【摘 要】本文介绍的智能数字交流毫伏表是针对传统测量仪表采用平均值转换法来对遇到大量的非正弦波测量存在着较大的理论误差而设计的。为了实现对交流信号电压有效值的精密测量，并使之不受被测波形的限制，采用了真有效值转换技术，即不通过平均折算而是直接将交流信号的有效值按比例转换为直流信号。
【关键词】真有效值；智能毫伏表；程序；可编程放大器
0 引言
和以往的有效值测量技术不同，真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真实有效值，它不是采用整流加平均的测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术。采用AD736来简化仪器的设计，增加信号测量品种，并且灵敏度、精确度也大大改善。本智能数字毫伏表能够对频率为20Hｚ－1MHｚ、幅值为1ＭＶ－300Ｖ的交变电压进行测试。并具有自动调零、自动过载报警、自动量程切换、自动单位换算、数码显示等特点。
1 系统硬件设计
1．１ 硬件设计框图
本智能毫伏表的主要硬件框图如图１所示：被测信号通过信号的衰减→可编程增益放大（PGA）→AD736转换器→8031→数码显示。
图１ 硬件设计框图
1．２ 单元电路设计
1）衰减电路设计
真有效值智能毫伏表主要功能是测量不同的电压，而且要求测量的电压值范围很宽，从1ＭV～300V的直流、正弦交流电压，最大与最小之比达到10000000个数量级。为此选用双四选一的多路模拟选择开关CD4052联合可编程放大器来实现量程的变换，即在测量时对被测电压进行先衰减后放大。
2）放大电路设计
本毫伏表测量的电压范围很宽，要进行量程变换。在以往的仪器中均采用手动切换，而在本设计中选用了可编程放大器（PGA）和单片机加上少量的软件，来实现自动量程变换。可编程放大器采用的是数字可编程增益放大器SFM004。它由运算放大器、高精度电阻网络和数字可编程开关网络组成。具有低输入偏置电压、高输入阻抗、高精度增益、功耗低等特点。
3）AC/DC转换电路设计
在本设计中模拟信号数字化处理的关键是首先要实现信号从模拟电压到N位数字量的转换，AD736转换器即是实现这一功能的器件。AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200ＭVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460ＫHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低（最大的电源工作电流为200μA）。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±0.3%。
4）主控芯片8031设计
主控系统是本设计的两个重要组成部分之一，主控系统芯片的选取决定了设计仪器的测量质量和其性价比，在本设计中选取了8031作为本设计的主控芯片。
8031是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内钟振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下次硬件复位为止。
5）显示电路设计
选用由发光二极管组成的七段数码显示器。
2 系统软件设计
2．１ 软件设计思想
软件设计研制的过程包括问题的定义、软件结构的设计、建立数学模型、绘制程序流程图、编写程序。
软件方面的设计包括编写、运行、调试PC机的汇编语言以及单片机的汇编语言程序，需要使用汇编语言、C语言等高级语言。本设计里采用Debug来编程，而单片机的汇编采用伟福仿真软件来编程应用系统软件的设计。单片机的软件设计是在裸机条件下开始设计的，而且随应用系统的不同而不同。
下图２给出了软件设计的整体思路结构框图：
图２ 软件设计的整体思路结构框图
本系统的软件设计包括以下几个模块：清零、初始化、数据采样、调取数据子程序、调数据处理子程序、数据采样完、显示。
初始化
程序设计第一步就是对单片机进行初始化，本设计中单片机初始化包括：关看门狗、外部晶振设置、串行口初始化、多路选择开关设置。
关看门狗
下面的代码段说明禁止WDT的过程：
CLR EA ； 禁止所有中断
MOV WDTCN, #0DEh ； 禁止软件看门狗定时器
MOV WDTCN, #0Adh
SETB EA； 重新允许中断
写0xDE和写0xAD必须发生在4个时钟周期之内，否则禁止操作将被忽略。在这个过程期间应禁止中断，以避免两次写操作之间有延时。
外部晶振设置
使用晶体或陶瓷谐振器作为MCU的外部振荡器源，应选择外部振荡器频率控制值（XFCN）。
当外部晶体振荡器稳定运行时，晶体振荡器有效标志（OSCXCN寄存器中的XTLVLD）被硬件置‘1’。XTLVLD检测电路要求在允许振荡器工作和检测XTLVLD之间至少有1 ms的启动时间，在外部振荡器稳定之前就切换到外部振荡器可能导致不可预见的后果。过程为：
允许外部振荡器
等待至少1ms
查询XTLVLD‘0’=>’1’
将系统时钟切换到外部振荡器
多路选择开关设置
当多路选择开关配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外设的对应允许位被设置为逻辑‘1’时，多路选择开关将端口引脚分配给外设。如果一个数字外设的允许位不被设置为逻辑1，则其端口将不能通过器件的端口引脚被访问。当选择了串行通信外设，即SMBus、SPI或UART时，交叉开关将为所有相关功能分配引脚。
因为可编程增益放大器SFM004的寄存器影响了多路选择开关，所以它们通常在外设被配置前由系统的初始化代码配置，一旦配置完毕将不再对其重新编程。
2．2 系统程序流程图
经过以上分析，主程序流程图如图３所示。
图３ 主程序流程图
中断子程序流程图和显示子程序流程图如图４所示。
图４ 动态显示子程序流程图和
中断子程序流程图
3 结论
通过以上的设计和测试，该毫伏表具有能够对频率为20Hｚ－1MHｚ、幅值为1ＭＶ－300Ｖ的交变电压进行测试。并具有自动调零、自动过载报警、自动量程切换、自动单位换算、数码显示、体积小和操作方便等特点。通过实践测试该毫伏表设计性能可靠，达到实现资源最简和高测量的性价比的目的。与传统的毫伏表相比灵敏度、精确度也大大改善。
【参考文献】
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［责任编辑：周娜］
