选用t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 2 ，利用其内部的主机接口h p l 可方便的实现与 a t 8 9 c 5 5 的通信。同时，利用串行口使用r s 2 3 2 协议与计算机通信，利用自身总线和 i 0 口使用g p i b 协议与计算机通信。整个结构框架图如下： 图2 4 基于t m s 3 2 0 c 5 4 2 组建的系统原理框图 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章系统硬件设计 3 1 输入信号调理电路设计 3 1 1 物理量测量电路设计 1 电流、电压的测量 直流电压的测量是所有测量其他信号的基础，因为本仪表的设计思想就是 依托2 4 位a d 的高精度转换，把其他待测信号转化成电压，再进行测量和转换。 直流电压输入后根据电压值的大小利用程控放大器、衰减器选择合适的量程， 将被测量的电压调制到a d s l 2 1 0 的测量范围内进行测量和量化。 交流电压的主要参数有电压有效值( v 。) 、平均值( v 或v 。) 和峰值 ( v 。) 。其中，唯电压有效值能够反映被测信号能量的大小，因此测量有效值要 比平均值或峰值更有实用价值。平均值仪表，它们均是以平均值为响应的。其 测量原理是利用平均值a c d c 转换器获得平均值电压v ，再根据正弦波有效值 与平均值的确定关系，通过改变a c d c 转换器的电压增益使仪表直接显示出被 测电压的有效值v 。因为正弦波的波形因数定义为有效值电压与平均值电压 之比，即 、， k ，= 逸坚= 1 1 1 1f 3 1 ) v 因此得到关系式： v r m s = 1 1 1 l v( 3 - 2 ) 此式仅适用于不失真的萨弦波。倘若被测正弦波存在失真，或者为方波、 矩形波、三角波、锯齿波、梯形波、阶梯波、晶闸管( s c r ) 波等非正弦波形， 式( 3 2 ) 就不再成立。此时式中的波形因数k ，值必须作相应改动。显然，用平 均值仪表去测量失真的正弦波( 其正不失真的正弦波是不存在的) ，或者测量非 正弦波，势必引起显著的测量误差，甚至使测量值失去意义。这就是平均值仪 表的固有缺陷。 为适应现代电子测量之需要，目前真有效值数字仪表正在国内外获得迅速 发展。所谓其有效值是“真f 有效值”之意，英文缩写为t r m s ( t r u er o o tm e a n s q u a r e ) ，办称真均方根值。交流电压的有效值是按下式定义的： r 一 v 。= j f u2 (t)dt(3-3) 第1 1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 其近似公式可化简成 v r m s = v u 2 ( 3 - 4 ) 可见借助于电路对输入电压的瞬畴值进行“平方一取平均值一开平方”的运算， 能获得交流电压的有效值，由于它是从有效值的定义式而求出来的，故称之为真有效 值。 将式( 3 4 ) 两边平方，并且令f u 2 ( t ) d t = u2 = a 。u2 ，得到真有效值电压的另一表 达式 v 一= 最= 等“。蚓 睁s ， 这表明，对输入电压依次进行“取绝对值一平方除法一取平均值”运算，也能得到交 流电压的有效值。此公式比式( 3 4 ) 更有实用价值。目前生产的单片真有效值直流转换 器，大多采用式( 3 5 ) 的原理设计而成。 真有效值仪表的核心是t r m s d c 转换器。这类转换器以往都是用许多分立元件 和运算放大器构成的，不仅电路复杂、调试困难，而且准确度较低、成本高。单片真 有效值直流转换器的问世，是真有效值仪表的一大革命。这类专用芯片的集成度高， 功能完善，极大地简化了电路设计与应用，它们能以最简单的方式接入电路而实现 t r m s d c 转换之最佳性能。 本数字表中， 采用测量真有效值的方法，选用a d 6 3 7 k 芯片完成对交流电压测 量。这样能够精确、实时地测量各种电压波形的有效值，而不必考虑波形参数以及失 真度的大小。 a d 6 3 7 k 的准确度为( 0 0 5 r d g + 0 2 5 m y ) ，工作温度范围为0 7 0 c 。它的 主要特点有。： 1 高准确度的单片真有效值直流转换器。能计算任何复杂波形的真有效 值、平方值、均方值、绝对值，并有分贝输出，量程为6 0 d b 。 2 适用的波峰因数宽，当k ，= 1 0 ( 占空比为1 的窄脉冲) 时，附加误差小于 1 。 3 宽频带，量程可调。当v 。= 2 0 0 m v ( r m s ) 时，频率上限为6 0 0 k h z ； v 。 i v ( r m s ) 时频率上限高达8 m h z 。 4 采用激光修f 的先进工艺制造，一般不需加外部调整元件。唯一的外围 元件时平均电容c 。，用它设定平均时嵋j 常数，并决定低频准确度、输出纹波 的大小和稳定时间。 5 内部有独立的缓冲放大器，既可以作输入缓冲器用，也可以构成有源滤 波器来减少纹波，提高测量准确度。 6 输入端有过压保护电路，电压电源范围宽，可达3 v 1 8 v 。 第1 2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 a d 6 3 7 k 的输入阻抗为1 0 8q ，它的最大输出电压与电源的关系呈线性关系 示。在1 附加误差的条件下输入电压为2 v ( r m s ) 时频率上限为2 0 0 k h z 。由此 可见 d 7 3 7 k 可以满足系统的交流性能要求。 测量中为了减少交流误差，尽量增大平均电容c 。的容量。因为电压的大 小与c 。的容量成反比。但是增大c 。的容量也会增加稳定时间，致使测量时 间大为延长。这里的稳定时间指的是输入信号从零增加到规定有效值时，输出 电压的平均误差达到1 所需要的时间。为了解决此矛盾，在a d 6 3 7 k 输出级的 后面增加“后置滤波器”。这样在不延长稳定时间的情况下减少了纹波。 直流或交流电流的测量，首先把直流或交流电流转换成直流或交流电压。 不同范围的电流，流过相同小阻值的电阻后经过一级程控放大器、衰减器，使 输出电压在合适的测量范围。最后将测量处转化后的电压，经过数据处理运算 得到直流或交流电流值。 2 电阻的测量 早期的数字仪表大多采用恒流法测量电阻，电路复杂，成本高。比例法是 测量电阻的一种新型方法，具有电路简单，准确度高等特点，能充分发挥单片 a o 转换器的优良特性，实现q v 转换。即使电压存在偏差或发生波动，也不 会增加误差。比例法测量原理如图3 1 ( a ) 所示。则有关系式： 旦：鳖：生坠：坠 r 3 6 、 v r e fv r 。i r or o 、 7 可见，r 。的测量不受电压源的干扰，主要影响因素为电路带来的内电阻。 但内电阻很小，仅在低电阻测量时对结果影响较大。为此，在低电阻测量时在 r 。旁并联一电阻，使 亡兼+ r o 2r。(3-7) 这样就消除了测量时r n 引起的误差。 采用比例法只能测量2 0 m q以下的电阻这是因为当r x 2 0 m q 时，随着输入电 阻的提高，从v ，。端容易引入外界干扰产生跳数而无法测量。此外，测量需等待较长 时问读数刊能趋于稳定，使测量时间大为延长。因此，利用 v r ”2 百j 最i 。v c c “詈v c c 直接计算出r ”为了保证准确度，将r 。分成两电 阻串联，得到两组v r e f 计算出最终r 。这样便可以比较准确地测量阻值很高的电阻了。 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院学伉论文 r x v c c a r b 图3 1 测量电阻的电路 3 ，频率、周期测量 由于频率测量范围为3 h z 3 0 0 k h z ，这个范围比较小，可以使用a t 8 9 c 5 5 自身的计数器通过计数来得到最终结果。频率信号经电压分档后经限幅、放大 整形、缓冲后进入计数器。计数采用多周期同步方式来减少误差，提高精度。 在开始测量时同时打开和关闭标准计数器和被测信号计数器，使计数时间准确 的等于被测信号周期的整倍数。这样可消除被测信号的“l ”误差。 4 温度测量 金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。其特性方程式如下： r ，= r o d + 吼( t t o ) j( 3 - 8 ) 式中：r ，r 。分别为热电阻在t 和0 。c 时的电阻值； c c 热电阻的电阻温度系数f 1 。c ) 。 一般来说，a 并不是一个常熟，而是温度的函数。但在一定的温度范围内， a 可近似的看作为一个常数。不同的金属导体，a 保持常数所对应的温度范围 不同。选择作为热电阻的材料应满足下面要求： ( 1 ) 材料的电阻温度系数a 要大。n 越大，热电阻的灵敏度越高； ( 2 ) 在测量范围一2 0 0 4 0 0 内，材料的物理、化学性质稳定； ( 3 ) 在测量范围一2 0 0 4 0 0 内，a 保持常数，便于实现温度表的线性刻度特 性； ( 4 ) 具有比较大的电阻率，以利于减少热电阻的体积，减少热惯性； ( 5 ) 特性复线性好，容易复制。 为此选择铂作为热电阻材料。使用铂热电阻测温度时，采用电桥四线连接 法。这样可以消除连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，得到较高 的测量精度。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 1 2 程控放大和自动量程转换技术 程控放大器是智能仪器的常用部件之一。为了在整个测量范围内获取合 适的分辨力，采用可变增益的放大器，放大器的增益由程序控制，这种放大器 就是程控放大器。程控放大器由放大器、可变反馈电阻网络和控制接口三部分 组成。其原理框图如图32 所示。它与普通放大器的差别在于反馈电阻网络可 变且受控与控制接口的输出信号。程控放大器有同相和反相两种。由于同相放 大器具有较高的输入阻抗，这有利于提高测量电压准确度。不过，它引入了工 模电压，因此需要使用高共模抑制比的运算放大器才能保证精度。由于选择不 同增益时，运算放大器反向输入端对地等效电阻的变化将引起失调偏差。设计 中并没有采用t 型反馈电阻网络，因此无法通过调整放大器本身的参数或零位 来消除。这样只有通过自校f 爿+ 能加以弥补。 图3 2 程控放大器原理框图 自动量程转换是大多数通用智能测试仪器的基本功能。自动量程能根据测 量的大小自动选择合适量程，以保证测量值有足够的分辨力和准确度。自动量 程转换的测量速度，是指根掘被测量的大小自动选择合适量程并完成一次测量 的速度。测量中若测量值超出当前量程，立刻跳转到最高量程，测得的数据进 行处理后，选择合适的量程再进行测量；如果没有超出，也应该进行处理，选 择一个最佳的量程来测量。选定量程后，应在该量程继续测量，直到发现过载 或被测量低于降量程阈值。为了保证自动量程转换的确定性，( 确定性是指在 升降量程时，不应该发生在两个相邻量程涮反复选择的现象) 。这种情况的出 现是由于分档差的存在所造成的。量程选择的不确定性可以通过给定升降阈值 回差的方法来解决。这旱适当减小降量程阈值的方法来消除这种不确定，这里 采用分档误差的绝对值之和小于0 5 。由于每次测量并不是都从最高量程开 始，而是在选定量程上进行，因此不可避免地会发生被测量超过选定量程的最 大测量范围，甚至达到仪器的最大允许值。这种过载现象须经过一次测量后爿 能发觉。因此，量程输入电路必须具有过载保护能力。当过载发生时，至少在 第1 5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 一次测量过程中仍应能正常工作，并且不被损坏。 自动量程转换电路由衰减器、放大器、接口及丌关驱动三部分组成。为了 完成各种量程电压的测量，电路中设计有l 和lo o 两种衰减系数的衰减器，1 、 1 0 和l o o 三种放大倍数的放大器。这样就可以构成0 0 l 、0 1 、1 、1 0 、1 0 0 五种倍数，从而可以得到五个量程。量程转换电路中的切换开关使用继电器完 成高压衰减部分的切换，低压部分则使用模拟开关。继电器和模拟开关都出 8 9 c 5 5 进行控制。 自动量程转换程序出主程序完成一次测量后调用。该程序被调用时，将根 据最新的测量数据与现行量程的阈值进行比较。若现行量程合适，则显示测量 读数后返回主程序。反之，则进行量程选择，找到新的合适量程后，返回主程 序。下一次测量就在新选择的量程下进行。整个流程分为三条支路，分别是降 量程、保护现行量程和升量程。设d l 为升量程阈值，u l 。为降量程闽值。整 个自动量程转换程序流程图如下： 图3 ，3 自动量程转换程序流程图 3 2 键盘控制和显示的设计 3 2 1 键盘控制 按厂商所提要求，电压表还需要具有许多控制功能。使用者可以通过键 第1 6 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 图3 - 4 键盘功能示意图 图3 - 5 按键处理程序流程图 盘操作电压表。键盘系统需要完成测量物理量的选择、测量量程档的手动或自 动选择、数据处理滤波方法设定、规定算术运算结果显示、触发式测量、启动 国防科学技术人学研究生院学位论文 时默认状态设置、测量数据存储设置及启动、程控通信方式选择、采样速度设 定等功能。图3 4 标示出了其具体的功能。根据需要，经计算共需要2 6 个按 键，其中一个二次功能选择键，17 个具有二次功能的按钮。 4 8 的键盘利用7 4 l s l4 8 对键盘矩阵的列进行编码，同时输出一个按键中 断。利用8 9 c 5 1 的p l 口第四位输出行扫描信号，高四位接收7 4 l s l4 8 的输出 编码。为了判断按键是否有效，按键后延时消除抖动。如果能再次进入检测到 按键，则是有效按键。有效按键中断后，进行按键处理，最后将处理好的键值 利用串行口发送至上面处理机。整个程序流程如图3 5 所示。 3 2 2 液晶显示 数字表采用液晶显示，选用深圳市拓微电子生产的液晶一一l g 2 4 0 6 4 l ，它内藏 t 6 9 6 3 c 液晶显示控制器。t 6 9 6 3 c 有一套自己的指令集，利用这套指令集使得a t 8 9 c 5 5 可方便的完成对液晶的操作控制。 1 t 6 9 6 3 c 的特点和指令 t 6 9 6 3 c 芯片具有以下特点： ( 1 ) t 6 9 6 3 c 是点阵式液晶图形显示控制器，能直接与微型处理器接口； ( 2 ) t 6 9 6 3 c 的字符字体由硬件设置，其字体有种：5 8 、6 x8 、7 8 、8 x8 ： ( 3 ) t 6 9 6 3 c 的占空比可从l 16 到l 1 2 8 ： ( 4 ) t 6 9 6 3 c 可以图形、文本以及图形文本合成方式进行显示： ( 5 ) t f i 9 6 3 c 具有内部字符发生器c g r o m ，共有1 2 8 个字符。 其主要管脚功能说明如下： ( 1 ) d o 1 3 7 ：t 6 9 6 3 c 与m p d 接口的数掘总线，三念： ( 2 ) r d ，w r ：读、写选通信号，低电平有效； ( 3 ) c e ：t 6 9 f i 3 c 的片选信号，低电平有效； ( 4 ) c d ：通道选择信号，l ：指令通道，o ：数据通道； ( 5 ) r e s e t ：低电平有效的复位信号。 t 6 9 6 3 c 的初始化设置大都出管脚设罱完成，其指令系统集中于显示功能的 设置上。t 6 9 6 3 c 的指令可不带或带一到两个参数。每次操作前须进行状态字检 测。t 6 9 6 3 c 的状态字如下表所示： 表3 - 1 状态字定义 s t a os t a ls t a 2s 1 a 3s t a 4s 1 a 5s t a 6 s 1 a 7 命令执数据读自动读自动写无效控制器指令错误显示 j 千 1 ：准备1 ：准备操作1 ：错误 1 ：正常 1 ：准备1 ：准备好好l ：可能0 ：f 确0 ：关 好好0 ：忙0 ：忙0 ：不能 0 ：忙0 ：忙 在m p u 对其读写指令、数据时，经常用到的是前两个状态位，( 读写时 薷1 8 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 s t a 0 与s t a l 簧同时有效一处于“准备好”状念) ；当m p u 读写数组时，判断 s t a 2 或s t a 3 状态；屏读、屏拷贝指令使用s t a 6 ：s t a 5 和s t a 7 反映t 6 9 6 3 c 内部运行状态。 下表列出了t 6 9 6 3 c 的指令系统。 表3 - 2t 6 9 6 3 c 指令集 指针设置指令 d 1 ，d 2 o0loon 2n 1n o 第一和第二个参数2 1 h ：光标指针设置 2 2 h ：c g r a m 偏置地址设置 2 3 h ：地址指针设置 显示区域设置指令 d l ，d 2 o10oq0n ln o 第一和第二个参数4 0 h ：文本区首址4 1 h ：文本区 宽度 4 2 h ：图形区首址4 3 h ：图形区 宽度 显示方式设置指令 无参数 10 oon 3n 2n 1n o n 3 = o 字符发生器为c g r o m1 为 c g r a m n 2 ，n l ，n o ：文本图形合成方式 0 0 0 ：“或”合成 0 0 1 ：“异或”合成 0 1 1 ：“与”合成 l o o ：文本特征 显示开关指令 无参数 10o1n 3 n 2n ln o n 3 ：i 0 ，图形显示启用，禁止 n 2 ：i 0 ，文本显示启用禁止 n 1 ：i 0 ，光标显示启用禁止 n o ：i 0 ，光标闪烁启用，禁止 光标形状选择指令 无参数 loloon 2n n o 指令代码光标形状8 点n 行n 的值 o 7 数据自动读、写方式设置指令 无参数 lo100n 2n 1n o b o h ：自动写设置 b 1 h ：自动读设罱 b 2 h ：自动读、写结束 数据一次读、写方式指令 d 111o 00n 2n 1n o 数据c o h ：数据写，地址加1 第1 9 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 c 1 h ：数据读，地址加l c 2 h ：数据写，地址减1 c 3 h ：数据读，地址减1 c 4 h ：数据写，地址不变 c 5 h ：数据读，地址不变 屏读指令代码一一屏拷贝指令代码一一e 8 h e o h 位操作指令 无参数 l11ln 3n 2n ln 0 n 3 = l 置1 ，n 3 = 0