在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中，电压量的测量最为普遍。而且随着电子技术的发展，更需要测量微弱电压信号，所以毫伏电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数显毫伏表采用单片机控制技术,集模拟与数字技术于一体，是一种通用型智能化的数字交流毫伏表,一般具备自动/手动测量功能，能显示量程和挡位状态，但是，由于测量频带窄、精度低、抗干扰能力差，应用受到一定的限制[1]。

　本设计的数显毫伏表具有测量频带宽、精度高、反应速度快、输入阻抗高、频率影响误差小、读数方便、使用便捷等优点,可测电压范围为1 V以下，最高分辨率可达0.001 mV，且可以实现量程自动转换，具有广阔的市场应用前景。
1 系统硬件设计[2-4]
　本系统包括增益放大器、量程变换器、RMS-DC变换器、模数转换器、微控制器、LCD显示器6个主要组成部分，系统硬件框图如图1所示。

    首先将待测信号源的电压值通过增益放大器转换到RMS-DC变换器输入信号电压范围内，再将RMS-DC变换器的输出信号接到模数转换器的输入端，转换后的数字信号以串行方式输入给微控制器，经软件处理后送液晶显示器显示测量结果。若输入的待测信号电压不在合适的量程之内，微控制器经过判断后，输出相应的控制信号，通过量程变换器，调整增益放大器的增益，以实现毫伏表量程自动转换的功能。
1.1 微控制器
　本系统采用STC89C52单片机作为系统控制器。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有1 KB RAM、64 KB片内Flash程序存储器；具有在应用可编程(IAP)、在系统可编程(ISP)功能；具有3个16位定时器/计数器，而且额外提供了一个可以无须CPU参与、独立工作的可编程计数器阵列(PCA)，具有PWM的捕获/比较功能； 具有4个8位I/O口；具有可编程看门狗定时器(WDT)、掉电检测和低功耗模式等功能。另外STC89C52在8051基础上增加了上电复位、软件复位、欠压检测与复位等多个复位功能，以提高单片机的抗干扰能力。
　基于STC89C52单片机的性能及特点，将X1、X2外接12 MHz晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡，产生时钟信号；RESET外接复位按键，复位后P0~P3口均置1，引脚为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。
　将P0口与LCD显示器8位数据线（D0~D7）相连；P1口中Pin1~Pin3分别接 A/D转换电路的时钟信号(SCLK)、片选信号(CS)、数字输出信号(DOUT)，Pin4~Pin6分别接LCD显示器数据/命令选择端(RS)、读/写选择端(R/W)、使能信号(E)；P2口中Pin21~Pin23分别接CD4051多路转换器的3个二进控制输入端 A、B、C；P3口(Pin10~Pin17)是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，本系统设计中，这8个引脚用于专门的第二功能。
1.2 增益放大器
    信号的放大由STC89C52单片机P2口通过模拟开关控制，以实现量程的自动转换。若被测电压高于单片机此时设定的量程，单片机控制模拟开关地址端对信号分档，保证输入到RMS-DC变换器的信号不超过其工作电压范围，尽量使RMS-DC变换器工作在最佳状态，提高灵敏度。量程分为：0~10 mV,10~100 mV,100~1 000 mV，共计三档。
    增益放大电路如图2所示，由3片AD811运算放大器级联构成。AD811运算放大器是美国ADI公司推出的一种视频运算放大器，具有高速、高频、宽频带、低噪声等特性，内部具有电流反馈结构。设计要求的闭环增益与闭环带宽可以通过改变电阻RFB（图中引脚2、6之间的电阻）和RG（图中引脚2与接地端之间的电阻）来获得。图2中，当RFB=562 Ω，RG=562 Ω时，-3 dB带宽与闭环增益分别为80 MHz、2倍；当RFB=442 Ω，RG=48.7 Ω时，-3 dB带宽与闭环增益分别为65 MHz、10倍。

1.3 量程变换器
　　量程变换器采用8通道数字控制模拟电子开关CD4051,该器件有3个控制输入端 A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。当INH=1时，所有通道截止。当CBA=000时，输入端X0导通，输入信号放大200倍，对应量程为0~10 mV；当CBA=001时，输入端X1导通，输入信号放大20倍, 对应量程为10~100 mV；当CBA=010时，输入端X2导通,输入信号放大2倍, 对应量程为100~1 000 mV。CD4051输出端(X)接RMS-DC变换器的输入端(Vin)。
1.4 RMS-DC变换器
    从精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间等因素综合考虑，选用了ADI公司的RMS-DC变换器件AD637。AD637属于高准确度的单片真有效值/直流转换器，在±3 dB附加误差的条件下,输入1 000 mV(RMS)时频率上限达5 MHz。内部有独立的缓冲放大器，既可作输入缓冲器用，亦可构成有源滤波器来减少纹波，提高测量的准确度；输入端有电压保护电路，即使Vin超过电源电压，一般也不会损坏芯片。
　有效值/直流变换电路如图3所示，直流电压输出端（V）与A/D转换器输入端（AIN）相连，转换后的直流信号送入A/D转换电路进行A/D转换。根据AD637其特性曲线，输入电压在0.2 V～2 V范围内有最佳频率响应，放大电路的输出信号电压应控制在该范围内。

　为进一步提高测量准确度，采用了带外部调整元件的电路，有效地减少了有源整流器的非线性误差。该电路的调整步骤如下：
　（1）将输入端（第13脚）接地，调整电位器R16使第9脚输出Vo=0 V。
　（2）输入1V的标准直流电压,调整R19,使Vo=1.000 V。若选择峰峰值为2 V的正弦波为输入电压，则应输出0.707 V直流电压。
1.5 A/D转换电路
　A/D转换电路采用美国MAXIM公司推出的一款12位高精度芯片MAX187。MAX187 串行12 位模数转换器可以在单+5 V电源下工作，模拟输入电压为0~5 V。MAX187为逐次逼近式ADC，快速采样/保持(1.5 μs)，片内时钟，高速3 线串行接口。MAX187电源需要加去耦合电容，采用一个4.7 μF电容和一个0.1 μF并联。引脚4为参考端，接一个4.7 μF的电容，使用内部4.096 V参考电压方式。
　MAX187 加电后20 ms,基准电压引脚所接电容充电完毕，进入工作状态。当使能端CS置为低电平时，内部跟踪/保持器（T/H）进入保持状态并启动转换，转换完毕，DOUT输出电平。此时在SCLK端输入移动脉冲将12位转换结果由最高位到最低位依次读出DOUT端。也可将CS端置低电平，8.5 μs后发送移位脉冲，读出转换结果，在读出全部12位结果以后再将CS置高电平。
1.6 LCD显示器
    本系统采用LCD1602液晶显示器显示毫伏表测量结果。LCD1602主要技术参数为：显示容量为16×2，芯片工作电压为4.5~5 V，工作电流为2.0 mA，字符尺寸2.95 mm×4.35 mm。
　根据LCD1602内部RAM显示缓冲区地址的映射图，00~0FH、40~4FH分别对应LCD1602的上下两行的每一个字符，只要往对应的RAM地址写入要显示字符的ASCII代码，就可以显示出来。本设计要求显示8位数字，其中整数4位（个、十、百、千位），小数点后4位，另外显示电压单位“mV”。
2 软件设计[5]
　本系统软件设计主要包括主程序、A/D转换子程序、数据处理子程序、显示子程序设计等。主程序及主要子程序流程图如图4所示。

3 系统调试与误差分析
　通过对系统分部调试和综合性能测试，经分析，本系统误差产生的原因主要由以下几方面构成，在设计时应予以充分考虑，以便提高毫伏表的测量精度。
　（1）测试时采用函数信号发生器作为信号源，其本身输出的信号就有一定的误差。
　（2）AD811的放大倍数不精确。增益可通过改变电阻RFB和RG来获得。由于不同结构类型的电阻具有不同的寄生电容和寄生电感，因此应选用寄生电容和寄生电感小的电阻。对于电阻RFB和RG，使用1%精度的金属膜电阻，能保证精确的放大倍数。
　（3）AD637的附加误差。AD637在输入电压为0.2 V~2 V范围内有最佳频率响应，若放大电路的输出信号电压不在该范围内，则会产生较大误差。
　（4）A/D转换器MAX187转换误差。在实际应用时可以通过提高A/D转换器的位数,进一步提高测量精度。
    采用STC89C52单片机作为控制器,简化了设计的复杂性，增强了软件的数据处理功能,提高了系统的抗干扰能力；采用AD811和CD5406构成程控放大器，实现量程自动变换；采用RMS-DC变换器AD637及其调节电路，频率上限可达5 MHz，具有超限保护功能，有效地改善了系统的非线性；采用MAX187 串行12 位模数转换器进行快速采样/保持，最高采样速度可达75 kHz；显示部分使用LCD1602液晶显示器，可显示8位数字。
　本数字式交流毫伏表具有测量频带宽、精度高、响应速度快、输入阻抗高，频率影响误差小、操作简单、使用便捷、性价比较高等优点，并具有量程自动转换、超量程报警等功能。测量1 000 mV以下电压信号时，最大分辨率可达0.001 mV，可以满足微弱信号的测量需要，具有广泛的市场前景和较高的推广应用价值。
参考文献
[1] 朱英华,李崇维.电子测量技术[M].成都：西南交通大学出版社, 2008.
[2] 何希才.常用集成电路简明速查手册[M].北京：国防工业出版社,2006.
[3] 沙占友.新型数字电压表原理与应用[M].北京：机械工业出版社,2006.
[4] 张国雄.测控电路[M].北京：机械工业出版社,2008.
[5] 戴佳, 刘博文. 51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社, 2008.