基于STC89C52的高精度寬頻帶數顯毫伏表的設計

張青春

（淮陰工學院 電子與電氣工程學院，江蘇 淮安223003）

在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中，電壓量的測量最為普遍。而且隨 信著電子技術的發展，更需要測量微弱電壓信號，所以毫伏電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數顯毫伏表采用單片機控制技術,集模擬與數字技術于一體，是一種通用型智能化的數字交流毫伏表,一般具備自動/手動測量功能，能顯示量程和擋位狀態，但是，由于測量頻帶窄、精度低、抗干擾能力差，應用受到一定的限制[1]。

本設計的數顯毫伏表具有測量頻帶寬、精度高、反應速度快、輸入阻抗高、頻率影響誤差小、讀數方便、使用便捷等優點,可測電壓范圍為1 V以下，最高分辨率可達0.001 mV，且可以實現量程自動轉換，具有廣闊的市場應用前景。

1 系統硬件設計[2-4]

本系統包括增益放大器、量程變換器、RMS-DC變換器、模數轉換器、微控制器、LCD顯示器6個主要組成部分，系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

首先將待測信號源的電壓值通過增益放大器轉換到RMS-DC變換器輸入信號電壓范圍內，再將RMS-DC變換器的輸出信號接到模數轉換器的輸入端，轉換后的數字信號以串行方式輸入給微控制器，經軟件處理后送液晶顯示器顯示測量結果。若輸入的待測信號電壓不在合適的量程之內，微控制器經過判斷后，輸出相應的控制信號，通過量程變換器，調整增益放大器的增益，以實現毫伏表量程自動轉換的功能。

1.1 微控制器

本系統采用STC89C52單片機作為系統控制器。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。具有1 KB RAM、64 KB片內Flash程序存儲器；具有在應用可編程(IAP)、在系統可編程(ISP)功能；具有 3個16位定時器/計數器，而且額外提供了一個可以無須CPU參與、獨立工作的可編程計數器陣列(PCA)，具有PWM的捕獲/比較功能；具有4個8位I/O口；具有可編程看門狗定時器(WDT)、掉電檢測和低功耗模式等功能。另外STC89C52在8051基礎上增加了上電復位、軟件復位、欠壓檢測與復位等多個復位功能，以提高單片機的抗干擾能力。

基于STC89C52單片機的性能及特點，將 X1、X2外接12 MHz晶振，使內部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩，產生時鐘信號；RESET外接復位按鍵，復位后P0～P3口均置1，引腳為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。

將 P0口與 LCD顯示器 8位數據線（D0～D7）相連；P1口中Pin1～Pin3分別接 A/D轉換電路的時鐘信號(SCLK)、片選信號(CS)、數字 輸出信號(DOUT)，Pin4～Pin6分別接LCD顯示器數據/命令選擇端(RS)、讀/寫選擇端(R/W)、 使能信號 (E)；P2口中 Pin21～Pin23分別接 CD4051多路轉換器的 3個二進控制輸入 端 A、B、C；P3口(Pin10～Pin17)是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，本系統設計中，這8個引腳用于專門的第二功能。

1.2 增益放大器

信號的放大由STC89C52單片機P2口通過模擬開關控制，以實現量程的自動轉換。若被測電壓高于單片機此時設定的量程，單片機控制模擬開關地址端對信號分檔，保證輸入到RMS-DC變換器的信號不超過其工作電壓范圍，盡量使RMS-DC變換器工作在最佳狀態，提高靈敏度。量程分為：0～10 mV,10～100 mV,100～1 000 mV，共計三檔。

增益放大電路如圖2所示，由3片AD811運算放大器級聯構成。AD811運算放大器是美國ADI公司推出的一種視頻運算放大器，具有高速、高頻、寬頻帶、低噪聲等特性，內部具有電流反饋結構。設計要求的閉環增益與閉環帶寬可以通過改變電阻RFB（圖中引腳2、6之間的電阻）和RG（圖中引腳 2與接地端之間的電阻）來獲得。 圖 2 中，當 RFB=562 Ω，RG=562 Ω 時，-3 dB 帶寬與閉環增益分別 為 80 MHz、2 倍； 當 RFB=442 Ω，RG=48.7 Ω時，-3 dB帶寬與閉環增益分別為65 MHz、10倍。

1.3 量程變換器

量程變換器采用8通道數字控制模擬電子開關CD4051,該器件有3個控制輸入端 A、B、C和 INH輸入,具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。當INH=1時，所有通道截止。當CBA=000時，輸入端X0導通，輸入信號放大200倍，對應量程為 0～10 mV；當CBA=001時，輸入端X1導通，輸入信號放大20倍,對應量程為10～100 mV；當CBA=010時，輸入端X2導通,輸入信號放大 2倍,對應量程為100～1 000 mV。CD4051輸出端(X)接RMS-DC變換器的輸入端(Vin)。

1.4 RMS-DC變換器

從精度、帶寬、功耗、輸入信號電平、波峰因數和穩定時間等因素綜合考慮，選用了ADI公司的RMS-DC變換器件AD637。AD637屬于高準確度的單片真有效值/直流轉換器，在±3 dB附加誤差的條件下,輸入1 000 mV(RMS)時頻率上限達5 MHz。內部有獨立的緩沖放大器，既可作輸入緩沖器用，亦可構成有源濾波器來減少紋波，提高測量的準確度；輸入端有電壓保護電路，即使Vin超過電源電壓，一般也不會損壞芯片。

有效值/直流變換電路如圖3所示，直流電壓輸出端（V）與A/D轉換器輸入端（AIN）相連，轉換后的直流信號送入A/D轉換電路進行A/D轉換。根據AD637其特性曲線，輸入電壓在0.2 V～2 V范圍內有最佳頻率響應，放大電路的輸出信號電壓應控制在該范圍內。

為進一步提高測量準確度，采用了帶外部調整元件的電路，有效地減少了有源整流器的非線性誤差。該電路的調整步驟如下：

（1）將輸入端（第 13腳）接地，調整電位器 R16使第9腳輸出Vo=0 V。

（2）輸入 1V的標準直流電壓,調整 R19,使 Vo=1.000 V。若選擇峰峰值為2 V的正弦波為輸入電壓，則應輸出0.707 V直流電壓。

1.5 A/D轉換電路

A/D轉換電路采用美國MAXIM公司推出的一款12位高精度芯片MAX187。MAX187串行12位模數轉換器可以在單+5 V電源下工作，模擬輸入電壓為0～5 V。MAX187 為逐次逼近式 ADC，快速采樣/保持(1.5 μs)，片內時鐘，高速3線串行接口。MAX187電源需要加去耦合電容，采用一個4.7 μF電容和一個 0.1 μF并聯。引腳4為參考端，接一個4.7 μF的電容，使用內部4.096 V參考電壓方式。

MAX187加電后20 ms,基準電壓引腳所接電容充電完畢，進入工作狀態。當使能端CS置為低電平時，內部跟蹤/保持器（T/H）進入保持狀態并啟動轉換，轉換完畢，DOUT輸出電平。此時在SCLK端輸入移動脈沖將12位轉換結果由最高位到最低位依次讀出DOUT端。也可將CS端置低電平，8.5 μs后發送移位脈沖，讀出轉換結果，在讀出全部12位結果以后再將CS置高電平。

1.6 LCD顯示器

本系統采用LCD1602液晶顯示器顯示毫伏表測量結果。LCD1602主要技術參數為：顯示容量為 16×2，芯片工作電壓為4.5～5 V，工作電流為2.0 mA，字符尺寸2.95 mm×4.35 mm。

根據LCD1602內部RAM顯示緩沖區地址的映射圖，00～0FH、40～4FH分別對應 LCD1602的上下兩行的每一個字符，只要往對應的RAM地址寫入要顯示字符的ASCII代碼，就可以顯示出來。本設計要求顯示8位數字，其中整數 4位（個、十、百、千位），小數點后 4位，另外顯示電壓單位“mV”。

2 軟件設計[5]

本系統軟件設計主要包括主程序、A/D轉換子程序、數據處理子程序、顯示子程序設計等。主程序及主要子程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統主程序及主要子程序流程圖

3 系統調試與誤差分析

通過對系統分部調試和綜合性能測試，經分析，本系統誤差產生的原因主要由以下幾方面構成，在設計時應予以充分考慮，以便提高毫伏表的測量精度。

（1）測試時采用函數信號發生器作為信號源，其本身輸出的信號就有一定的誤差。

（2）AD811的放大倍數不精確。增益可通過改變電阻RFB和RG來獲得。由于不同結構類型的電阻具有不同的寄生電容和寄生電感，因此應選用寄生電容和寄生電感小的電阻。對于電阻RFB和RG，使用1%精度的金屬膜電阻，能保證精確的放大倍數。

（3）AD637的附加誤差。AD637在輸入電壓為 0.2 V～2 V范圍內有最佳頻率響應，若放大電路的輸出信號電壓不在該范圍內，則會產生較大誤差。

（4）A/D轉換器MAX187轉換誤差。在實際應用時可以通過提高A/D轉換器的位數,進一步提高測量精度。

采用STC89C52單片機作為控制器,簡化了設計的復雜性，增強了軟件的數據處理功能,提高了系統的抗干擾能力；采用AD811和CD5406構成程控放大器，實現量程自動變換；采用RMS-DC變換器AD637及其調節電路，頻率上限可達5 MHz，具有超限保護功能，有效地改善了系統的非線性；采用MAX187串行12位模數轉換器進行快速采樣/保持，最高采樣速度可達75 kHz；顯示部分使用LCD1602液晶顯示器，可顯示8位數字。

本數字式交流毫伏表具有測量頻帶寬、精度高、響應速度快、輸入阻抗高，頻率影響誤差小、操作簡單、使用便捷、性價比較高等優點，并具有量程自動轉換、超量程報警等功能。測量1 000 mV以下電壓信號時，最大分辨率可達0.001 mV，可以滿足微弱信號的測量需要，具有廣泛的市場前景和較高的推廣應用價值。

[1]朱英華,李崇維.電子測量技術[M].成都：西南交通大學出版社,2008.

[2]何希才.常用集成電路簡明速查手冊[M].北京：國防工業出版社,2006.

[3]沙占友.新型數字電壓表原理與應用[M].北京：機械工業出版社,2006.

[4]張國雄.測控電路[M].北京：機械工業出版社,2008.

[5]戴佳,劉博文.51單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京：電子工業出版社,2008.