积分式直流数字电压表.doc

1、2007 年全国大学生电子设计竞赛论文编号：G 乙 9901题目：积分式直流数字电压表参赛学生：刘瑞雪 刘爱锋 秦海萍参赛学校: 山东华宇职业技术学院专业：应用电子技术专业指导教师：顾东安1摘 要本数字电压表的设计特色是采用了如下措施提高其精度和稳定性：1.采用二次稳压器电路保证了参考电源的稳定度和精度；2.为减少干扰，用光电耦合方式将数字/模拟电路部分连接；3.开关采用模拟开关，动作灵活，误差小；4.提高了晶振频率加快了计算机的响应速度，通过以上措施其变换灵敏度可达 0.1mv。积分式数字电压表以 89S52 为主的逻辑控制电路和以双积分式 A/D 转换器积分电路为核心，以精密稳定电源电路，

2、过零比较器，与非门电路，晶振，衰减器，显示 LED，键盘电路为辅助部分构成一个完整的机体，整机由硬件部分和软件部分构成，硬件部分用来对外部采集的模拟量进行处理，软件部分用来实现对电路的自动控制以及换档位工作，两部分相互协作完成测量工作 。2双积分式直流数字电压表一系统方案1系统框图电源15V 5V光电耦合器模拟部分数字部分给数字部分供电+ 跟随器-UX基准电压UR-双积分运放 +-过零比较器+S1S289S52计数时钟键盘 显示f=83KHZ T=1210-6S正向积分时间为 0.12S反向积分时间为 0.24S总时间0.5S，所以 1S 内可采样 2 次。转换灵敏度为 0.1mv32系统论述

3、本设计中数字电压表的核心是双积分式 A/D 转换器。它是将输入直流电压与基准电压的比较通过两次积分过程转换为两个时间间隔的比较，并由此将模拟电压转换为与输入电压的平均值（实质上等于输入的直流电压）成正比的时间间隔，时间间隔的大小由时钟脉冲来测量，计数器所得的计数值即 A/D 转换的结果。双积分式 A/D 转换器原理框图如下：双积分式 A/D 转换器的工作过程分为准备、取样和比较三个阶段：（1）.准备阶段:在转换开始之前,逻辑控制使 S1闭合、S 2接地将积分电容完全放电,并关闭闸门,使计数器清零。（2）.取样阶段:逻辑控制电路控制开关 S1断开、开关 S2将积分器的输入端接模拟输入电压 UX,

4、积分器开始对 UX积分(设正相充电),同时,闸门打开,计数器开始对时钟脉冲计数。当计数器计数为 N1（表明定时取样完毕） ，计数器输出溢出信号，逻辑控制电路关闭闸门，计数器清零。（3）.比较阶段：逻辑控制电路控制开关 S1断开、开关 S2则打在基准电压 UR处，同时控制闸门打开，计数器开始计数，积分器则对 UR反相积分，使得积分器输出电压逐渐下降。当积分器输出电压降为零时，零比较器经逻辑控制电路控制闸门关闭，使计数器停止计数，设计数器计数为 N2，与此同时，逻辑控制电路控制开关 S1闭合、S 2接地，积分器恢复到零状态，进入下一次准备阶段。说明：S1，S2 都为电磁继电器开关，因为电磁继电器开

5、关的导通和关断的电阻比较理想，但是，电磁继电器的响应速度慢，我们通过软件来提高速度，以实现良好工作，与电磁继电器相比模拟开关的关断和导通的电阻不理想存在漏电阻，因而不使用二.理论分析与计算1.提高精度的措施：(1).参考电源部分：采用二次稳压电源。用普通的 78、79 系列。经 24 小时观察输出漂移不超过 0.01%。参考源部分电路图如下：UX闸门基准电压UR-+运放+-零比较器S1S2时钟脉冲计数器复零显示溢出逻辑控制电路4-1V7815791578057905-运放+C1 C3C2 C4 C5C6 C7C8C9C10R1R2-运放+1V图中C1=4700F，C2=4700F，C3=0.1

6、F，C4=0.1F，C5=0.1F，C6=0.1F，C7=0.1F，C8=0.1F，C9=220F，C10=220F，R1=5K，R2=5K。(2).开关部分：方案一 全部采用模拟电子开关如 4066 芯片。方案二 采用模拟电子开关与继电器混合使用的方法。通过比较方案一虽然响应速度比较快，但是，关断电阻不够大，影响测量精度在方案二中在需要反应速度快的地方如 S1、S2、S3、S4（见附录图1）采用模拟电子开关（两级串联以增大关断电阻，此法接通电阻虽然较大，但其一致性较好，不影响转换精度） ，在对速度要求不高的场合如“清零”时,采用机械电磁开关充分利用其通断状态理想的优势。通过比较我们选择方案二

7、。(3).开关控制和逻辑电路:方案一 采用逻辑电路来搭建。方案二 采用单片机 89S52 进行逻辑控制。方案一虽然速度快,但是灵活性差,增加功能难度大。方案二晶振频率提高到 30MHZ,大大提高了处理速度.减小了测量误差。所以我们采用方案二。(4).关于抗干扰问题:我们采用将模拟、数字、电源三部分分开，模拟部分与数字部分之间的信号通过光电耦合来实现，对模拟部分采用电磁屏蔽盒（铁盒）封装措施。(5).关于自动调零功能的实现：给积分电容清零根据过零比较器输出的极性判断失调电压的极性给积分电容反向充电，同时打开计数器和闸门当过零比较器发出中断，停止计数，并根据计数值进行自动调零补偿。(6).为了减小

8、计算机控制过程的响应时间，对测量误差所造成的影响，将计算机晶振频率从 12MHZ 提高到 30MHZ，大大提高了计算机的响应速度，减小误差。2.相关数据的计算在取样阶段和比较阶段有正向积分和反向积分可得充电.放电的电荷量是相等的，相关公式推导如下：电荷量：Q=C*U=I*TI=U/R220V5由电荷量相等：U X/R*T1=UR/R*T2 可得 T 2=UX*T1/URUX为要测电压的平均值因为两电压值采用同一频率：可得 T 1/T2=N1/N2 所以 N2=UX*T1/UR由上可得 U X=UR*N2/N1 其中，N 2为比较阶段所计的脉冲数，U X为要测的电压UR/N1为 A/D 转换器的

9、转换灵敏度时钟脉冲：由 33M 晶振产生频率经单片机 89S52 的 ALE 输出并经 64 分频得约 85HZ 频率，充电时间约为 0.12S，放电时间约为 0.24S，总时间约为 0.36S，故 1S 内可采 2 次,满足题目要求。三 电路与程序设计1.系统硬件电路部分(1).模拟电路部分：本部分主要由A741 运放芯片。双积分 A/D 转换器：其稳定性好，准确度高，抗干扰能力强。74LS139 芯片：二-四译码器，有四路输出，有四个开关受其控制。ULN2803 芯片：其驱动能力较强，为 4066 提供高压。零比较器键盘电路：有四个按键组成，1 键：1mv-200mv、2 键：200mv-

10、2v、3 键：自动量程转化。(2).数字电路部分:本部分主要由AT89S52 芯片:其工作速度要比同类产品快,如AT89C52 等.74LS00 芯片:是与非门芯片,只要有一个输入为 0,输出就为 0,对计数器有很好的控制作用.时钟脉冲电路:由 30MHZ 晶振由 89S52 的 ALE 输出经 64 分频得到大约78KHZ,保证 1S 内采样 2 次.(3).显示电路部分:由 6 个 LED 数码管组成,用来显示测得的数值,用 89S52 的 P2 口提供位码,P1 提供段码.2.程序设计如下:键 3 按下量程自动转化显示开始初始化自动调零无键或 1 键按下键 2 按下1mv200mv 量程

11、200mv2v 量程充电（定时中断）放电（计数中断）计算6四.测试方案及测试结果1.测试方案(1).测试仪器:五位半数字电压表、四位半数字电压表、示波器(2).测试方法:调节外部输入电压，用五位半数字电压表读出对应的电压值，然后读出 LED 上显示的数值，两者相比较。2.测试结果及数据的记录输入电压值（V） LED 显示值（V） 输入电压值（V） LED 显示值（V）1.0013 1.0017 1.0441 1.04451.0022 1.0025 1.0456 1.04521.0081 1.0080 1.0526 1.05221.0094 1.0092 1.0584 1.05851.0101

12、1.0106 1.0595 1.05901.0111 1.0115 1.0621 1.06261.0124 1.0120 1.0653 1.06501.0133 1.0136 1.0641 1.06461.0142 1.0145 1.0663 1.06601.0361 1.0364 1.0953 1.09501.0371 1.0375 1.1031 1.10331.0381 1.0380 1.1056 1.10521.0395 1.0392 1.1078 1.10751.0421 1.0426 1.1135 1.11301.0435 1.0430 1.1175 1.1177五.结论通过实际的操作和软件的调试,此积分式数字电压表，实现了测量范围可以为10mv2V 和 1mV2V；量程达到了 200mV2V；测量分辨率提高到 0.1mV（2V 档） ；测量误差不超过 0.01%；采样一次所用的时间小于 0.5S，一秒内至少可采样 2 次；采用的频率为工频的整数倍，可以良好的抑制干扰；本设计也具有自动校零功能及自动量程转换功能。7附录表-运放+零比较器逻辑控制电路 闸门 时钟脉冲显示器计数器R溢出 复零S6S2_运放+-运放+UR-URUXS1S3S4S5R附录图