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积分型直流数字电压表.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.22M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    积分型直流数字电压表的设计 济南铁道职业技术学院 丁华、张亮、胡刚正 目 录 摘要 ……………………………………………………………………1 第一部分：系统方案…………………………………………………1 第二部分：理论分析与计算 …………………………………………2 第三部分：电路与程序设计 …………………………………………4 第四部分：测试方案与测试结果 ……………………………………6 总结 ……………………………………………………………………6 参考文献………………………………………………………………6 附录一 主程序流程图 ………………………………………………7 附录二 元器件清单 ……………………………………………………8 附录三 部分源程序……………………………………………………9
    摘要：本设计为16位高分辨率的三斜积分式直流数字电压表, A/D 转换器部分采 用普通元器件构成模拟部分，利用 MEGA8单片机借助软件实现数字计数显示功 能，同时采用 MEGA8单片机编程实现直流电压表量程的自动转换、自动校零、和 液晶显示等功能。 关键词：三斜积分，A/D 转换，电压测量 第一部分 系统方案 一、 总体电路构成 本系统由输入放大与量程转换电路、三斜积分 A/D 转换电路、单片机计数控 制电路、LCD 数字显示器构成。总体结构框图如图1所示。 二、各单元电路设计 1． 输入放大与量程自动转换电路的设计 图1 总体电路框图 输入放大与量程自动转换电路的主要作用是提高输入阻抗和完成量程转换，本 设计采用 OP07集成运算放大器构成同相比例放大电路，以提高电路的输入阻 抗，以达到题目要求，模拟开关 CD4066在单片机的控制下形成不同的通断组合， 实现量程的自动转换和自动校零功能。 2．积分式 A/D 转换器的设计 虽然双积分式 A/D 转换器具有抗干扰能力强的特点，在采用零点校准的前提 下，其转换精度也可以做得很高，但显著的不足是转换速度较慢，并且分辨率越 高，其转换速度也就越慢。因此本设计采用了分立元件构成的三斜积分式 A/D 转换器，可以较好的改善转换速度慢的缺点，它的转换速率分辨率的乘积比传统 的双积分式 A/D 转换器提高至少两个数量级。 3、单片机计数、控制电路的设计 通过对 A/D 转换电路的方案分析，本设计采用三斜积分电路和单片机编程实现
    A/D 转换。脉冲的计数功能由单片机实现，所以对单片机的速度提出了较高的要 求。本课题基本要求分辨率为11位,转换速度不低于2次/S;发挥部分要求分辨率 15位,若采用 MCS－51单片机实现控制和脉冲计数，转换速度较慢。因此本设计 采用了 MEGA8单片机实现控制和脉冲计数。MEGA8单片机具有速度高、超功能精 简指令等特点，采用16MHZ 晶振，完全能满足分辨率15位和转换速度2次/S 的要 求。 4、显示电路 本设计采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。液晶显示器显示功能强大，可显 示各种字体的数字、图像，还可以自定义显示内容，增加了显示的美观性与直观 性。最重要的是提供了友好的人机界面。 第二部分 理论分析与计算 一、输入放大与量程自动转换 电路 输入电路的主要作用是提 高输入阻抗和实现量程的转 换。输入电路的核心是输入放 大器和模拟开关 CD4066组成 的量程自动转换电路，如图2 所示。TG1、TG2是单片机控制 的模拟开关，采用 CD4066芯 片，控制不同的增益。各种组 合分析如下： (1)200mv 量程。TG2导通， 放大电路被接成电压串联负 反馈放大器。放大倍数 Af 及最大的输出电压 Uomx 分别为：
    图2输入放大与量程自动转换电 路 Uomx=200mV×20=4V （2）2V 量程。TG1导通，此时的电压放大倍数 Af 及最大的输出电压 Uomx 分别为： Uomx=200×20=4V 由上述计算可见，输入 A／D 转换器的规范电压为0-4V，同时电路被接成了电 压串联负反馈放大器形式，输入电阻高达10000㏁，完全达到题目的要求，电路 输入端采用 RC 低通滤波电路抑制交流干扰。 二、三斜积分式 A／D 转换器
    图3 三斜积分式 A／D 转换器的原理图 图3是一个三斜积分式 A／D 转换器的原理图。它由基准电压-VREF、 、积 分器、比较器和由单片机构成的计数控制电路组成。 转换开始前，先将计数器清零，并接通 S0使电容 C 完全放电。转换开始，断 开 S0。整个转换过程分三步进行： 首先，令开关 S1置于输入信号 Ui 一侧。积分器对 Ui 进行固定时间 T1的积分。 积分结束时积分器的输出电压为： 可见积分器的输出电压与 Ui 成正比。这一过程也称为转换电路对输入模拟电 压 Ui 的采样过程。
    图4 三斜积分式 A／D 转换波形图 在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器对周期为 Tc 的计数脉冲 CP 计数。当计数器达到满量程 N1，此时计数器由全“1”恢复为全“0”，这个 。计数器复“0”时，同时给出一个 时间正好等于固定的积分时间 T1， 溢出脉冲（即进位脉冲）使控制逻辑电路发出信号，令开关 S1转换至参考电压-VREF 一侧，采样阶段结束。三斜积分式 A／D 转换器的转换波形是将双积分式 A/D 的 反向积分阶段 T2分为图4所示的 T21、T22两部分。在 T21期间，积分器对基准电压-VREF 进行积分，放电速度较快；在 T22期间积分器改为对较小的基准电压 进行积分, 放电速度较慢。在计数时,把计数器也分为两段进行计数。在 T21期间,从计数器 的高位(2m 位)开始计数，设其计数值为 N1；在 T22期间，从计数器的低位（20位） 开始计数，设其计数值为 N2。则计数器中最后的读数为: 在一次测量过程中，积分器上电容器的充电电荷与放电电荷是平衡的，则 N= N1×2m+N2 |Ux|T1=VREFT21+(VREF/2m)T22 T21=N1Tc T22=N2Tc 其中: 将上式加以整理得： 将上式进一步整理，可得三斜式积分式 A/D 转化器的基本关系式为
    本设计中，取 m=8，时钟脉冲周期 Tc=120us，基准电压 VREF=5V，并希望把2V 被测电压变换成 N=65536码读数时，由上式可以计算出 T1=76.8ms，而传统的双 积分式 A／D 转换器在相同的条件下所需的积分时间 T1=307.2s,可见三斜积分式 A／D 转换器可以使转换速度大幅度提高。 三、计数器的设计 题目基本要求测量分辨率为1mV（2V 档），因此计数器至少要11位，发挥部分 要求测量分辨率为0.1mV（2V 档），计数器至少要15位，故本设计采用 MEG8单片 机实现控制和脉冲计数，构成16位计数器，内部采用16MHZ 晶振，完全满足分辨 率15位和转换速度2次/S 的要求。 第三部分 电路与程序设计 一、三斜积分 A/D 转换器模拟电路部分
    图5三斜积分 A/D 转换器模拟电路部分 图5为三斜积分 A/D 转换器模拟电路部分，图中放大电路选用精密运放 OP07； 积分电路也选用 OP07；积分电容选用漏电流很小且等效串联电阻、电感都很小 的 CBB80电容；比较器选用 LM311；图中的电子开关 TG1、TG2、TG3、TG4、TG5、 TG6、TG7、TG8均选用模拟开关 CD4066芯片，只要将 CD4066控制端接到单片机不 同控制端口 PBX 上即可实现不同的开关通断控制。TG1为自动校零控制、TG2、 TG3 为量程自动转换控制，TG4、TG5、TG6控制积分的三个阶段，TG7、TG8为转换开 始前的控制。 二、 单片机控制、计数、显示部分电路 采用 MEGA8单片机实现对 CD4066模拟开关的通断控制，从而实现量程自动转 换、自动校零以及三斜积分 A/D 转换过程的控制；同时利用单片机编程实现16 位高速计数功能。显示部分采用1602LCD 液晶显示器实现 A/D 转换数据和测量 电压值的显示。单片机控制、计数器以及 LCD 液晶显示电路如图6、7所示。
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