雙積分式數(shù)字電壓表.doc

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1、雙積分式直流數(shù)字電壓表摘要：雙積分式數(shù)字電壓表由模擬電壓雙積分電路、脈沖計(jì)數(shù)電路和數(shù)據(jù)處理和顯示電路三個(gè)模塊組成，可以把被測電壓Ux通過積分器產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)間Tx，然后再將T轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量N進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)U—T—N的間接變換。本系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心，以運(yùn)算放大器、電容、電阻及比較器制作的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器為主要部件，實(shí)現(xiàn)了結(jié)果測量精度可達(dá)4位半，誤差在0.1mv左右，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換及自動(dòng)校零功能，具有較好的使用價(jià)值的直流電壓表，測量范圍為1mV—2V，有200mV及2V兩個(gè)量程。關(guān)鍵詞：STC89C51單片機(jī)、

2、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、直流數(shù)字電壓表一、系統(tǒng)方案根據(jù)題目給定的要求，在不采用A/D轉(zhuǎn)換器的前提下，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙積分式積分式數(shù)字電壓表，在發(fā)揮部分還要求能自動(dòng)切換量程，對(duì)精度、分辨率、輸入阻抗等指標(biāo)都提出了較高的要求。根據(jù)以上分析，精度是這個(gè)題目的難點(diǎn)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程都要圍繞如何提高電壓表的精度而進(jìn)行，為此，分別作了幾種不同的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行論證。1、單片機(jī)的選擇方案一：51單片機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是學(xué)習(xí)型單片機(jī)，控制簡單，價(jià)格低。缺點(diǎn)是處理速度慢。方案二：PIC單片機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是其大部分指令都是單周期指令，軟件計(jì)時(shí)精度高，性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)

3、是基于上述的比較分析，雖然PIC單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)題目要求的基本功能，但對(duì)于本設(shè)計(jì)，使用51單片機(jī)，資源可以得到充分運(yùn)用，性價(jià)比較高，所以采用方案一。2、電子開關(guān)的選擇方案一：CD4051模擬開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)方便，但導(dǎo)通電阻大。方案二：光控場效應(yīng)管PhotoMOS。優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通電阻小且穩(wěn)定，開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)方便，但價(jià)格昂貴。方案三：常規(guī)機(jī)械觸點(diǎn)繼電器。優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通電阻小且最穩(wěn)定，價(jià)格便宜，但需要專門的驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)速度慢?；谏鲜龅谋容^分析，雙積分電路和量程切換電路要求開關(guān)速度快，且考慮到價(jià)格方面，所以選擇方案一。3、電源電

4、路的選擇方案一：采用串聯(lián)型線性壓電路LM7805。優(yōu)點(diǎn)是紋波小，輸出功率大，精度高，但效率低，發(fā)熱量大。方案二：采用并聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路TL431。優(yōu)點(diǎn)是精度更高，紋波更小。但輸出功率小，效率低?；谏鲜龅谋容^分析，本系統(tǒng)中，雙積分電路為模擬電路，對(duì)電源的精度要求高，紋波小，但消耗功率很小，所以選擇方案二。4、顯示方法的選擇方案一：采用LED數(shù)碼管。優(yōu)點(diǎn)是數(shù)碼管亮度高，顯示簡單、清晰，但需要額外的驅(qū)動(dòng)電路，占用單片機(jī)資源多，顯示信息少。方案二：采用LCD模塊。優(yōu)點(diǎn)是微功耗，體積小，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路，接口簡單，顯示信息量大，字跡美觀，但價(jià)格較貴。

5、基于上述的比較分析，顯示部分選擇方案二比較合適。二、設(shè)計(jì)與論證1、積分電路的設(shè)計(jì)理論為了使積分電路中積分電容在放電過程中盡可能的放電至零，特地在LM324運(yùn)放的同相輸入端接上負(fù)電壓，因?yàn)樵诤竺娴倪^零比較器中，電容放電還未到零，其輸出電平就會(huì)發(fā)生跳變，綜合考慮，為減小誤差，我們?cè)谕噍斎攵私由?500mV電壓。（1）正積分：也稱信號(hào)采集階段。在這個(gè)階段，通過單片機(jī)對(duì)開關(guān)邏輯控制電路的控制對(duì)檢測電壓Vx0或Vx1積分。積分器的輸出電壓隨時(shí)間線性地增加。正積分時(shí)間由單片機(jī)控制，定時(shí)為T考慮到工頻的干擾，我們?cè)O(shè)定充電時(shí)間T=40ms。（2）反積分

6、：也稱計(jì)數(shù)階段。在這個(gè)階段，通過單片機(jī)對(duì)開關(guān)邏輯控制電路的控制對(duì)基準(zhǔn)電壓Vf積分（3）自動(dòng)回零：也稱復(fù)位階段。在該階段因反積分使比較器輸出由高電平變成低電平，再由單片機(jī)控制開關(guān)邏輯控制電路動(dòng)作，是的積分電容上的電荷充分釋放，輸出電壓降到零下圖為積分器和比較器的輸出波形：2、自動(dòng)量程的切換選擇分析基于題目要求所設(shè)計(jì)的電壓表分為200mV檔和2V檔，兩檔呈十倍的關(guān)系，就可以用兩個(gè)運(yùn)放OP07來實(shí)現(xiàn)檔位的轉(zhuǎn)換，前級(jí)運(yùn)放相當(dāng)于一個(gè)電壓跟隨器，起隔離保護(hù)的作用，后級(jí)的運(yùn)放將前級(jí)輸出的電壓放大十倍，然后再通過積分電路，這樣既保證了測量的精確，更有效的

7、實(shí)現(xiàn)了量程的切換和電壓值單位的選擇。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)原理框圖　本設(shè)計(jì)采用了以分立元件組成的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器為主要元件，配合單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路等組成4位半積分式數(shù)字直流電壓表的硬件電路。如圖為電壓表的系統(tǒng)方框圖。單片機(jī)系統(tǒng)是以89C51單片機(jī)為核心；信號(hào)采集與量程轉(zhuǎn)換電路是由OP07和模擬開關(guān)CD4051組成；積分比較與自動(dòng)回零電路是由雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器和過零比較器所組成；開關(guān)邏輯控制電路主要元件是模擬開關(guān)CD4051；顯示采用了1602字符型液晶顯示器；基準(zhǔn)電壓是由TL431穩(wěn)壓所得。采用雙電源可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模隔離。圖中的Vx

8、0是待測電壓Vx經(jīng)過由OP07所組成的電壓跟隨器后的輸出電壓信號(hào)（Vx0=Vx1），Vx1是由待測電壓Vx經(jīng)過另一個(gè)OP07組成的10倍放大電路后的輸出電壓信號(hào)。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要完