基于AD7896的瞬時峰值電壓測量儀

摘要：文中介紹了一款基于AD7896的瞬時峰值電壓測量儀的設(shè)計。峰值檢測是示波器中數(shù)據(jù)采集的重要方法，優(yōu)于取樣方式和平均方式采用單片機(jī)控制方式，通過對峰值檢測儀電路的整體框架的設(shè)計，給出了硬件電路各含單元模塊的設(shè)計原理圖，結(jié)合硬件設(shè)計，得到了軟件設(shè)計的整體流程圖以及中斷函數(shù)流程圖，儀器通過測試，簡單易行，測試精度較高。

關(guān)鍵詞：峰值檢測;AD7896;取樣保持;單片機(jī)系統(tǒng)

峰值檢測是示波器中數(shù)據(jù)采集的方法之一。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(jìn)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(jìn)行了設(shè)計與說明。

1 系統(tǒng)原理

本測量儀以P89V51RD2單片機(jī)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(jī)控制電路和數(shù)碼管顯示電路。電路框圖如圖1所示。

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(hù)二次側(cè)測量裝置，存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(bǔ)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：

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，該電阻器義稱厚膜電阻器，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(yùn)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(yùn)算放大器AR1和AR2采用JFET雙運(yùn)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。

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(dá)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(jìn)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(dá)到后，V1(t)減小，V1

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(jìn)行放電，以便下次測量。此外，在電容C3之前，還串接一個1 Ωm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(jī)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(jī)，電路原理如圖4所示。

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(yùn)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(jī)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0.1x5 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=

，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。

2.5 單片機(jī)控制電路

本測量儀采用單片機(jī)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(jī)控制電路如圖6所示。

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(yùn)算等問題。軟件設(shè)計的流程圖如圖7～8所示。

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。