摘 要：针对工业现场电压不稳定的问题，设计了一个基于C8051F350单片机的直流电压和纹波测量系统，并给出了软件实现方法。该系统由电压分档测量电路、直流电压和纹波相分离电路、A/D与单片机组成。采用电压分档测量的思想，测量范围可以自适应调整，且测量精度可达0.5‰。该系统可以为某些对直流电压要求较高的设备提供有效的电压监测。

　　关键词：直流电压;纹波测量;单片机控制;A/D转换

　　中图分类号：TP39 文献标识码：A

　　Abstract: For voltage instability problems of the industrial field, a measurement system of DC voltage and ripple controlled by C8051F350 which is the core of electric control unit is designed in this paper. Then a method realized by software is reported. The system is composed by voltage range-select circuit, DC voltage and ripple separate circuit, A/D and microcontroller. Method of voltage-separated made an adaptive measurement range and an accuracy of 0.5‰. It plays an important monitoring role in some devices which require accuracy DC voltage, and can provide timely equipment information to the users.

　　Keyword: DC voltage;ripple measurement;microcontroller; A/D conversion

　　由于工业现场的电压信号较繁杂，其存在的不稳定因素往往导致电压上下波动。为了保证各环节的正常运行，需要对电压进行精确的实时测量。

　　纹波就是一个直流电压中的交流成分[1]。纹波的成分较为复杂，对电网系统构成一定的威胁，如：增加附加损耗，降低用电设备的效率和设备利用率;造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器等。因此对纹波的检测和抑制也十分必要。

　　本文所设计的直流电压和纹波测量系统采用电压分档测量的思想，测量范围可以自适应调整，且测量精度可达0.5‰，对某些对直流电压要求较高的设备，具有重要的监测作用。

　　1 系统设计

　　系统的总体设计方框图如下：

　　现场电压 档位选择

　　电路 电压分离电路

　　A/D

　　采样 求真有效值 纹波 单片机C8051F350 工控机

(人机界面) 直流电压 数据 图1 测量系统方框图

　　该直流电压和纹波测量系统主要包括档位选择电路、电压分离电路、A/D转化电路、数据处理和显示电路组成。

　　其工作原理是：从现场采集的电压数据先经过档位选择电路，自适应调整档位，以保证测量的精度;然后经过电压分离电路使得直流电压和纹波电压分离，其中纹波电压由转换电路转换为真有效值;经A/D采样后送入单片机C8051F350处理;单片机把处理后的数据送入工控机，实现人机交互界面显示。

　　2 硬件设计

　　2.1档位选择电路

　　测量电压时，在量程固定的情况下，既要保证信号的测量精度又要兼顾信号的测量范围[2]。当测量的电压较大时，放大器的放大倍数一般会设计的很低，而当电压较小时，放大倍数太低又很难保证测量的准确性。因此分档进行测量十分必要。

该系统对电压分成3个档位：1000V档、100V档和10V档。当电压时，选择1000V档进行测量;当电压时，选择100V档进行测量;当电压时，选择10V档进行测量。

　　图2 档位选择电路

　　移位寄存器 TPIC6B595N控制着继电器的通断。设定3个电压门限，当测量电压在门限范围内时，通过把寄存器管脚置1来选定相应的继电器。继电器选通时开关打到3、6节点，选断时打到1、4节点。

　　为了进一步提高系统测量的精度，所有的电阻均使用精密电阻。

　　2.2直流电压和纹波测量电路

　　2.2.1直流电压处理电路

　　直流电压的测量和处理电路如图3所示。

　　图2 直流电压测量电路

　　GBLC03C是双向低电容TVS(瞬态电压抑制器Transient Voltage Suppressor)管，是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击，即被测电压值较高时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

　　被测电压中的交流成分通过电容C24滤掉。前级电路是一个电压跟随器。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低。电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起稳定电压的作用。

　　2.2.2纹波处理电路

　　纹波的测量和处理电路如图3所示。

　　图3 纹波测量电路

　　被测电压中同时包括直流电压和纹波，当直流电压经过电容C19时被滤除，这样就得到了纹波部分的电压。前级运放电路实际上是一个比例放大电路，由于纹波数值通常比较小，不容易处理，所以要把信号进行放大。根据运算放大器虚短虚断的概念不难求出其放大倍数为：

其中，指运算放大器的输出电压值，指运算放大器的输入电压值。

　　AD536A是美国AD公司推出的RMS/DC转换的单块集成电路。它可以直接计算输入的任何复杂波形(包括交、直流成分)的真有效值。特有的峰值因数补偿电路，使其在峰值因数达到7时测量误差仅为1 %。AD536A的频带很宽，可以测量到频率为300kHz、电压值在100mV以上带有3dB误差的信号电平[3]。

　　滤波电容C27的存在使得当输入的交流电压信号频率较低时，会出现微小误差。当输入高频信号时，可获得高精度的直流输出。

　　2.3 A/D与单片机的接口电路

　　A/D转换部分采用TI公司的高精度delta-sigma型模数转换器ADS1240，它的内部特定的结构使得CPU对其操作和自身对小信号的处理能力上都有极大的提高。由于A/D转换器与微处理器之间采用的是串行通信，简化了EPA接口硬件电路中的数据采集通道，增强了系统的可靠性。

　　A/D与C8051F350的接口电路如下：

ADS1240 AVDD 5V AGND AINCOM D0~D3 C8051F340 DRDY P0.7 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 SCLK DOUT CS RESET AVDD D3.3V AGND 图4 A/D与C8051F350的接口电路

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