基于AT89C51型單片機(jī)的智能化數(shù)控調(diào)諧文氏電橋陷波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

測量非線性失真一般采用基波抑制法（單音法），可通過基波抑制網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)?；ㄒ种凭W(wǎng)絡(luò)即陷波濾波器，可將基波電壓分量濾除。常見的有文氏電橋組成的RC陷波電路和雙T形電橋組成的陷波電路。

高性能的失真度測量儀必須使用高性能的陷渡器，它應(yīng)能完全濾除基波而不衰減其他諧波。新式失真度測量儀產(chǎn)生的基波衰減或陷波深度可達(dá)100 dB甚至更大，而對諧波只產(chǎn)生l dB或更小的衰減。要獲得這樣高的性能，需要Q值很高的濾波器，而且調(diào)諧必須非常準(zhǔn)確，通常采用的手動調(diào)諧幾乎無法實(shí)現(xiàn)。高性能的失真度測量儀可以自動調(diào)諧到基頻，其偏差只有百分之幾。失真度的測量主要是設(shè)計(jì)和選擇高性能的陷波濾波電路。

文氏電橋陷波器是失真度儀設(shè)計(jì)中最常用的器件，其基波衰減深度一般可達(dá)80 dB以上，但是老式的失真度儀中往往使用手動調(diào)諧的方式。在原來的手動調(diào)諧文氏電橋陷波網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了智能化數(shù)控調(diào)諧文氏電橋陷波器。

2 文氏電橋陷波的原理

由文氏電橋組成的基波抑制電路（陷波器）如圖l所示。電橋的元件參數(shù)關(guān)系為Rl=2R2，C1=C2=C，R3=R4=R

此時，電橋的抑制頻率為

因?yàn)镽l=2R2，對任一頻率信號，UAD=Ui/3。由計(jì)算可知：當(dāng)輸入信號頻率f=fo時，UBD=Ui/3，則UAB=0。此時，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為O。當(dāng)輸入信號頻率f偏離fo時，電橋失去平衡，則有電壓輸出。

文氏電橋無源濾波器電路的選擇特性很差。實(shí)際工作中，需要阻帶很窄、選擇性很強(qiáng)的陷波器，為此采用文氏電橋組成的有源陷波電路，如圖2所示。此時陷波的頻率為l kHz。

Al、A2是電壓跟隨器組態(tài)，均有緩沖隔離作用，具有高輸入阻抗和低輸出阻抗特性，對選頻電路的諧振頻率無影響，A1輸出的部分電壓反饋至A2的同相端，并經(jīng)A2輸出到電橋橋臂。調(diào)節(jié)Rp可調(diào)節(jié)反饋量，從而改變Q值，以達(dá)到銳通帶選頻作用。若不加正反饋，在l kHz附近二次諧波的特性曲線就會下降，不能進(jìn)行準(zhǔn)確測量。如果反饋量與頻率特性有關(guān)，用可變電阻器Rp調(diào)整;如果衰減特性已調(diào)準(zhǔn)，Q值已選定，則Rp可換成固定電阻器。在Al的反饋回路中加入電阻器R8是為了抵消輸入偏流，以減小直流漂移。C3的作用是抑制尖峰脈沖。

當(dāng)f=fo時，電橋平衡，Al的輸出為0;f偏離fo時，電橋失衡，有輸出電壓。因此該電路能抑制基波，使諧波通過。

若取fo=l kHz，C=0.01μF，由R=l/2πfoC來計(jì)算R，求得R=15 kΩ。A1、A2均為集成運(yùn)算放大器，可選NE5532A型。

高Q值的陷波器選擇性好。但中心頻率fo易偏移，會引起較大的測量誤差，因此，測量失真度時可采用二級甚至三級串聯(lián)調(diào)諧設(shè)計(jì)，使之具有中心頻率為1%的衰減帶寬。

3 系統(tǒng)模塊

智能化數(shù)控調(diào)諧文氏電橋陷波器包括陷波頻率調(diào)諧文氏電橋、有效值檢波器、A/D采樣電路和單片機(jī)控制電路，如圖3所示。

在系統(tǒng)中，一個未知頻率的信號輸入文氏電橋之后，在某一個頻率點(diǎn)進(jìn)行陷波，通過有效值檢波電路對文氏電橋輸出的殘余信號進(jìn)行有效值檢波;A/D采樣電路對檢波后產(chǎn)生的直流電壓進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī);單片機(jī)對此數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)采集到的直流電平為最小值時，文氏電橋的諧振中心頻率正好是所需的陷波頻率（即最接近基頻）;如果采集到的直流電平不是最小值，那么單片機(jī)將控制改變文氏電橋的電阻和電容，使其中心頻率接近基頻。通過以上過程實(shí)現(xiàn)了文氏電橋陷波器的智能化數(shù)控調(diào)諧。

圖3中的文氏電橋是在圖2的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。圖2中的R、C不再由單一值的電阻器和電容器組成，C由并聯(lián)的電容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，電阻R由數(shù)控電位器代替，R和C可以由單片機(jī)控制。

檢波的作用是將文氏電橋輸出的殘余信號轉(zhuǎn)換為可檢測的數(shù)值，提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

A/D采樣電路的作用是對有效值檢波輸出的模擬信號采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后由單片機(jī)進(jìn)行處理。

單片機(jī)控制電路主要實(shí)現(xiàn)采樣后數(shù)據(jù)的處理、電容檔的選擇（控制繼電器的通斷）和數(shù)控電位器的控制。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.l 文氏電橋

系統(tǒng)硬件電路中最關(guān)鍵的部分是文氏電橋。系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。本系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)自動調(diào)諧陷波，因此，必須改進(jìn)對文氏電橋諧振中心頻率起決定性作用的R和C，從固定值變成可在一定范圍內(nèi)自動改變的變化量?？紤]到雙聯(lián)可變電容器較難購買，且雙聯(lián)可變電阻本身又不十分精確、使用起來也不是很方便，所以采用分檔電容器實(shí)現(xiàn)諧振中心頻率粗調(diào)，數(shù)控電位器實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)的方案。使用普通的獨(dú)石電容器，容值大的可用CBB電容器。采用比較容易購買的100抽頭X9C103型數(shù)控電位器，X9C103與單片機(jī)的接口是3總線方式，3個控制端口分別為U/D、INC和CS，實(shí)際設(shè)計(jì)中，3個端口分別與單片機(jī)的P2.O、P2.1和P2.2相連。X9C103的滑動頭帶有40 Ω的固定阻值，因此其實(shí)際阻值變化范圍是40Ω“10040Ω，步進(jìn)量為100Ω。

分檔電容器與繼電器相連。使用雙刀單擲繼電器，每個繼電器控制2個容值相同的電容器。繼電器作為圖4中的開關(guān)，平時處于常斷狀態(tài)，由單片機(jī)控制繼電器的通斷以接通所需的電容檔，7檔電容對應(yīng)7個繼電器，分別與單片機(jī)P1.0-P1.6口相連。各檔電容值的選取在此電路中相當(dāng)重要，首先要考慮能否使頻率調(diào)諧范圍覆蓋系統(tǒng)要求的整個頻帶，每檔電容對應(yīng)一定范圍的頻率，在單片機(jī)選定電容檔后，數(shù)控電位器的步進(jìn)對應(yīng)于頻率的步進(jìn)量要小，以減小陷波中心頻率和基頻之間的誤差。在文氏電橋工作時，之后一檔電容被選通，這樣可減小繼電器對RC諧振網(wǎng)絡(luò)的干擾?？紤]到以上3點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算及實(shí)踐證明，在1OHz～1 MHz頻率范圍內(nèi)選取了7檔比較合適的電容，如表1所示。

4.2 檢波與A/D轉(zhuǎn)換

考慮到在失真度測量中輸入信號本身就是不規(guī)則的失真信號，而由分立元件組成的有效值檢波電路是在檢測出信號的峰值后按照一定的關(guān)系計(jì)算得出有效值，一般只能用于檢測規(guī)則信號（諸如正弦波等信號），輸出誤差比較大，不適用于失真度儀，所以本系統(tǒng)交流檢測信號-直流有效值的轉(zhuǎn)換采用了AD536型轉(zhuǎn)換電路。AD536是美國ADI公司推出的專門用于真有效值-直流轉(zhuǎn)換的單片集成電路。它的性能與混合或模數(shù)器件相當(dāng)甚至更優(yōu)，而價(jià)格則低得多。AD536A可直接計(jì)算出任何包含直流的交流分量的復(fù)雜輸入波形的真有效值，并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號。AD536A可廣泛用于標(biāo)準(zhǔn)正弦波或非周期、非正弦且疊加直流電平的各種噪聲及機(jī)械傳感信號的精確測量。為了減小輸出中的紋波成分，最好使用后向?yàn)V波器，如圖4中的R9、C18和C19起到了濾波作用。

在本系統(tǒng)中必須對每次文氏電橋諧振頻率調(diào)整后的輸出信號進(jìn)行測量，并與前后的測量相比較，有了上述真有效值檢波，就可以直接檢測陷波后信號有效值的大小。筆者使用ADC0809型通用8位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將檢波后的直流信號轉(zhuǎn)換為2進(jìn)制數(shù)據(jù)由單片機(jī)處理。ADC0809有8路模擬輸入通道，本系統(tǒng)只需使用一路。ADC0809的8位數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)的P0口相連，CLK信號與單片機(jī)的ALE口相連，CE和START分別與單片機(jī)的P2.6和P2.7口相連，EOC與單片機(jī)的INT0端口相連。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)之前已經(jīng)設(shè)計(jì)了1個ALC（自動電平控制）電路，對輸入文氏電橋的電壓幅值進(jìn)行合理控制，所以ADC0809的參考電壓可取5 V，采用LM336-5型集成穩(wěn)壓電源即可。

4.3 單片機(jī)控制

本系統(tǒng)選用了AT89C51型單片機(jī)。無論從成本、處理速度或存儲容量考慮，選用AT89C51都是很合理的。經(jīng)過計(jì)算可知，當(dāng)電容比較小時，數(shù)控電位器每改變100 Ω時的對應(yīng)頻率改變量比較大，為了縮短調(diào)諧時間，程序設(shè)計(jì)從容值最小的電容器開始依次掃描，搜尋合適的陷波中心頻率。

系統(tǒng)啟動后，單片機(jī)程序首先初始化（即電容值選取0.22 nF，數(shù)控電位器為最小值40 Ω），然后單片機(jī)控制ADC0809進(jìn)行采樣，讀取P0口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。先對整個系統(tǒng)進(jìn)行粗掃，也就是說先不改變數(shù)控電位器的阻值，只進(jìn)行電容換檔，當(dāng)程序掃描完整個7檔電容后，對ADC0809的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，取最小值對應(yīng)的電容檔作為系統(tǒng)所需要的檔。接著再用數(shù)控電位器進(jìn)行精確掃描，X9C103有100個抽頭，但不可能再掃100次。在筆者編寫的程序中，設(shè)定掃描到1個數(shù)值之后再掃5個數(shù)值，如果這5個數(shù)值都比前面那個數(shù)值大，那么那個數(shù)值就是最小值，其對應(yīng)的數(shù)控電位器值就是所需的，系統(tǒng)就會穩(wěn)定。X9C103接口是3總線式，通信協(xié)議比較簡單，編程較方便。圖5所示為本系統(tǒng)的軟件流程。

5 結(jié)束語

本文敘述了失真度測量儀中基波抑制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，為了能很好完成其功能，筆者設(shè)計(jì)并制作了智能數(shù)控調(diào)諧文氏電橋陷波器，一級文氏電橋陷波器雖然陷波深度還不錯，可以達(dá)到60 dB以上，但是其陷波頻帶不夠?qū)?，而多級串?lián)可實(shí)現(xiàn)陷波頻帶的展寬，一般三級陷波即可具備非常好的性能。陷波器同樣適用于其他類似的場合。

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