邱忱

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

積分式直流數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

邱忱

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

在測(cè)量電量中，電壓表起到了重要的作用。本文設(shè)計(jì)的積分式直流數(shù)字電壓表的組成部分主要包括了LCD模塊，模數(shù)模塊的轉(zhuǎn)化，同時(shí)還進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)。積分式直流數(shù)字電壓表增加數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中有著很重要的實(shí)踐意義。

積分式 A/D轉(zhuǎn)換器 電壓表

1 引言

數(shù)字電壓表指的是對(duì)連續(xù)的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是轉(zhuǎn)換的過程是一個(gè)從模擬量向數(shù)字化的過程，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后能夠增強(qiáng)可讀性以及減少誤差。目前關(guān)于設(shè)計(jì)直流數(shù)字電壓表，通常在采集模擬信號(hào)中的樣本的時(shí)候，都會(huì)有固定的A/D轉(zhuǎn)換器，而且數(shù)字電壓表的精確度和轉(zhuǎn)換器的精確度有著直接的關(guān)系，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的過程中需要用到的電路主要包括了譯碼電路以及鎖存電路。這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程比較復(fù)雜，所以為了增加數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，本文設(shè)計(jì)了積分式直流數(shù)字電壓表。

2 積分式直流數(shù)字電壓表的總體框架圖

本文設(shè)計(jì)的電壓表的組成部分主要分為模擬部分以及數(shù)字部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

在模擬電路的主要作用是給被測(cè)電壓的信號(hào)進(jìn)行電路的選擇，選擇的轉(zhuǎn)換方式是雙積分A/D。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器中所包括的組件主要有OP07集成的運(yùn)算放大器以及LM393運(yùn)算放大器，自動(dòng)校零以及轉(zhuǎn)換量程的實(shí)現(xiàn)主要依靠的是CD4066電子開關(guān)，這個(gè)電子開關(guān)的最大優(yōu)勢(shì)就是能夠盡可能減少噪聲所引起的干擾。所以如果在噪聲比較嚴(yán)重的環(huán)境的時(shí)候，能夠選擇CD4066電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校零等功能。在數(shù)字電路部分中的控制器核心是AT89S52，其主要的用途是對(duì)光電耦合器中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制。光電耦合器可以對(duì)多種噪聲起到抑制的作用，從而增大信噪比，通常情況下響應(yīng)所延遲時(shí)間是在10μs范圍以內(nèi)，而且響應(yīng)所花費(fèi)的時(shí)間比較少，最終成功隔離了模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)。量程以及電壓值的顯示是通過6位數(shù)碼管LED實(shí)現(xiàn)的，這種實(shí)現(xiàn)方式是自動(dòng)的。系統(tǒng)的總體電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體電路圖

3 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)模塊

在雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路中，組成的部件主要分為n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、積分電路A、CP控制門G以及電壓比較器C和電子開關(guān)等，在4051多路控制電路的輸入端輸入測(cè)試數(shù)據(jù)，接著通過積分電路LT084，比較電壓值。

（1）首先需要把電壓轉(zhuǎn)化成時(shí)間T，轉(zhuǎn)化中需要保持T和輸入電壓是正比的關(guān)系。

（2）把時(shí)間T進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，讓數(shù)字量和T之間保持著正比的關(guān)系，接著再根據(jù)電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間T2和輸入CP控制門中的TCP是反比的關(guān)系，從而可以得出轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。將CP控制門打開，切斷控制電路S2，同時(shí)把S1和輸入電壓端連接起來，在積分電路中就會(huì)取U1的積分進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)積分運(yùn)算后的結(jié)果V0是小于0，比較器中輸出的VC等于1，將CP控制門G打開，計(jì)數(shù)器就會(huì)啟動(dòng)計(jì)數(shù)操作。如果計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)數(shù)等于2n的時(shí)候，計(jì)數(shù)器的輸出值就都為0，然后將數(shù)據(jù)保存到鎖存器74LS373中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制處理。

4 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

在雙積分A/D數(shù)字電壓表中有2個(gè)檔位，分別是200mV和2V，檔位顯示是用1位數(shù)碼管LED來表示的，此外量程的顯示范圍是從0到19999，是用5位表示的。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表中的量程選擇是完全自動(dòng)的。其中用Vi表示被測(cè)信號(hào)，將Vi傳入到電壓跟隨器中和參考電壓是200mV的進(jìn)行對(duì)比。電子開關(guān)的狀態(tài)是通過單片機(jī)控制，如果輸入電壓比參考電壓大的話，信號(hào)就會(huì)進(jìn)入到電子開關(guān)后直接進(jìn)行了積分處理。如果輸入電壓是比參考電壓小的話，比較器中輸出的電平就是低電平，此時(shí)信號(hào)就會(huì)通過運(yùn)算放大器OP07之后產(chǎn)生放大的信號(hào)，接著才被送到積分器中進(jìn)行積分運(yùn)算，最終量程也就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)電壓表是處于工作的時(shí)候，就將“零采樣期”插入，這種插入的方式是周期性的。雙積分電路原理圖如圖3所示。

圖3 雙積分電路原理圖

5 測(cè)量標(biāo)定方法本設(shè)計(jì)方案

在標(biāo)定的測(cè)量中采用的方法是分段標(biāo)定。該部分主要是為了進(jìn)行調(diào)試標(biāo)定1鍵和標(biāo)定2鍵，并且還可以為自動(dòng)校零鍵進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)電壓測(cè)量的值不對(duì)的時(shí)候，可能夠重新對(duì)量程進(jìn)行標(biāo)定。其中標(biāo)定可以劃分成0、200mV以及2V標(biāo)定等。

其中具體的標(biāo)定過程總結(jié)為：

（1）調(diào)整輸入電壓為0，當(dāng)前內(nèi)碼會(huì)顯示，根據(jù)自動(dòng)校零鍵實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)標(biāo)定。

（2）調(diào)整輸入電壓為200mV，當(dāng)前內(nèi)碼顯示，按下標(biāo)定1鍵，就能實(shí)現(xiàn)標(biāo)定200mV。

（3）調(diào)整輸入電壓為2V，當(dāng)前內(nèi)碼顯示，按下標(biāo)定2鍵，檔位改為2V擋，接著按下標(biāo)定2鍵，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定2V的操作。誤差測(cè)量表如表1所示。

表1 測(cè)量誤差表

1802.80 1802.30 -0.70 0.039 2000.80 2001.00 -0.90 0.046

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)數(shù)字電壓表是處于軟件運(yùn)行中，首先進(jìn)行的操作是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，接著就會(huì)進(jìn)行菜單的顯示以及電壓值的顯示，在顯示的這個(gè)過程中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后通過模擬數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化模塊就愛你攻二進(jìn)制的數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中，最后再LCD中顯示的是十進(jìn)制的數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖

7 結(jié)語

作為眾多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的儀器設(shè)備，數(shù)字電壓表僅僅只可以顯示出電壓信號(hào)測(cè)量結(jié)果，積分式直流數(shù)字電壓表增加數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中有著很重要的實(shí)踐意義。

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