电压信号采集

1、电压信号采集方案设计叶云云摘 要: 电压信号采集电路是电子系统中常用到的功能模块，该电路设计分三个模块:数据采集、数据处理和显示模块。数据信号采集采用运算放大器0P07构成电压跟随器对信号进行跟随处理，再由采样/保持器LF398对信号进行采样/保持。高电平，采样；低电平，保持。采样控制信号由集成锁相环CD4046对被测信号进行64倍频产生。关键词: 电压跟随器 采样/保持器 A/D转换 锁相环电路 LED显示1.方案设计采用89C51单片机来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示测量值。对于电压信号采样用OP07电压跟随器和LF398数

2、据保持器进行预处。在测量工频交流电压信号时，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制89C51对电压信号的相位测量。采用以89C51为核心的单片机系统使整体结构简单，并且可以实现显示、打印、与微机通信等功能，大大提高了系统的智能化程度，同时系统所测结果的精度很高。系统总体框图如：电压信号电压跟随器保持器A/D转换过零检测电路锁相环倍频电路单片机80C51显示板图1 系统整体框图2.模块电路设计与比较2.1 数据采集模块数据采集模块包括：电压跟随电路，信号采样/保持电路，A/D转换电路。2.1.1 电压跟随电路：由OP07构成，虽然精确度不够高，但它能提高带负载能力，硬件电路简单，也不需软件控制，所以

3、本设计采用了此方案。输入信号是05V交流电压信号，输出信号不变。 f(t) f(t) t t 图2 电压跟随电路2.1.2 信号采样/保持电路采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。电路如图3所示： 图3 信号采样/保持电路失调电压的调整是通过与V的分压并调整1K电位器实现的。保持电容CH应选用3001000PF的高性能低漏电云母电容器。控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。本设计采用此种连接方法。2.1.3 A/D转换电路利用ADC0809完成A/D转换功能。输入的是LF398输出

4、的抽样信号，经过ADC0809内部的量化编码，以数字信号的形式输出。本设计中ADC0809与8051单片机的接口方案如图4所示图4 ADC0809与8051单片机的接口由于ADC0809片内无时钟产生电路，可利用8051提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。ADC0809具有三态数据输出，其8位数据线直接与CPU数据总线相连，地址译码线A、B、C共同接地，只选通IN0通路。将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号WR/和P27控制ADC0809的地址锁存和转换启动。由于AIE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行A/D转换。

5、再读取转换结果时，用单片机的读信号RD/和P27给一级或非门形成的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。由原理图可知，P27与ADC0809的ALE、START和OE之间有如下关系：可见，P2.7应设置为低电平。由硬件线路分析可知：在编写软件时应令P2.7=A15=0;给出被选择的模拟通道地址；执行一条输出指令，启动A/D转换。执行一条输入指令，读取转换结果。2.2单片机系统数据处理模块包括：过零检测电路，锁相环倍频电路，数据处理转换电路。2.2.1. 过零检测电路由TL082构成同相检零器，如图5所示。当输入信号高于0 V时，输出高电平；当输入信号低于0V时，输出低电平。作用：给CD4

6、046提供方波信号。 图5 过零检测电路2.2.2.锁相环倍频电路 为了保证信号采样的精度,要对信号进行等时间间隔采样。其间隔时间就是采样周期。从理论和理想情况来看，如认为信号频率是固定不变的，则采样周期也固定不变，但实际系统中，工频信号频率经常会发生变动，假设信号频率减小时，如仍以原频率时的理论采样间隔对信号采样，会造成信号的一个周期中前一段是以理论间隔被采样（以采64个点为例），如果采满了64个点，造成信号后一部分没有被采到，如图所示。而当信号频率增大时，则一个周期采不到64个点，如图9所示。所以频率变化会引起采样失真，从而影响测量的精度。在实际中，必须保持采样间隔随信号频率的波动而发生相

7、应的变化，即把一个周期等时间间隔采样变为等相位采样。采用锁相环电路直接实现。用锁相环把信号的频率通过计数器进行64倍频，从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲，利用此脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动ADC0809进行转换，实现高速数据采集。这种方案实施简单，而且可靠性高，简化了软件的设计。本设计采用了此种方案。电路如图6所示：图6 锁相环倍频电路电路主要包括相位比较器I和II、压控振荡器VCO、线性放大及整形电路A1,令需外接阻容元件构成低通滤波器。现对基本工作过程作一简介。输入信号Vi从14脚输入后，经过A1进行放大和整形，加至相位比较器I和II的输入端。图中将开关S拨到第2脚

8、，相位比较器I就把从第3脚输入的比较信号与输入信号Vi进行相位比较，由第2脚输出的误差电压V即反映出二者的相位差。V经过由R3、R4、C2组成的低通滤波器滤除高频之后，就得到控制电压Vd,加至VCO的输入端来调整其震荡频率，使f2迅速逼近于Nf1。VCO的输出在经除法器进行N分频后，送至相位比较器I，继续与Vi进行相位比较，最后使f2=f1 ，二者的相位差为一恒定值，实现了锁相。需要指出，由f2=f2/N=f1, 很容易推导出f2=Nf1。这表明，尽管从局部上看使用出发器完成的是N分频，但就锁相环整体而言则实现了N被频。因此，利用锁相环可以构成N被频器，N是除法器的分频系数。在本设计中N=64

9、,则。即从CD4046的4脚输出的信号频率是14脚输入信号频率的64倍。2.2.3.数据处理转换电路本设计采用ADC0809和片外6264RAM与单片机一起构成数据处理转换电路。2.3显示模块由译码器/驱动器7447，NPN型三极管和四位共阳极数码管构成。三极管的发射极作数码管的片选信号。高电平选通；7447的输出作数码管的段选信号，低电平点亮。显示值为有效值。3.系统实现及理论分析3.1数据采集部分电压信号的放大电路：由于电压信号有效值为05V，最大峰-峰值为7.07V，超过了ADC0809的量程，因而在数据保持器LF398的输出加两个稳压二极管，能够避免电压发生异常时对ADC0809造成损

10、害，从而保证了ADC0809的正常工作。3.2数据处理部分交流电压有效值的计算分析 对交流工频信号的采集，一般是以其有效值进行计量，其计算公式为 其中T为信号周期令, ,则由于在计算机采集系统中和都是一些离散点的数值，故采用数值积分的方法，将函数分解为离散值之和，即其中余项 上式中，为采样间隔；,为每周期采样点数。理论上电压为正弦信号，但当电压发生波动时，以三次谐波影响最大，因此可以认为电压波形为基波和三次谐波之和，即设在最严重情况，令,则,AD0809采用±5V满量程，因此可认为U=5V，则EN=2.3×10-5V,因此在每周期采集64点时，其余项部分为23uV,远小于A

11、D0809的最低分辨率2.4mV,采集精度完全满足要求。数据采集部分P2.5口控制采样保持器，P2.5口置“0”，采样保持器关闭；置“1”采样保持器打开。INT1接收锁相环倍频电路的输出信号。4.电路调试4.1调试方法和过程采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，提高调试的效率。 据采集模块的调试 将OP07的输入与函数信号发生器输出相联，用万用表测试输入、输出电压，再调节函数信号发生器的输出，用万用表测试输入、输出电压是否正确；数据保持器LF398的管脚8则用单片机的P2.5口来控制，并用示波器观察波形。调试结果显示，模块可以正常工作。4.1.2.信号频率倍增模块调试 将函数信

12、号发生器的输出与锁相环倍频电路的输入相联，调节函数信号发生器的输出频率，用示波器观察锁相环倍频电路的输出频率。经检验，锁相环能够正常工作。4.1.3.A/D转换模块调试 因系统软件较大，不适合用来调试A/D转换模块，故编制了一简单程序进行测试，并用示波器监视几个控制信号（如片选、启动）是否正确。通过这种方法使A/D转换电路很快便能正常工作。4.1.4.显示模块调试 将显示模块与仿真机相联，编制一简单程序进行调试，并观察显示数码管的变化是否正确。通过这种方法可以看出显示模块能够正常工作。各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调好的各模块连接在一起，用函数信号发生器模拟交流电压输入，先用仿真机代替80C51单片机进行模拟调试，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线和地址线也进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试。由于本人能力有限，程序编写有错误，故整个系统不能够正常工作。4.2测试仪器PC机，32M内存 双路稳压电源 仿真机 示波器 数字万用表 函数信号发生器