基于AD7896的瞬時峰值電壓測量儀

袁開鴻，陳新喜

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

峰值檢測是示波器中數(shù)據(jù)采集的方法之一[1-3]。示波器顯示波形時，為了能夠在存儲深度上滿足獲取毛刺的需求，可以采取取樣方式、平均方式以及峰值檢測方式。取樣方式是通過平均的時間間隔對信號進行取樣來創(chuàng)建波形，這種方式要捕捉窄的毛刺時，示波器必須以高的采樣率才能實現(xiàn)，并且數(shù)據(jù)需要全部存儲起來，當(dāng)信號的頻率比較低的時刻，示波器必須將時基檔位調(diào)到等效采樣率很低，采集到毛刺信號非常困難。而峰值檢測則只需要以最高的采樣率捕捉信號，簡單的忽略某些采樣，只記錄發(fā)生在每個采樣間隔期間內(nèi)的最大和最小值。這樣就無須增加存儲深度，還可以捕捉毛刺或者偶發(fā)事件。因此研究峰值檢測技術(shù)、設(shè)計實用易行的峰值檢測電路則具有很好的應(yīng)用價值。本文給出了整個電路的整體框架，以AD7896作為主要的轉(zhuǎn)換器件，完成了一款簡單易行的峰值檢測儀的設(shè)計，并對各個子模塊的硬件設(shè)計以及軟件框圖進行了設(shè)計與說明[4-5]。

1 系統(tǒng)原理

本測量儀以P89V51RD2單片機為基礎(chǔ)，以AD7896作為主要器件，整個電路分為以下幾個功能模塊：分壓模塊、峰值檢測電路、中斷啟動電路、A/D采樣電路、單片機控制電路和數(shù)碼管顯示電路。電路框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the system structure

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 分壓電路的設(shè)計

分壓電路是利用高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2組成電阻式分壓器，電壓信號在低壓側(cè)取出，如圖2。為保護二次側(cè)測量裝置，在低壓電阻上加裝一個穩(wěn)壓管D5，使其放電電壓恰好略小于或等于低壓側(cè)允許的最大電壓5 V，為使電子電路不影響分壓器的分壓比，在二次側(cè)加設(shè)跟隨器。

電阻分壓器最重要的是誤差問題，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定必須從減小誤差的角度加以考慮。由電路分析可以看出，若在分壓器的高壓端加設(shè)屏蔽罩，可以部分地補償分壓器對地的雜散電容，即可以減小誤差，同時考慮到接地端的屏蔽罩可以控制分壓器對地的雜散電容，因此在設(shè)計時也加設(shè)了低壓屏蔽罩。經(jīng)過分壓電路后的最大電壓值為：

圖2 分壓電路原理圖Fig.2 Principle diagram pressure circuit

電阻的選擇應(yīng)從3個方面加以考慮，電阻溫度系數(shù)、耐壓性能和阻值。如果是沖擊電壓的電壓值較高，可以考慮選用可承受高電壓的玻璃釉電阻器，該電阻器又稱厚膜電阻器，屬于合成型電阻器，其溫度系數(shù)小，表面比功率高，幾乎沒有雜散電感。選擇電阻元件的容量大于分壓器所需的額定功率，減小溫升，也是出于減小誤差的考慮。

2.2 峰值檢測與保持電路設(shè)計

本電路中僅用兩個運算放大器就能完成對非正弦波形的峰值電壓的檢測。如圖3。圖中運算放大器AR1和AR2采用JFET雙運放TL082，具有低偏置電壓和高輸入阻抗特性。AR2起到電壓跟隨器作用。V1（t）的電壓范圍是0～5 V，峰值檢測器的作用是：一直跟隨輸入信號，當(dāng)輸入到最大電壓值時峰值檢測器自動保持該峰值電壓值。

圖3 峰值檢測與保持電路Fig.3 Peak detection and hold circuit

該電路的原理是：

1）本電路輸出初始電壓值為0，二極管D1，D2和D3截止。

2）在電壓峰值達到V1之前，AR1處于開環(huán)增益狀態(tài)，V2＞0，D1截止，D2和D3導(dǎo)通，V3=VC=V0=V1，對電容C3進行充電，將被測信號電壓的峰值保持在電容C3上，電路工作在跟隨狀態(tài)。

3）當(dāng)峰值達到后，V1（t）減小，V1＜VP （峰值），V3＞V1，經(jīng)過AR1開環(huán)增益放大后，D1導(dǎo)通，使AR1沒有進入反饋飽和，D2反射向偏置，由于R2的存在，使得D3處于零偏置狀態(tài)，阻止電容C3放電。由于電容C3在峰值到來之前充電，存儲的能量是最大幅度時的，因此后級跟隨器依然保持之前的最大幅度，電路工作的保持狀態(tài)。

4）之所以增加二極管D3的電阻R6，是因為可以有效地減小電容C3通過D2漏電。

5）在本電路中，在電容C3旁邊增加了一個PNP三極管作為開關(guān)，并通過P14控制該電容在測量之后進行放電，以便下次測量。此外，在電容C3之前，還串接一個1Ωm的電阻，用過防止過沖。

本電路的電壓轉(zhuǎn)換速率為：

因此，電容C3的容量大小將對電壓轉(zhuǎn)換速率有很大的影響。容量大、漏電小的電容可以有效減小漏電流，但是由于價格昂貴的原因也并沒有得到很好的應(yīng)用。同時，容量過大，也不能很好的捕捉到峰值電壓，一般C3的典型值為：1 nf～0.1μf。

2.3 中斷啟動電路的設(shè)計

為了單片機采集、處理數(shù)據(jù)的方便性，可以在峰值檢測電路的基礎(chǔ)上加入硬件中斷輸出能力以在峰值數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后通知單片機，電路原理如圖4所示。

圖4 中斷啟動電路原理圖Fig.4 Interrupt enable circuit principle diagram

用戶可以根據(jù)信號特征的不同調(diào)節(jié)產(chǎn)生中斷的信號門檻電壓，這樣可以提供給使用者很大的方便。該電路使運放處于開環(huán)增益狀態(tài)，其輸出值為-5 V或者+5 V，經(jīng)過二極管D4后，使其輸出為0或者5 V，符合單片機正常的工作信號：低電平和高電平。

2.4 A/D采樣電路的設(shè)計

本電路設(shè)計的被測電壓的范圍為0～100 V，假設(shè)要求被測信號分辨出0.1 V電壓變化，由于被測信號經(jīng)分壓電路后規(guī)范成0～5 V，而在本測量儀中，假設(shè)選擇參考電壓源為5 V的ADC，則可求出ADC芯片的分辨率以及信號調(diào)理的放大倍數(shù)。

K=ADC滿刻度電壓值/信號最大值=5 V/5 V=1 ADC芯片的位數(shù)為：

式中，Umax為ADC芯片的滿刻度輸入電壓，現(xiàn)以定為5 V，Umin為ADC芯片的最小分辨出的電壓。它由被測信號分辨率決定，現(xiàn)要求能分辨出0.1 V電壓變化，對應(yīng)于分壓電路后產(chǎn)生0.1×5 V/100 V的電壓變化，此電壓經(jīng)K=1倍放大后，求得Umin為：

綜上所述 ，選擇N≥10位的ADC芯片，即可以滿足分辨率要求。

當(dāng)然，如果要求被測信號能分辨出0.01 V的電壓變化，即要求更高精度的ADC，則ADC的分辨率高些，此時，N=log（1+5V/5×10-4V）2=13.29，故選擇N≥14位的ADC芯片即可。

考慮到瞬時電壓的周期為50~100μs，速率比較快，本電路采用AD7896作為A/D轉(zhuǎn)換器。AD7896是一個12位的快速AD轉(zhuǎn)換芯片，片上包含了一個8μs的逐次逼近ADC，一個鎖存放大器，一個高速串行接口。AD7896為單電源供電，VDD輸入范圍為2.7~5.5 V，模擬信號輸入端VIN的電壓可在0V-VDD間取值，同時VDD也作為ADC的參考電壓（本電路設(shè)計的參考電壓源為+5 V），AD7896提供了兩種工作模式：高速采樣模式與自動休眠模式。為了獲得快速的電壓轉(zhuǎn)換信號，這里采用了高速采樣模式。其A/D轉(zhuǎn)換接口電路圖如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.5 The A/D conversion circuit principle diagram

2.5 單片機控制電路

本測量儀采用單片機P89V51RD2作為控制核心，當(dāng)收到中斷啟動電路的中斷信號后，啟動AD轉(zhuǎn)換電路，并將電壓值直接送到數(shù)碼管顯示電路。單片機控制電路如圖6所示。

圖6 單片機控制電路Fig.6 SCM control circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的整個軟件設(shè)計都是圍繞著如何準(zhǔn)確獲得電壓的峰值以及將測量結(jié)果正確顯示處理。因此，在主程序中主要處理各系統(tǒng)的初始化以及顯示問題，而在中斷服務(wù)程序中處理電壓信號的讀取、模數(shù)轉(zhuǎn)化以及數(shù)據(jù)運算等問題。軟件設(shè)計的流程圖如圖7~8所示。

圖7 主函數(shù)流程圖Fig.7 The main function flow chart

圖8 中斷服務(wù)程序流程圖Fig.8 Interrupt service program flow chart

4 結(jié) 論

電路通過軟硬件的聯(lián)調(diào)，將測試的結(jié)果顯示在數(shù)碼管上，通過對數(shù)碼管上數(shù)值與示波器實測數(shù)據(jù)的比較，可以得出，本設(shè)計的峰值檢測電路靈敏可靠，轉(zhuǎn)換速率高。

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