HT46R47组成的电压频率测量显示电路

　引言

　　对单片机为核心构成的智能检测仪器,测量电压、频率时有多种方法。一般对电压测量采用A/D转换法或V/F转换法。对频率测量则采用测频法或测周法。具体说：

　　·A/D转换法将被测电压信号经过阻抗匹配,变成单片机可测量的电压范围,后经模数转换测得相应的电压值。

　　·V/F转换则将被测电压加到V/F转换器上,然后对输出的频率进行测量,后经单片机内部程序的换算转换为电压值。

　　·测频法是利用单片机内部计数器计数一定门限内的频率信号脉冲数。

　　·测周法是计时一定数量的被测频率信号的脉冲的时间。总的来说,每种方法都是针对不同的信号,充分利用单片机的资源进行测量的。

　　本文用HT46R47单片机完成对电压、频率的测量,采用A/D转换法和测频法。

　　硬件电路

　　·检测电路(图1)　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 电压电流频率检测电路

　　采样的交流电流由3PIN的1引脚输入,经U5放大接入HT46R47的PA6引脚,来测量电流。采样的交流电压由3PIN的3引脚输入,经U1放大,U2比较得到一系列脉冲输入到HT46R47的PA4/TMR引脚,来测量频率。同时由PIN3引脚输入的交流电压经过U1、U3、U4的放大整流,再由VT2的集电极输入到HT46R47的PA7引脚,来测量电压。

　　·HT46R47外围电路(图2)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 HT46R47外围电路

　　D1、D2、U1组成控制电路的辅助电源,防止掉电丢失数据。其中U1=4V,VCC=5V。

　　C3、C4、C5、R2、R3组成控制电路的复位电路,保证程序上电时能进入复位程序。

　　R4、4MHz晶振为芯片提供精确的系统时钟。

　　R1、BELL、VT3和1K 的电阻组成蜂鸣器发声系统,PA3/PFD为可编程脉宽调制输出。
　C1、C2、D3、D4、U2等组成掉电中断保护电路。正常供电时PA5/INT引脚为高电平,当掉电时U2输出低电平使HT46R47外部中断,中断程序可以对正在处理的数据进行保护。掉电时,C1、C2为U2提供短时电源。

　　PB1/AN1、PB2/AN2、PB3/AN3、PD0/PWM可控制主电路的电流、电压、频率以及主电路的电源开关。

　　·显示电路(图3)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 显示电路

　　C1电容可抑制HD7279A输出大电流时对电源的影响。

　　1.5KΩ电阻和15PF电容为HD7279A晶振时钟的典型配置。

　　与数码管连接的8只200Ω的电阻不可省去,它们是用来限制LED数码管的电流。

　　8只100K 的下拉电阻和1只10KΩ的位选电阻在无键盘配置的情况下均可省去。HD7279A应连接高亮或超高亮度型号的共阴极数码管。其字符高度不宜超过1英寸。

　　PA6、PB0/AN0、PA7、PA4/TMR分别作为过流检测、电压检测、过压检测、频率检测。测得的数值经处理后,输出给HD7279A显示电压、频率,可控制蜂鸣器报警。

　　PA0、PA1、PA2分别与HD7279A的CLK、DATA、KEY等引脚相连提供显示数据,同时接受HD7279A传来的键值。

　　软件设计

　　电压测量的过程就是A/D转换的过程,电压的A/D测量是由HT46R47中的PB0口完成的,其中A/D转换控制器中的START位为A/D转换的控制开关。程序流程如图4。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 电压测量流程图

　　测量频率是由HT46R47的PA4/TMR口完成的。若使其定时/计数器工作在外部事件计数状态,则必须：端口控制器将PA4/TMR口设定位输入状态;其定时/计数器的控制器的TM1和TM0位设定为01。以测量1000Hz频率信号为例,由于HT46R47定时/计数器寄存器为8位,故选闸门时间为0.1秒。程序流程如图5。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 频率测量流程图

　　实验结果误差分析

　　电压误差的主要原因如下：

　　·A/D转换过程中产生的量化误差。

　　HT46R47的A/D转换器为9位,测得的值与实际值存在着最大为5/512V的误差。

　　·电压波动带来的误差

　　电压的波动会使被测值偏离真值抖动,使得结果产生微小的误差。

　　产生频率误差的主要原因如下：

　　·恒温晶体的误差

　　由于被测信号的测量频率是通过其在闸门时间内的计数值与在同一时间内的基准频率的计数值相比较而得出的,所以作为基准频率的恒温晶体的误差将会直接影响到测试结果。

　　·电压波动带来的误差

　　电压的波动会使晶体振荡器的输出频率产生相应的抖动,这也会使测试结果产生微小的误差。

　　·干扰带来的误差

　　电路内部的干扰或周围环境产生的干扰均会使被测信号在时域上发生变形,当干扰信号的强度足以使信号在某些时间点上发生极性翻转时,误差也就随之产生了。

　　·极间电路阻抗不匹配所产生的误差

　　当级间电路阻抗不能做到完全匹配时,传输线上将会存在波动的反射,该反射波与被测信号的输入相叠加时,也会使信号在时域内发生变形,从而造成一定的误差。