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智能数字交流毫伏表的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
与实现 AD637
作者：国防科学技术大学三院 张玘，周婷婷，扈啸
摘 要：本文介绍了一种基于单片机和测量电压真有效值
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
设计的智能数字交流毫伏表。
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 数字毫伏表 真有效值 智能量程转换
1. 引言
在电气测量中，电压是一个很重要的
参数
转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应
。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。本文讨论的智能数字交
流毫伏表则采用积分式放大检波方案，从原理上克服了模拟电压表的缺陷。而且在具体设计
和实现过程中有效地保证了仪器的灵敏度。
对于频率在 10Hz～2MHz 范围内的任意波形交流模拟信号，本文设计在实现传统模拟电
压表的一般功能（单/双通道测量及显示）的基础上，还扩展了智能选择量程进行测量的功
能，整个测压范围达到 0.01mV～300V，灵敏度保证在 10μV级。采用两块液晶可同时显示
电压值、分贝值以及所需的其它字符，读数简单方便。液晶可显示的最大分辨率为 0.01mV。
2. 系统设计
设计的硬件部分共包括衰减及放大、真有效值直流(RMS-DC)变换、模数转换、单片机控
制、液晶显示及按键选择控制等五个主要组成部分。设计的总体思路是首先将滤波后的模拟
信号通过衰减放大电路将电压值转换到 RMS-DC 变换器的工作电压范围内，然后让变换结果
通过模数转换后直接进入单片机，经软件部分的相应处理后送液晶显示。若输入的被测信号
电压不在合适的量程之内，单片机经过判断后控制微型继电器对衰减放大电路作相应的调
整，以实现仪器智能转换量程的功能，并起到了保护后续电路的作用。原理框图如图 1：
图 1 设计原理框图
真有效值
直流变换
A D 6 3 7
衰减器及放大器
（微型继电器）
液晶×2（6 线串行接口）
10-bit ADC
T L C 1 5 4 9
Key
I/O 口
3 线
串 行
接 口
dB/V 选择 I/O 口
单 片 机
P 8 7 L P C 76 4
3. 硬件设计
3.1 单片机的选择
1
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本着尽量减少外围器件以简化电路降低成本的原则，这里选用 PHILIPS 的 P87LPC764
型 OTP 单片机。这是一种 8051 改进型 MCU，可以提供 4K 字节 OTP 程存空间，128 字节 RAM。
它不仅具备 MCS-51 系列已有的特点，同时增加了 WDT 看门狗、I2C 总线，上电复位检测、
欠压复位检测等其他功能，保证 I/O 口驱动电流达到 20mA，运行速度为
标准
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80C51 的二倍，
而且温度范围也达到工业级标准（－40～+85℃），单片机本身的可靠性即电磁兼容特性也
极好，功耗很低。
3.2 衰减放大电路与量程转换
信号的衰减及放大由单片机 I/O 口通过微型继电器控制，与 A/D 配合，以实现量程的自
动转换。若被测电压高于单片机此时设定的量程，单片机控制相应的继电器对信号衰减，反
之则放大，保证输入 RMS-DC 变换器的信号不超过其工作电压范围，并尽量使 RMS-DC 变换器
工作在最佳状态，提高灵敏度。
3.3 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。根
据其特性曲线，AD637 在输入电压在 0.2V～2V 范围内有最佳频率响应，故衰减放大电路的
输出信号电压应控制在该范围内。
模数转换用带串行控制的 10 位模数转换器 TLC1549 来实现，它能对信号自动采样保持，
总不可调整误差可控制在±1LSB Max
内。这里通过 TL431 电压基准芯片提供
外加参考电平 Vref+～Vref-；转换范围
Vcc～0V，经过校准即可确定具体数值。
三线控制（CS、DATA、CLK）。
开 始
(BAND)＝7
据档位值控制
相应的继电器
取数据
Data<95?
数据处理
Y
N
Y
(BAND)-1
(BAND)=0?
N
Y
(BAND)+1
(BAND)=7?
N
Y
90
1000?
TLC1549的输入信号为10Hz～1MHz的正
弦波。但由于前端采用 AD637 处理，被
测信号可以是任意波形。
3.4 显示部分设计
液晶可显示 3 位带负号小数点的 8
位字段。显示有效值和分贝值
格式
pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载
如下：
有效值：“3 位半数字（可带小数
点）”＋“mV/V”
分贝值：“负号”＋“3 位数字（可
带小数点）”＋“dB”
单路时一块液晶显示有效值，另一块显
示分贝值。双路测量显示有效值、分贝
值可交替显示。
4.软件设计
软件设计主要完成三部分工作：进
行数据处理（取均值去粗差）、控制继
电器实现量程自动转换，以及显示电压
有效值、计算和显示电压分贝值。
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数据处理部分的程序设计简单易行，因此不再赘述。这里主要说明一下量程自动转换以及计
算并显示电压有效值和分贝值部分的程序设计。
4.1 量程自动转换
共设计有 6个量程：10μV～100μV、100μV～1mV、1mV～10mV、10mV～100mV、100mV～
1V、1V～10V、10V～100V 以及 100V～300V。
程序设计中只用到了 TLC1549 的输出数据（0～1024）中 100～1000 的部分。若电压转换值
小于 100，单片机控制继电器使信号×10 倍放大，若电压转换值大于 1000，单片机则控制
继电器使信号÷10 倍衰减。由于输入信号未知，为避免电路被烧坏，设定的初始量程应为
最高量程。
4.2 分贝值计算与显示
分贝值转换公式：dB＝20log10V，其中，V 表示待测电压值，由于汇编程序实现对数运
算较为困难，本程序采用查表方法实现分贝值的转换。
难点在于，单片机只提供 4K 的程存空间，无法存入所有电压值对应的 dB 值，故查表程
序应根据情况灵活设计。
首先将确定此时的量程档位值，然后调出经 AD 转换后的电压数据查表，接着根据档位值和
查表结果确定该电压的实际分贝值。如测量 150V 电压，首先确定选用量程为 7 档，衰减后
的信号为 1.5V，故其实际的分贝值应为 1.5V 电压对应的分贝值再加 40（信号从 150V 调整
为 1.5V 衰减了 100 倍）。最后送液晶显示。
具体实现的子程序流程图如图 3。
5. 测试结果
5.1 测试一：频率固定、电压变化
用 EM1643 型信号发生器提供频率固定为 1KHz 有效值在 0.1V～1V 范围内变动的正弦信
号，以 KEITHLEY2000 型数字万用表作为基准对本文设计的智能数字毫伏表的测量结果进行
误差分析，可以得出如图 4 所示的相对误差随电压的变化趋势，显然在量程的中间部分相对
误差最小，测量最准确。主要原因是在该段电压范围内 AD637 的转换精度最高。
这里仅以 1V～10V 档为例，其余档位相对误差随被测电压的变化趋势类似。图中只给出
了大致的变化趋势。
5.2 测试二：电压固定、频率变化
同样以EM1643型信号发生器提供有效值为5V频率10Hz～2MHz范围内变动的正弦信号，
以 KEITHLEY2000 型数字万用表作为基准对本文设计的智能数字毫伏表的测量结果进行误差
分析，可以得出如图 5 所示的相对误差随频率的变化趋势，显然频率过低过高对测量都有影
响。在频率很低时相对误差的符号具有很大的不确定性，因此会产生波动。图中仅给出了大
致的变化趋势。
3
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6. 结语
本文设计实现的智能数字交流毫伏表的实际测试结果表明该表工作稳定可靠、灵敏度得
到有效保证，完全达到设计要求。整个设计过程中所采用的一些硬、软件设计方法和思路（如
计算和显示分贝值的查表程序），也值得推广使用。
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浙公网安备 33021202002483