新型数字电压表的设计方案（3）

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新型数字电压表设计之关键算法实现

4.1档位自动切换算法

　　将数字电压表分为两个档位，分别是0～5V，0～50V。档位切换算法如下：

　　设定初始量程为0～5V。采集100个数据点，对输入信号Vi的采样值取绝对值的最大值，将其作为Vi的最大值的估计值。如果Vi的最大绝对值估计值小于5V，则将档位切换到O～5V，否则，切换到0～50V。

4.2信号采样周期自调整算法

　　为协调好数据精度和系统负担两者之间的关系，对于叠加周期信号的输入信号Vi，规定单个周期的数据采集不少于8个点，因此要对AD0809的采样周期进行自适应调整。这里使用过零点检测的方法，如果叠加信号的周期在0～25Hz范围内，采样周期为5ms。叠加信号周期在25～50Hz时，采样周期为2ms;叠加信号周期在50～100Hz时，采样周期为1ms。

　　设采样周期的初始值为2ms，采样数为100点。则有：首先采集100个数据，计算平均值，作为输入信号Vi的均估值(平均值的估计值);再采集100个数据，与Vi的均估值进行比较，计算过零点的数量并统计;根据此数量，调整采样周期，当此数量大于20时，令采样周期为1ms。当此数量不大于10时，令采样周期为5ms。其他令采样周期为2ms。

4.3检测叠加信号周期算法

　　依旧采用检测过零点的数目来检测周期。

　　设采集的数据点为1O0个，计算均值，作为输入信号Vi的均估值;再采集数据，与Vi的均估值进行比较，计算过零点的数量并统计，同时统计每个数据过零点的时刻;检测到三个过零点时，判断其是否符合均匀分布，判断是否检测到一个周期。若检测到一个周期，则停止检测并计算此周期，否则继续检测。若检测到相当数量的数据点，过零点数量仍小于3个，则认为输入信号为直流信号。

测试结果分析

　　采用高精度数字多用表UT88B输出值作为标准值。由表1所示。

　　由数据对比可以看出，在O～5V档位上，该数字电压表的误差基本在O.01V内。在O～50V档位上，误差有所增大，但也控制在O.02V以内，体现了ADC0809的转换精度，电路整体设计合理可靠。至于O.02V以内的偏差，可修改程序，采用软件的方法进行数据校正，也可以进一步校正A/D的基准电压。

新型数字电压表设计方案总结

　　利用现场可编程门阵列技术，设计了该新型数字式电压表。用软件替代诸多硬件，在一块高性能FPGA芯片上，实现采样时序的控制、档位的判断选择、码制的转换和LCD驱动，极大地提高了系统集成度和可靠性。文中重点介绍了档位电路和FPGA内部模块的设计以及关键算法的实现步骤。由测试结果，可看出该仪表测量范围较宽，测量精度较高，能够满足物理实验中电量的测量要求。经实际使用证明，系统运行稳定、操作方便。为了方便电压表系统与计算机直接通信，还可进一步增加RS232接口，进行电平转换，可将测得的数据实时导入计算机中使用。

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