1、基于 LPC2103 真有效值的检测摘要：在电气测量中，电压是一个很重要的参数。如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电测仪器研究的内容之一。目前所用的模拟电压表多为平均值检波，存在测量非正弦信号误 差较大、测量小信号时漂移较大的问题，致使仪器灵敏度受到限制。本文讨论的基于 LPC2103 的真有效值的松检测，中有效地保证了仪器的灵敏度。它能精确测量任意波形的低频模拟周期信号并同时显示其有效值和分贝值。具有智 能量程转换功能。关键词：单片机 ，LPC2103， 真有效值，AD637Abstract: In electrical measurements, the voltage is a ve
2、ry important parameter. How to accurately measure the analog signal voltage, electrical measuring instruments has been one of the research. Currently used by more than the average analog voltage detection table, there is non-sinusoidal signal measurement error is larger when measuring small signal d
3、rift of the larger problems that instrument sensitivity is limited. This article discusses the true effective value-based LPC2103 pine detection, effectively ensuring the instrument sensitivity. It can accurately measure the low-frequency arbitrary waveform signals and simulation cycle also showed t
4、he RMS and the decibel values. With intellectual energy conversion process. Keywords: microcontroller, LPC2103, RMS, AD637 目 录1 前言 31.1 课题简介 31.2 真有效值（RMS）基本定义 .31.2.1 真有效值与有效值的区别 .41.2.2 真有效值与加权平均技术的对比 .42 关键器件及编译仿真软件简介 62.1 LPC2103 概述 .62.2 LPC2103 主要特性 .62.3 PROTEUS 仿真软件简介 72.4 KEIL 编译及调试软件简介 .83
5、 系统硬件设计 113.1 整机设计方案 113.2 单片机电路模块框图 113.3 稳压直流电源设计 123.4 串口通信电路设计 123.4.1 串口通信原理图 .123.4.2 串口通信简介 .133.4.3 串口通信的原理及意义 .143.5 A/D 转换电路部分 153.5.1 真效值直流变换芯片 AD637 简介 153.5.2 RMS-DC 变换器的选型考虑 153.5.3 AD637 的工作原理 .163.5.4 DC 误差、输出纹波和平均误差 .173.5.5 AD 转换电路原理图 .184 系统软件设计 184.1 RMS-DC 变换器及模数转换 .184.2 真有效值的计
6、算 204.3 真有效值计算中应注意的几个问题 215 系统仿真 225.1 串口通信的仿真 225.1.1 串口通信流程图 .235.2 其它程序 （略） 236 原理图及 PCB 绘制 246.1 原理图绘制 246.2 元器件封装 246.3 元件布局 256.4 PCB 绘制 .257 小结与体会 268 参考文献 279 附录 289.1 附录一 设计总体电路图 289.2 附录二 整机 PCB 图 .281 前言1.1 课题简介单片微型计算机简称单片机，又称微控制器(MCU)，它的出现是计算机发展史上的一个重要的里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点独具特色，在工业控制、尖
7、端武器、通信设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。本次课设采用的 PHILIPS 单片 32 位 ARM 微控制器LPC2103，代表，目前 ARM 系列单片机是国内目前应用最广泛的一种单片机之一。单片机以其系统硬件构架完整、价格低廉、运行速度快学生能动手等特点，成为工科学生硬件设计的基础课。本系统包括以下器件：电源端子(DC +5V)，可以 USB 供电，也可独立电源供电。CAT1025 作为复位芯片，通用异步串口,采用 MAX232 做电平转换。ARM 单片机 LPC2103，支持串口下载和单步调试，AD637 真有效值直流转换芯片。1.2 真有效值（rms）基本定义真有效值
8、（rms）的定义 RMS（真有效值）是对交流信号幅度的基本量度，可以 分别从实用角度和数学角度予以定义。从实用角度定义 是：一个交流信号的真有效值等于在同一负载上产生同 等热量所需的直流量。例如，1 V 真有效值交流信号与 1V 直流信号在同一电阻上产生的热量相同。从数学角度 定义是：电压的真有效值值定义如下：（以上是经过简化的公式，等同于零平均值统计信号的 标准偏差。 ）这包括求信号的平方，取平均值，然后获 得其平方根。取平均值的时间必须足够长，以便能在所需的最低工作频率进行滤波。1.2.1 真有效值与有效值的区别（1）真有效值与有效值之间的处别：有效值是：交流电压一周内的电压、电流转换成直
9、流电压、电流等效计算出来，这样在电压表、电流表刻上表记，所以把交流电压、电流叫有效值。 （2）现在可控硅整流、变频器的应用，它是通过移相来调电压，它出来的电压已经不是正弦波，如果用原来电表的刻度读出来已不精确了。现在又有一种新电压表、电流表来精确核算有效值。这就是真有效值测量。1.2.2 真有效值与加权平均技术的对比AD637 是 AD 公司推出的真有效值直流变换器。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测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术。采用 AD637 可以简化仪器的设计，增加信号测量品种，并且灵敏度、精确度也大大改善。目
10、前市场上的万用表大多采用简单的整流加平均电路来完成交流信号的测量，因此这些仪表在测量 RMS 值时要首先校准，而且用这种电路组成的万用表只能用于指定的波形如正弦波和三角波等，如果波形一变，测出的读数就不准确了。真有效值直流变换则不同，它可以直接测得输入信号的真实有效值，并和输入波形无关。一个交变信号的变化情况可用波峰因数 C（Crest Factor）来表示，波峰因数定义为信号的峰值和 RMS 的比值：C =VPEAK/VRMS.不同的交变信号，它的波峰因数也就可能不同，许多常见的波形，如正弦波和三角波，它们的 C 比较小，一般小于 2,而一些占空比的信号和 SCR 信号，它们的峰值因数就比较
11、大。要想获得精确的 RMS 测量结果，如果使用加取平均电路，设计者要事先知道信号的波形，并测得其波峰因数，而 RMS-DC 变换器测无需知道的波号的开关就能直接测出各种波峰因数的交变信号的有效值。AD636 能外理的信号的最大波峰因数为 10,附加误差不超过 1%，而 AD736/AD737 能处理的信号波峰因数为 5,下面对采用真 RMS-DC 变换器和加数平均两种技术在各种波形下的性能作了对比。一个交变信号的有效值的定义为：这时，VRMS 为信号的有效值，T 为测量时间，V（t）是信号的波形。V(t)是一个时间的函数，但不一定是周期性的。对等式的两边进行平方得：右边的积分项可以用一个平均来
12、近似：这样式（2）可以简化为：VRMS2=AvgV2（t) (4)等式两边除以 VRMS 得：VRMS=AvgV2(t)VRMS （5）这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础、AD 公司的真有效值直流变换器也正是采用了这一原理。对式（4）两边进行开方得：这样就得到 VRMS 另一种表示方法。在实际中公式（5）比公式（6）更有应用价值，因为采用公式（5）将使得器件的动态范围更宽，采用公式（6） ，对于一个 100:1（0.110V）的交变信号来说，平方后的输出的变化范围将为 10000:1（1mV10V） ，而使用的平方器电路的误差本身就可能超过1mV,那么，准确率就会和信号的幅度有很大的关
13、系：为了保证一定的精度，动态范围就要小于 100:1.2 关键器件及编译仿真软件简介2.1 LPC2103 概述LPC2101/2102/2103 基于一个支持实时仿真的 ARM7TDMI-S CPU，并带有 8kB 和32kB 嵌入的高速 Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行。这可以使得中断服务程序和 DSP 算法中重要功能的性能较Thumb 模式提高 30。对代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30%，而性能的损失却很小。由于 LPC2101/2102/2103 非常小的尺寸和极低的
14、功耗，它们非常适合于那些将小型化作为主要要求的应用，多个 UART、SPI 到 SSP 和 2 个 I2C 总线组成的混合串行通信接口和片内 2kB/4kB/8kB 的 SRAM 一起作用，可使得 LPC2101/2102/2103 非常适合用来实现通信网关和协议转换器、数学协处理器以及足够大空间的缓冲区的强大处理功能。而多个 32 位和 16 位的定时器、一个经改良后的 10 位 ADC、PWM 特性(通过所有定时器上的一个输出匹配来实现)和 32 个快速 GPIO(含有多达 9 个边沿或电平有效的外部中断管脚)使它们特别适用于工业控制和医疗系统。2.2 LPC2103 主要特性 16/32
15、 位 ARM7TDMI-S 处理器，极小型 LQFP48 封装。 2kB/4kB/8kB 的片内静态 RAM，8kB/16kB/32kB 的片内 Flash 程序存储器，128 位宽的接口/加速器使其实现了 70MHz 的高速操作。 通过片内 Boot-loader 软件实现在系统/在应用编程(ISP/IAP)，Flash 编程时间：1ms 可编程 256 字节，单个 Flash 扇区擦除或整片擦除只需 400ms。 EmbeddedICE RT 通过片内 RealMonitor 软件来提供实时调试。 10 位的 A/D 转换器含有 8 个模拟输入，每个通道的转换时间低至 2.44s，专用的结
16、果寄存器使中断开销降到最低。 2 个 32 位的定时器/外部事件计数器，具有 7 路捕获和 7 路比较通道。 2 个 16 位的定时器/外部事件计数器，具有 3 路捕获和 7 路比较通道。 低功耗实时时钟(RTC)，有独立的供电电源和专门的 32kHz 时钟输入。 多个串行接口，包括 2 个 UART(16C550)，2 个快速 I2C 总线(400kbits/s)以及带缓冲和可变数据长度功能的 SPI 和 SSP。 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址。 多达 32 个可承受 5V 的通用 I/O 口。 高达 13 个边沿或电平有效的外部中断管脚。 通过可编程的片内 PLL(可能的输入频率
17、范围：10MHz25MHz)可实现最大为70MHz 的 CPU 时钟频率，设置时间为 100s。 片内集成的振荡器，工作在 1MHz25MHz 的外部晶体下。 节电模式包括空闲模式、RTC 有效的睡眠模式和掉电模式。 通过外设功能的单独使能/禁止和调节外设时钟来实现功耗的最优化。 通过外部中断或 RTC 将处理器从掉电模式中唤醒。2.3 Proteus 仿真软件简介Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件9。它运行于Windows 操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿
18、真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000 系列、8051 系列、AVR系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环
19、境，如 Keil C51 uVision2 等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件，功能极其强大。Proteus 主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，Proteus ARES 主要用于 PCB 设计。ISIS 的主界面主要包括：1 是电路图概览区、2 是元器件列表区、3 是绘图区。绘制电路图的过程如下：单击 2 区的 P 命令即弹出元器件选择（Pick Devices）对话框，Proteus 提供了丰富的元器件资源，包括 30 余种元器件库，有些元器件库还具有子库。利用该对话框提供的关键词（Keywords）搜索功能，输入所要添加的元器
20、件名称，即可在结果（Results）中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到 2 区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的 OK 按钮，返回主界面。接着在 2 区中选中某一个元器件名称，直接在 3 区中单击鼠标左键即可将该元器件添加到 3 区。由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。单击左键是完成在 2 区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则是选中该元器件（呈现红色） ，若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击左键的话则会弹出该元器件的编辑对话框（Edit Component）
21、 ；若不需再选中任何元器件，则将鼠标置于 3 区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。元器件之间的连线方法为：将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个“”符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号“” ，此时单击鼠标左键便可完成连线。连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键即可实现方向的改变。绘制好电路后，可利用 1 区的绿色边框对 3 区的电路进行定位。2.4 Keil 编译及调试软件简介目前流行的 51 系列单片机开发软件是德国 Keil 公司推出的 Keil C51 软件，它是一个基于 32 位 Windows 环境的应用程序
22、，支持 C 语言和汇编语言编程，其 6.0 以上的版本将编译和仿真软件统一为 Vision（通常称为 V2） 。Keil 提供包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：Vision IDE 集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器） 、C51编译器、A51 汇编器、LIB51 库管理器、BL51 连接/定位器、OH51 目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51 实时操作系统。应用 Keil 进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存建立工程并添加源文件设置工程编译/汇编、连接，产生目标文件程序调试。Ke
23、il 使用“工程” （Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单FileNew，在源程序编辑器中输入汇编语言或 C 语言源程序（或选择 FileOpen，直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单 ProjectNew Project，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2） ；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择 CPU 后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页
24、（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择 Source Group1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add File to Group Source Group1”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件） 。加入文件后点 close 返回主界面，展开“Source Group1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择 ProjectOption for Target Target1（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项）
25、，打开工程属性设置对话框，共有 8 个选项卡，主要设置工作包括在 Target选项卡中设置晶振频率、在 Debug 选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output 选项卡中选中“Creat Hex Fi” ；其他选项卡内容一般可取默认值。工程设置后按F7 键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。 成功编译/汇编、连接后，选择菜单 DebugStart/Stop Debug Session（或按Ctrl+F5 键）进入程序调试状态，Keil 提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真 CPU 以模拟执行程序。Keil 能以单步执行（按 F11 或选择
26、 DebugStep） 、过程单步执行（按 F10 或选择 DebugStep Over） 、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（DebugInline Assambly） ，不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（DebugInsert/Remove Breakpoint 或 DebugBreakpoints等） 。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex 目标文
27、件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。Keil 软件 Eval 版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过 2kB，但对初学者而言已是足够。Keil 软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为 Keil 是目前最好的51 单片机开发应用软件。3 系统硬件设计3.1 整机设计方案3.2 单片机电路模块框图本电路采用基于 MCS-51 单片机，用 LM032L 进行显示的硬件设计方法，电路硬件模块图如下：硬件框图Lpc2103232 串口转换电路单片机复位振荡电路蜂鸣器AD637 模块单片机系统（ARM）LPC
28、2103232串口232 电平转换电路直流稳压电源真有效值检测电路3.3 稳压直流电源设计本系统设计为 5V 直流稳压电源输入，5V 直流电压经电容滤波电路，经两个 1117 三端稳压器稳压，再进行二次滤波，输出较稳定的 DC3.3V 和 DC1.8V 的电压信号，给系统供电。流程图如下图所示：本系统在实际制作过程中，基于成本考虑，本设计未做电源这一部分，而是用 USB 连接线，代替了电源的制作。因电脑现已非常普及，从电脑的 USB 口取 5V 电源，亦非常方便。3.4 串口通信电路设计3.4.1 串口通信原理图滤波稳压 滤波稳压 滤波3.4.2 串口通信简介RS232 串口针脚定义9 针接口
29、针脚定义：Pin 1 CD Received Line Signal Detector (Data Carrier Detect)Pin 2 RXD Received DataPin 3 TXD Transmit DataPin 4 DTR Data Terminal ReadyPin 5 GND Signal GroundPin 6 DSR Data Set ReadyPin 7 RTS Request To SendPin 8 CTS Clear To SendPin 9 RI Ring Indicator 9 芯 信号方向来自 缩写 描述 1 调制解调器 CD 载波检测 2 调制解调器
30、RXD 接收数据 3 PC TXD 发送数据 4 PC DTR 数据终端准备好 5 GND 信号地 6 调制解调器 DSR 通讯设备准备好 7 PC RTS 请求发送 8 调制解调器 CTS 允许发送 9 调制解调器 RI 响铃指示器 3.4.3 串口通信的原理及意义串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且也能实现电脑对单片机的控制，比如你可以把写入单片机的数据码显示在电脑上，如可以使用一个按键，当按下它时使某一个字母如：AA，通过单片机的串口将它发送到电脑上显示，起到仿真器的某些功效，站长在开发数据采集设备时就是通过串口来检查数据正确与否的。 ARM 单片机
31、有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是 RS232 电平的，而单片机的串口是 TTL 电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片 MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的 9 针串口只连接其中的 3 根线：第 5 脚的 GND、第 2 脚的 RXD、第 3 脚的 TXD。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232 的第 10 脚和单片机的 11 脚连接，第 9 脚和单片机的
32、 10 脚连接，第 15 脚和单片机的 20 脚连接。3.5 A/D 转换电路部分3.5.1 真效值直流变换芯片 AD637 简介图 1 管脚定义它的输入级是一个单位增益（增益为 1）缓冲器，在 AD536A、AD636 和 AD637 中，这个缓冲器是独立的，可另作它用，我们可以把它用作变换器的一个高阻抗输入缓冲，也可以把它作为一个有源滤波器跟在 RMS-DC 变换器自身的滤波器后面，我们也可以把它束之高阁，弃之不用。而在 AD736 和 AD737 中，这个输入缓冲器只能作为高阻抗放大器使用，并且在内部已按需要的连线连接好。第二部分就是绝对值电路，绝对值电路就是一个高精度的全波整流器，绝对
33、值电路的输出接至一个平方/乘法器。平方乘法器对输入信号进行平方运算，然后用 RMS-DC 变换器的输出去除，就可实现要求的功能。3.5.2 RMS-DC 变换器的选型考虑虽然真 RMS-DC 变换器可以测出任意波形交变信号的有效值，但是不同型号的RMS-DC 变换器可以测量的交流信号最大有效值、最大波峰因数也不相同，到目前为止还没有一种能适用于任何场合的 RMS-DC 变换器，在实际应用中我们要尽可能地选择和应用场合适应的型号，这样，我们就地精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间因素综合考虑。AD637 可测量的信号有效值可高达 7V,也是 AD 公司 RMS-DC 产品中精度最高
34、、带宽最宽的，对于 1VRMS 的信号，它的 3dB 带宽为 8MHz,并且可以对输入信号的电平以 dB形式指示，另外，AD636 还具有电源自动关断功能，使得静态电流众 3mA 降至 45A.AD736 和 AD737 主要用于便携测试仪表，它的静态功耗电流小于 200A,可接受的信号有效值为 0200mV,（如加上衰减器，可增大测量范围，后面详述）AD737 也有一个电源关断（Power-down）输入，允许用户把电流众 160A 降至 40A,从而降低功耗，AD637的性能更好，它的精度、动态范围、波峰因数、稳定时间诸参数都很好。如果要求精度调，对大幅度信号和变化快信号的响应速度快，就应
35、选择AD637。AD637 的响应时间和信号幅度无关，而 AD736、AD737 的响应时间在平均电容器电容值恒定的条件正，直接取决于信号电平。信号幅度愈小，响应时间愈长，信号幅度愈大，响应时间愈短。因此本系统 选 用 AD637 作为有效值转换芯片。3.5.3 AD637 的工作原理AD637 框图为了更好的理解 AD637 的工作原理，本处结合平均电容 CAV 和滤波器 CF,重新画出它的框图（如图 3 所示） ，以便使其信号流向更清楚。AD637 的输入是通过一个用作单位增益缓冲器（具有 FET 输入）的运放来引入的。这个缓冲器有两种用法，一种是用作高阻抗输入缓冲器（通过 PIN2 引入
36、被测信号） ，另外一种就是用作低阻抗输入缓冲器（通过 PIN1 引入被测信号） 。用作低阻抗输入是，可提供的动态范围要比用作高阻抗缓冲时宽，所需输入电流小，适于要求高输入阻抗的应用场合。这个缓冲器的输出接至全波整流器即绝对值电路，反过来，全波整流器的输出又接至一个平方器/除法器，此平方/除法器的输出又接至作为电流电压变换器的运放的反相输入端（引脚 3） 。这样，可以在引脚 3 和引脚 6（输出）之间跨接一个电容，这个电容和内部 8k 反馈电阻并联组成一个有一个极点的低通滤波器。由于外接的平均电容 CAV 在 RMS 计算过程中保持着经过整流器的输入信号和电压，因此电容 CAV 的值就直接影响测
37、量精度，特别是在测试信号的频率低时，电容器的值越大，误差越小，同样，由于平均电容看起来是接在平方/除法器的基极发射极组成的 PN结之间的，PN 结的电阻随信号电平的变化而变化，这样平均时间常数将随输入信号的变小而线性增大。因此，当信号电平变小时，由于平均电路的非理想性而造成的误差就会变小，电路稳定至新的 RMS 电平所需的时间也就增加，这样，对于小幅度的输入信号，测试精度高，但由于放电需要的时间长而使两次测试之间的等待时间变长。这样就需要在精度和稳定时间之间作出权衡。3.5.4 DC 误差、输出纹波和平均误差直流误差就是输出信号（已通过滤波滤去纹波）和理想的直流输出之间的差，直流误差只受所用平
38、均电容的影响，采用一个百常大的 CF 将减小直流误差。同样采用一个大CF,也就消除纹波。在大多数情况下，在选择电容器 CAV 和 CF 的值时，要考虑直流误差和交流误差的综合误差，这个综合误差表征着测量中的最大确定性，因此也称为“平均误差（Averaging Error） ”，它等于输出纹波的峰值加上直流误差。当测量信号的频率变高时，直流误差和交流误差会随之迅速减小，如果频率增大一倍，直流误差将变为原来的 1/2,而交流误差将变为原来的 1/4，这样误差的影响也就变小了。编译及仿真软件本次课设的任务是实现正弦波有效值的测量，一般有效值的测量主要有平均值法峰值法，真有效值转换芯片测量等方法。本次
39、课程设计采用 TI 公司的串行 A/D 转换芯片TLC549 测量交流信号，再根据有效值的定义式求得其有效值。3.5.5 AD 转换电路原理图图 4.3 AD 转换原理框图4 系统软件设计4.1 RMS-DC 变换器及模数转换就精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间因素综合考虑，选用了 AD 公司的 RMS-DC 变换器件 AD637。它具有响应速度快，响应时间和信号幅度无关等特点。 AD637 采用隐式真有效值计算法，使用了一个绝对值电压 / 电流（ V/I ）转换器、一个平方器 / 除法器、低通滤波器、精密电流镜和一个输出缓冲器（参见图 5 及图 35 ） ，具有 10 V 满
40、量程输入范围。 AD637 的输入电压首先由绝对值电路（精密整流器）处理，它具有单极性输出。此输出驱动电压到电流转换器（使用运算放大器） ，其电流输出 IIN为整流过的输入信号。 电流 IIN驱动平方器/除法器，它利用电流镜的反馈，在一级电路上实现平方和平方根两种功能。利用对数-反对数电路，反馈电流 IF被平方输入电流 IIN2所除。由于 dB（分贝）是信号的对数函数，因此 AD637 的 dB 输出就是从这一平方器/除法器级导出。这一级的输出 IIN2/IF 通过一个内部电阻和一个外部连接的滤波器电容组成的低通滤波器求平均值。经过滤波的信号驱动提供反馈电流 IF和输出电流 2IF的电流镜电路
41、。输出电流被设置为反馈电流的两倍，以利用器件内部的 25k 电阻 RL以得到器件输出电压。AD637的 IOUT引脚输出为每伏真有效值输入信号对应 40A 电流。如果将 RL引脚接地，则器件输出为每伏真有效值输入对应 1V 直流电压。单位增益缓冲放大器可以用来为 IOUT或 dB 输出功能提供低低阻抗电压输出。AD637 滤波器 / 求平均值电路图 这种模拟“三态”工作方式允许将数个 AD637 的输出并联起来，并通过将片选拉至高电平来选择所需的通道，由此便构成了一个有源多路复用器。 AD637 同其前款产品一样，利用绝对值电路对输入信号电压进行全波整流。转换器的下一级电路将此直流信号取对数并
42、翻倍，以执行平方操作。然后，此部分的平方输出传递至除法器级，在这一级输入信号平方的对数减去真有效值输出 VOUT的对数。然后，指数电路实现反对数功能，得到VIN2 / VOUT 。真有效值转换器的最后部分滤波器级获得上述结果后，对处理过的信号求平均值，从而得到：V IN2/VOUT。因为在输出处根据定义，这就是输入电压的真有效值值。4.2 真有效值的计算根据有效值的定义，有效值等于最大值除以 ，为了计算方便，程序中取 为221.414，A/D 转换输出的结果(设为 M)是 16 进制的数，最大为#0FFH，对应的是基准电压，约为 4.2V，所以每个十六进制的单位 1 对应的电压是 ，有效值为
43、4.50.16V。在实验程序中先取出采样结果 M，然后乘以 12(即#0CH)，再将所得的结果(也是十六进制)转换成十进制 BCD 码，其计算和转换的流程图如图 5.1 所示。4.21250M将 一 轮 AD抽 样 后 比 较 得 到 的 最大 值 存 于 21H中将 21H中 的 值 乘 以 12转 换 成 有 效值 的 十 六 进 制 数 存 于 39H和 40调 用 进 制 转 换 程 序 将 有 效 值 的 16进 制数 转 换 成 对 应 的 10进 制 BCD码开 始将 BCDE码 存 于 7CH开 始 的 单 元中 ， 7H为 最 高 位 ， F为 最 低 位子 程 序 结 束
44、结 束4.3 真有效值计算中应注意的几个问题应用 AD637 来计算真有效值时，应注意以下几个问题： （ 1 ）当被测交流电压超过 200mVRMS 时，必须在 AD736 前加一级分压器，以将被测电压衰减到 200mV 以内。（ 2 ）若要测量交流电流的真有效值，应在 AD736 前面加一级分流器。（ 3 ）设计高精度真有效值 RMS 时，还应考虑被测电压的波峰因素 Kp （波峰因数 Kp 是被测信号的峰值与真有效值之比）的影响，应仔细选择合适的 CAV。常见的正弦波、言波、三角波和锯齿波的 Kp2，此时 CAV 可取 33F。但对于窄脉冲或晶闸管的波形，由于 Kp2,因此应适当增大 CAV
45、 的容量，以延长取平均值的时间，从而减少由 Kp2所引起的附加误差。5 系统仿真5.1 串口通信的仿真在 KEIL 中自动生成的 startup.s 中，对 PLL 的调制如下： .equ PLL_SETUP, 1 /默认是打开的 .equ PLLCFG_Val, 0x00000024 /*默认的倍频值是 M=4+1=5，这样如果你的外部时钟是 Fosc=11.0592Mhz 的话，那你的 Fcclk=5*fosc； 所以要在周立功公司给的 config.h 中要把#define Fcclk (Fosc * 4) 中的 4 改为 5. */ 5.1.1 串口通信流程图5.2 其它程序 （略）6
46、 原理图及 PCB 绘制6.1 原理图绘制按照功能规划，依次画好 AD 转换电路，232 电平转换电路，电源电路，复位电路等。此电路图即绘制完毕。6.2 元器件封装如上图所示，把原理图中各个元器件封装好，生成网络表，网络表经检测无误，导入 PCB。6.3 元件布局6.4 PCB 绘制刷新频率即数据更新一次所需要的时间，也就是一个完整的抽样周期。在一个抽样周期内完成很多个 A/D 转换的抽样取值，抽样的次数由 R3 和 R4 确定，程序中 R3 为#0AH，R4 等于#0C8H,所以抽样次数为 2000 次，即每进行 2000 次 A/D 转换之后取出最大值，并且计算出有效值加以显示，然后进行下
47、一轮抽样，也是取 2000 次/AD 转换的最大值，并且计算出有效值加以显示（这样显示的数据就得到了更新） 。而这 2000 次的 A/D 转换中每两次 A/D 转换的之间的间隔时间由定时器决定，由于TH0 为#0FFH，TL0 为#0A4H，所以每次 AD 抽样间隔约为 100us，这样每一轮 AD 转换之后取最大值计算出有效值并显示的时间间隔约为 200ms。7 小结与体会通过这次毕业设计，使我的编程能力得到了很大的提高，在大脑里面形成了初步的体系结构，以致于在编程时能够灵活的运用和变更。回顾整个设计过程，从硬件焊接到软件编程，从小程序的编写调试到整个单片机功能的了解，从分析到实际运用，都
48、经过了许多思考过程。刚开始对整个系统板不是很熟悉，有很多芯片的用法都了解，以至于编程调试时遇到了很多的困难，失败了很多次。后来上网查资料和一些技术文献，在图书馆借了很多有关单片机的书，慢慢分析调试，最后问题都一一解决了。总结下来，这三周学会了很多东西，例如知道了在编写大程序的时候要把握一些原则，要不然很容易出错，而且很难查出错在哪里，还学会了 protel 99se 绘制原理图，PCB 图，用 proteus 进行简单的仿真。觉得自己的专业知识又得到了丰富。8 参考文献1 李群芳主编.单片微型计算机与接口技术.北京：电子工业出版社，20052 宋 浩主编.单片机原理及应用.北京：清华大学出版社，20053 凌玉华编著.单片机原理及应用系统设计.北京：中南大学出版社，20064 蒋力培编著.单片微机系统实用教程.北京：机械工业出版社，20045 潘 昊编著.单片机十六进制数与 BCD 码转换新探讨（摘要） ，19976 佟为明主编. TLC549 在交流有效值测量中的应用（摘要） ，20069 附录9.1 附录一 设计总体电路图9.2 附录二 整机 PCB 图
