數顯交流毫伏表的設計與分析

黃春平

（中山職業技術學院 信息工程學院，廣東 中山 528404）

0 引 言

交流毫伏表是用來測量交流電壓有效值的儀器，是常用的測試儀器，在音響產品和其他電氣的產品測試中有廣泛的應用[1]。本文通過STM32F103C8T6的72 MHz高速總線、12 bit ADC、電阻網絡匹配以及高帶寬電壓有效值直流轉換器AD637設計了一種集200 V、20 V、2 V及200 mV自動量程切換的高帶寬、大量程的數顯交流毫伏表，通過STM32單片機實現智能控制，使用穩壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高的穩壓芯片單獨供電，大大減小了電源紋波，提高了采樣精度，對交流電壓有效值的測量測試具有重要意義。

1 系統總體設計

數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、電阻網絡、有效值直流轉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、12位ADC、鍵盤以及數碼管顯示[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，默認從高電壓開始，根據被測電壓自動調整到對應檔位。電阻網絡通過精密功率電阻串聯分壓，確保每個檔位的電壓在合理范圍。有效值直流轉換器AD637能計算任何復雜波形的有效值、平均值及均方值。電源管理部分包括經過交流整流濾波后串聯穩壓芯片再濾波的雙15 V電源、3.3 V及5 V電源。

圖1 總體設計框圖

2 控制硬件電路設計

2.1 單片機控制電路

主控芯片采用48腳STM32F103C8T6單片機，外接8 MHz無源晶振，采用串口下載方式，如圖2所示。芯片擁有128 kB FlashROM、20 kB SRAM，芯片內有2個12位的ADC[3]。微控制器處理電路通過上電復位，S1連接到外部中斷1，按下啟動測試。為了節省IO口，通過串行方式控制顯示，CP為時鐘信號，DATA為數據信號。P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7是啟動測試控制和檔位控制IO口。

圖2 單片機控制模塊單元

人機交互采用數碼管顯示，如圖3所示。數碼管的各個數據引腳都連接74LS164，74LS164再連接單片機，方便擴展數碼顯示。單片機通過編程，配置好74LS164的啟用程序，把得到的轉速輸送到74LS164上，從而通過74LS164移位到數碼管顯示數據。74LS164是8位邊沿觸發式移位寄存器，串行輸入數據，之后并行輸出。數據通過兩個輸入端（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據輸入。兩個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。時鐘（CP）每次由低變高時，數據右移一位輸入到Q0。Q0是兩個數據輸入端（DSA和DSB）的邏輯與，它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度。主復位（MR）輸入端上的一個低電平將使其他所有輸入端都無效，同時非同步地清除寄存器，強制所有的輸出為低電平。

圖3 數碼管顯示電路圖

2.2 切換電路

交流毫伏表實現自動量程切換的執行機構是繼電器切換電路，切換電路公共部分如圖4所示。為了提高抗干擾能力，減少強電和弱電電路之間可能產生的干擾，采用光耦控制。光耦控制芯片為PC817，其輸入信號引腳2發光二極管陰極接STM32單片機IO口，通過IO口編程輸出高低電平控制繼電器的通斷，達到通道切換和檔位轉換的目的。PC817引腳4通過1 K電阻連接到5 V電壓，當連接二極管陰極的IO口輸出低電平時，光耦芯片發光二極管發光，三極管基極接到光信號導通，PC817引腳3即三極管發射極輸出電流驅動MPSA13三極管，MPSA13導通，由于MPSA13最大集電極電流可以達到500 mA，可以確保線圈吸合。當線圈吸合，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，被測電壓將會被接通進行測試。線圈的兩端并聯了續流二極管，一方面保證線圈斷開和閉合期間產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高擊穿驅動三極管；另一方面，在開關階段形成續流回路，提高開關速度，讓通斷更接近理想開關[4]。

圖4 檔位切換電路公共部分

自動量程切換電路如圖5所示，通過編程實現量程切換。P1.3是啟動測試控制IO，當啟動按鍵按下，P1.3輸出低電平，被測電壓輸入進來。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。默認將從200V高檔位開始測試，通過單片機ADC采集的電壓范圍確定在某一檔位，并將測試電壓輸出顯示在數碼管上。

圖5 檔位切換電路

2.3 電阻網絡和限幅電路

電阻網絡通過電阻的串聯實現電壓的分壓，如圖6（a）所示。電阻網絡是交流毫伏表自動量程的關鍵，保證每個檔位的輸入電壓都是在STM32的ADC采樣電壓的合理范圍內。測試電壓與分壓電阻、最大分壓輸入關系如表1所示。由表1可見，最大輸入電壓為1 V，因為電阻為串聯連接，電流相等，這種情況下電阻越大，功率越大，200 V對應的電阻消耗的最大功率為3.33 mW。

表1 電阻和電壓關系表

圖6 電阻網絡和限幅電路原理圖

限幅電路是限制信號輸出幅度的電路，如圖6（b）所示。它能按限定的范圍削平信號電壓的波形幅度，是用來限制信號電壓范圍的電路，又稱限幅器、削波器等。當正常電壓輸入時，D3、D4不導通，輸入電壓直接輸入到單片機ADC引腳。當輸入電壓高于3.2 V時候，二極管D4導通，輸入電壓將被鉗位在3.2 V；當輸入電壓低于負3.2 V時，二極管D3導通，輸入電壓將被鉗位在負3.2 V；當輸入電壓達到或超過上限電壓時，輸出電壓將保持為一個固定值，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3.2 V的電壓范圍內。

2.4 有效值轉換電路

有效值轉換采用AD637有效值直流轉換器，所需外圍元件少，轉換原理如圖7所示。芯片采用±15 V供電，能計算任何復雜波形的真有效值、平均值、均方根值以及絕對值；頻帶寬，允許測量 100 mV均方根、頻率最高達600 kHz的輸入信號以及2 V均方根以上、頻率最高達8 MHz的輸入信號[5]。輸入正弦波信號，它的有效值為，Um為最大值；輸入直流信號，它的有效值仍是標稱值。

圖7 AD37有效值轉換電路原理圖

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碼管，各用一塊穩壓芯片，3.3 V電源提供給單片機，如圖8所示。電源電壓的準確度直接影響交流毫伏表的精度。整流濾波之后采用了LM317穩壓芯片。LM317調壓范圍寬、穩壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高。LM317輸出電壓引腳和調整電壓引腳之間的標準電壓為1.25 V，可以通過電阻調整到1.2～37 V，通過合理匹配調整到15 V、5 V和3.3 V。每塊LM317芯片最大輸出電流可達1.5 A，滿足單片機和繼電器吸合所需 電流。

圖8 電源電路圖

3 軟件設計

數顯交流毫伏表程序流程如圖9所示。開機后首先初始化，判斷中斷按鍵即測試鍵按下，將檔位切換到最高檔位200 V位置并讀取ADC轉換值，判斷電壓是否在該檔有效范圍值。如果是對應范圍電壓值，則通過滑動濾波平均算法將電壓值顯示在數碼管上；如果不是對應電壓范圍，則切換到20 V檔位并按照如上流程循環進行。

圖9 程序流程圖

滑動濾波平均算法為：

式中：Xn為第n次采樣值經濾波后的輸出，Xn-i為未經濾波的第n-i次采樣值，N為滑動平均項數，這里N選5，對周期性干擾具有良好的抑制作用[6]。

數顯交流毫伏表內部實物如圖10所示，通過數碼管能準確顯示被測電壓有效值。經過驗證，系統軟件穩定、效果良好，顯示效果如圖11所示。

圖10 數顯交流毫伏表內部實物圖

圖11 數顯交流毫伏表工作圖

4 結 語

通過采用STM32單片機、繼電器切換電路、電阻網絡、限幅電路以及AD637等硬件模塊，并應用STM32單片機12位高速ADC、滑動平均濾波法完成200 V、20 V、2 V及200 mV四個檔位自動測試電壓有效值，量程從0～400 V，精度能達到小數點后三位，實現了測試檔位自動切換、數碼顯示、寬量程等智能控制，產品具有較好的市場推廣價值。