基于波形识别技术在电压表中的应用研究

摘 要：介绍了一种基于基波（正弦波、三角波、方波）波形识别技术和量程的自动切换开发平台的电压表。通过采用单片机89C51和ADC0809来实现波形的自动识别和量程的自动切换。这种电压表能直接通过LCD字符显示出所测的波形，并免除了在超过当前量程时需要手动转换量程的缺点。这种波形识别技术在智能故障诊断中、心电监护临床医学等中都有应用。相信这种技术在以后的科研工作中有更好的发展前景。

关键词：波形识别 量程自动切换 LCD字符显示

1、引 言

数字仪表是把连续的被测模拟量自动地变成连续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。数字电压表（DMM）是指可直接测量电压参量的仪表，其功能可任意组合并以十进制数字显示被测量的结果，应用十分广泛。与传统的模拟测量仪表相比，避免了人为的“视差”，提高了准确性和可靠性。

2、方案设计与论证

2.1设计要求

（1）识别波形：正弦波、方波、三角波；（2）输入信号范围：1mV-300V；（3）输入信号频率：10HZ-8MHZ；（4）量程：自动识别、自动切换；（5）测量精度：+0.5%；（6）用LCD字符显示波形（正弦波、方波、三角波）。

2.2方案设计

2.2.1自动量程切换方案

根据被测量的大小，仪器自动切换到不同量程的传感器上运行。图1是不同量程传感器切换的原理框图。图中仅以两个（也可以是多个）不同量程的传感器为例，说明其工作原理。

图1量程传感器切换原量框图

假设传感器的最大测量范围为M1，2传感器的最大测量范围为M2，且M1>M2。两个传感器的工作均由单片机控制，程序设计为：仪器启动后总是1传感器先接入工作，2传感器处于过载保护状态，以免因过载而损坏2传感器。然后根据被测量的大小，确定由哪一个传感器工作。但传感器元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面的因素不适采用。

2.2.2 显示方案

采用LED（发光二极管）作为显示部分。采用8位LED动态扫描显示能改善外部信号对显示的干扰，并具有显示亮度高，显示速度快等优点，但单片机在工作时要求CPU不停地对LED更新，这将会降低系统的运行速度，且占用资源比较多，并且LED显示的形式比较单一，功能简单，比较耗电。本次设计不光是要求显示电压值，还要求显示出所测的波形类型。因此需要数码管较多使硬件电路变得更复杂。人机交换比较困难。

3、硬件电路设计

3.1系统原理

本设计的硬件部份共包括量程的自动切换，有效值电路、峰值电路、模数转换、单片机控制、波形识别电路及LCD显示等组成。设计的总体思路是首先将交流模拟信号通过量程的自动切换模块将电压值转换到合适的工作电压范围内，再将电压信号送到有效值电路和峰值电路进行测量，然后让两路测量结果通过模数转换后直接进入单片机，经单片机进行相应的处理后识别出波形，并运算出其有效值，最后送至LCD显示出结果。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自动量程电路作相应的调整，以实现自动量程切换功能，同时还起到保护后续电路的作用。

3.2 各模块硬件设计

3.2.1 量程自动切换部分

为了对不同量级的电压信号进行测量，对输入信号进行放大时就不能采用相同的增益倍数。系统要求能根据不同信号幅值，自动选择相适应的增益倍数。程控放大器量程切换的原理框图如图2所示。

图2程控放大量程切换原理图

图2中的程控放大器具有3条增益控制线A0、A1和A2，共具有8种可能的增益，如表3-1所示。如果不需要8种增益，则可相应减少控制线，不用的控制线接至固定电平（如图3-2中的A0）。图3-2中的放大器由于只采用两挡增益，因此只需要用单片机的一根接口线来同时控制程控放大器的增益控制端A1和A2的电位，A0可始终接至低电平。 本部分采用的电路原理图如下图3：

图中R2、C1、C2与AD637中的缓冲放大器构成低通虑波器，减小了输出的纹波误差，R2、W2构成输出偏移量的调节，以保证零输入时输出为零。

3.2.2波形识别电路

总结出了波形识别原理：先将有效值乘以1.414后与峰值比较，根据两者的大小关系就可以确定波形的类型，在本系统中，我们采用了单片机89C51和A/D0809来实现波形识别，即将有效值电路输出的有效值乘以1.414后输入A/D0809的IN0端，将峰值电路输出的峰值直接接到A/D0809的IN1端，并将它们转换成数字量，再通过单片机程序比较其大小，如果IN0=IN1，即可以判断出是正弦波，如果IN0>IN1，即可以判断出是方波。如果IN0〈IN1，即可以判断出是三角波。

3.2.3控制部分

在设计控制电路时，为了实现本设计的智能化、自动化，可以选用PHILIPS公司设计生产的新一代P89C51RD2HBP单片机作为整个系统的控制内核。

4、测试结果

4.1波形测试结果

适当范围的测量值分别输入AD0809的IN0和IN1端比较大小，并识别出波形，再将有效值电路的输出值送到AD574转换成12位的数字信号，将所采集到的数字信号通过89C51单片机进行处理后，然后将单片机的P1口的信号与LCD的地址信号对应，从而进行LCD动态显示。结果如下：

当INT0=INT1时，输出的是正弦波。

当INT0>INT1时，输出的是方波。

当INT0

4.2数值测量与误差分析

频率固定、电压变化。用TFG1005型DDS函数信号发生器提供频率固定为1KHZ有效值在0.1-1V范围内变动的正弦信号，以MY65型数字万用表作为基准对本设计的测量结果进行误差分析，可得如图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。

5、 结论

通过一段时间的努力，首先通过资料和文献的收集和查阅，对本设计进行了初步的方案设计。然后通过实际电路对方案进行论证，在论证过程中，修改设计方案的不足。如初期的软、硬件模块分部乱杂，在各个模块中选取方案方面也没考虑优等。方案拿出后，接着是方案单元电路的实现，包括硬件单元设计和软件设计。但本次设计也还存在一些不足，由于电路过大。不能做出实物。但相信波形识别技术会向更宽的方向发展，识别出更多的波形。研究出专门用于波形识别的仪器。

参考文献

[1]马彦恒，基于vxibus的波形模糊识别的研究[J] 电网技术

[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社.2004年