积分式直流数字电压表1.doc

1、2007 年全国大学生电子设计竞赛论文编号：G 乙 9903题目：积分式直流数字电压表参赛学生：刘兴芝 徐士鹏 杨炜光参赛学校及专业：山东华宇职业技术学院应用电子专业指导教师：顾东安- 1 -积分式直流数字电压表设计论文内容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 4066 芯片和机械电磁开关结合使用，优势互补；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

2、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，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 -一 系统方案积分式 A/D 转换器分为双积分和三积分两种，根据课题要求此两种方式均可以满足，虽然三积分 A/D 转换器比双积分 A/D 转换器性能更优越，但从实际条件考虑我们选择双积分 A/D 转换器。（一）提高精度的措施：1.应采用高精度，温漂小，输出噪声小的基准电压，但由于条件有限采用

3、常规模拟稳压片，通过二次稳压提高输出电压精度，经过 24 小时观察电压稳定到误差不超过 0.1%。2.为了减少干扰，将数字/模拟电路完全隔离，数字部分与模拟部分通过光电耦合器连接。3.所有开关采用模拟电子开关 4066 芯片和机械电磁开关结合使用，在电路中要求速度的地方采用模拟电子开关，对速度要求不高的地方采用开、关电阻理想的机械电磁开关。4.为了减小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。（二）方案设计及论证1. 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

4、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。2. 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。3

5、. 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。4. 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。5. 系统的组成框图见图 1-3。二.理论分析与计算1、双积分式 A/D 转换器双积分式 A/D 转换器属于 VT 型积分式 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成两个时间间隔的比较，并由此将模拟电压转换成与其输入电压的平均值成正

6、比的时间间隔，时间间隔的大小则由时钟脉冲计数器来测量，计数器所得的计数值即 A/D 转换的结果。双积分- 3 -A/D 转换器的工作过程分为准备、取样和比较三个阶段。其原理框图和工作波形如图 11 和图 12 所示，图中 ui（t） 、u 0（t）和 p（t）分别为积分器的输入信号、输出信号和计数脉冲。（1）准备阶段（t 0t1）转换开始前，逻辑控制电路使 S1 闭合、S 2 接地将积分电容充分放电，并关闭闸门使计数器清零。（2）取样阶段（t 1t2）取样开始时刻 t1，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 积分器开始对 Ux 积分，同时，闸门打开

7、，计数器开始对时钟脉冲累加计数。当计数器计数为 N1 表明定时取样完毕即 t2 时刻，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（t 2t3）在比较时刻开始时刻，逻辑控制电路控制开关 S1 仍然断开、开关 S2 则打在与 Ux 极性相反的基准电压 UR 处，同时控制闸门打开，计数器开始对时钟脉冲进行计数，积分器则开始对 UR 反向积分，使得积分器输出电压逐渐下降。当积分器输出电压为零，即 t3 时刻，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、 S2 接地，积分器、计数器恢复到零状态，进入下一

8、次的准备阶段。 ui（t）u0（t）p（t）tttt0 t1 t2 t3UxURT1 定时反积分 T2 定时反积分N1 N2图 1-2逻辑控制电路 闸门时钟脉冲显示计数器复零溢出积分器零比较器基准电压 运放CRS2UxS1图 1-1UR- 4 -三.电路与程序设计（一） 系统硬件电路部分1. 模拟电路部分：主要由UA741 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：它是二-四译码器，有四路输出，有四个开关用其控制。ULN2803 芯片：其驱动能力较强，由其来驱动四路开关工作。零比较器键盘电路：有四个按键组成，1 键：1mv-200mv、2 键：

9、200mv-2v、3 键：自动量程转化。二次稳压电源电路。2. 数字电路部分:主要由AT89S52 芯片:其工作速度要比同类产品,如89S52键盘电路6 位显示电路计数时钟光电耦合器-双积分运放+ -过零比较器+电源电路-跟随器+15V 5VS1S2UR给数字部分基准电压f=83KHZ T=1210-6S正向积分时间为 0.12S最大反向积分时间为 0.24S总时间0.5S，所以 1S 内可采样 2 次。0.1mv=UR/N1;N1=104数字电路板电源电路板图 1-3模拟部分电路板- 5 -AT89C52 等.74LS00 芯片:是与非门芯片,只要有一个为输入为 0,输出就为 0,对计数器有

10、很好的控制作用.时钟脉冲电路:由 30MHZ 晶振由 ALE 输出经 64 分频得到大约 83KHZ,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.（二）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200mv2v 量程充电（定时中断）放电（计数中断）计算四.测试方案及测试结果（一）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、HG2020 双踪示波器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

11、的电压值，然后读出 LED 上显示的数值，两者相比较。(二)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 1.4441 1.44451.0022 1.0025 1.4456 1.44521.0155 1.0157 1.4483 1.44861.0162 1.0165 1.5493 1.54961.0270 1.0273 1.5511 1.55131.0281 1.0280 1.5526 1.55221.0301 1.0304 1.5595 1.5590- 6 -五.总结通过实际的操作和软件的调试我们的积分式数字电压表，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；本作品也具有自动校零功能和自动量程转换功能。- 7 -附录表 1-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-URUXS1S3S4S5