積分型直流數(shù)字電壓表的設計

1、積分型直流數(shù)字電壓表的設計濟南鐵道職業(yè)技術學院 丁華、張亮、胡剛正目 錄摘要 1第一部分：系統(tǒng)方案1第二部分：理論分析與計算 2第三部分：電路與程序設計 4第四部分：測試方案與測試結果 6總結 6參考文獻6附錄一 主程序流程圖 7附錄二 元器件清單 8附錄三 部分源程序9摘要：本設計為16位高分辨率的三斜積分式直流數(shù)字電壓表, A/D轉換器部分采用普通元器件構成模擬部分，利用MEGA8單片機借助軟件實現(xiàn)數(shù)字計數(shù)顯示功能，同時采用MEGA8單片機編程實現(xiàn)直流電壓表量程的自動轉換、自動校零、和液晶顯示等功能。關鍵詞：三斜積分，A/D轉換，電壓測量 第一部分 系統(tǒng)方案一、 總體電路構成本系統(tǒng)由輸入放

2、大與量程轉換電路、三斜積分A/D轉換電路、單片機計數(shù)控制電路、LCD數(shù)字顯示器構成?？傮w結構框圖如圖1所示。圖1 總體電路框圖二、各單元電路設計1 輸入放大與量程自動轉換電路的設計輸入放大與量程自動轉換電路的主要作用是提高輸入阻抗和完成量程轉換，本設計采用OP07集成運算放大器構成同相比例放大電路，以提高電路的輸入阻抗，以達到題目要求，模擬開關CD4066在單片機的控制下形成不同的通斷組合，實現(xiàn)量程的自動轉換和自動校零功能。2積分式A/D轉換器的設計雖然雙積分式A/D轉換器具有抗干擾能力強的特點，在采用零點校準的前提下，其轉換精度也可以做得很高，但顯著的不足是轉換速度較慢，并且分辨率越高，其轉

3、換速度也就越慢。因此本設計采用了分立元件構成的三斜積分式A/D轉換器，可以較好的改善轉換速度慢的缺點，它的轉換速率分辨率的乘積比傳統(tǒng)的雙積分式A/D轉換器提高至少兩個數(shù)量級。3、單片機計數(shù)、控制電路的設計通過對A/D轉換電路的方案分析，本設計采用三斜積分電路和單片機編程實現(xiàn)A/D轉換。脈沖的計數(shù)功能由單片機實現(xiàn)，所以對單片機的速度提出了較高的要求。本課題基本要求分辨率為11位,轉換速度不低于2次/S;發(fā)揮部分要求分辨率15位,若采用MCS51單片機實現(xiàn)控制和脈沖計數(shù)，轉換速度較慢。因此本設計采用了MEGA8單片機實現(xiàn)控制和脈沖計數(shù)。MEGA8單片機具有速度高、超功能精簡指令等特點，采用16MH

4、Z晶振，完全能滿足分辨率15位和轉換速度2次/S的要求。4、顯示電路本設計采用點陣式液晶顯示器（LCD）顯示。液晶顯示器顯示功能強大，可顯示各種字體的數(shù)字、圖像，還可以自定義顯示內容，增加了顯示的美觀性與直觀性。最重要的是提供了友好的人機界面。第二部分 理論分析與計算一、輸入放大與量程自動轉換電路輸入電路的主要作用是提高輸入阻抗和實現(xiàn)量程的轉換。輸入電路的核心是輸入放大器和模擬開關CD4066組成的量程自動轉換電路，如圖2所示。TG1、TG2是單片機控制的模擬開關，采用CD4066芯片，控制不同的增益。各種組合分析如下：(1)200mv量程。TG2導通，放大電路被接成電壓串聯(lián)負反饋放大器。放大

5、倍數(shù)Af及最大的輸出電壓Uomx分別為： 圖2 輸入放大與量程自動轉換電路Uomx=200mV20=4V（2）2V量程。TG1導通，此時的電壓放大倍數(shù)Af及最大的輸出電壓Uomx分別為： Uomx=20020=4V由上述計算可見，輸入AD轉換器的規(guī)范電壓為0-4V，同時電路被接成了電壓串聯(lián)負反饋放大器形式，輸入電阻高達10000，完全達到題目的要求，電路輸入端采用RC低通濾波電路抑制交流干擾。二、三斜積分式AD轉換器圖3 三斜積分式AD轉換器的原理圖圖3是一個三斜積分式AD轉換器的原理圖。它由基準電壓-VREF、 、積分器、比較器和由單片機構成的計數(shù)控制電路組成。轉換開始前，先將計數(shù)器清零，并

6、接通S0使電容C完全放電。轉換開始，斷開S0。整個轉換過程分三步進行：首先，令開關S1置于輸入信號Ui一側。積分器對Ui進行固定時間T1的積分。積分結束時積分器的輸出電壓為：可見積分器的輸出電壓與Ui成正比。這一過程也稱為轉換電路對輸入模擬電壓Ui的采樣過程。圖4 三斜積分式AD轉換波形圖在采樣開始時，邏輯控制電路將計數(shù)門打開，計數(shù)器對周期為Tc的計數(shù)脈沖CP計數(shù)。當計數(shù)器達到滿量程N1，此時計數(shù)器由全“1”恢復為全“0”，這個時間正好等于固定的積分時間T1， 。計數(shù)器復“0”時，同時給出一個溢出脈沖（即進位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號，令開關S1轉換至參考電壓-VREF一側，采樣階段結束。三

7、斜積分式AD轉換器的轉換波形是將雙積分式A/D的反向積分階段T2分為圖4所示的T21、T22兩部分。在T21期間，積分器對基準電壓-VREF進行積分，放電速度較快；在T22期間積分器改為對較小的基準電壓 進行積分,放電速度較慢。在計數(shù)時,把計數(shù)器也分為兩段進行計數(shù)。在T21期間,從計數(shù)器的高位(2m位)開始計數(shù)，設其計數(shù)值為N1；在T22期間，從計數(shù)器的低位（20位）開始計數(shù)，設其計數(shù)值為N2。則計數(shù)器中最后的讀數(shù)為:N= N12m+N2在一次測量過程中，積分器上電容器的充電電荷與放電電荷是平衡的，則|Ux|T1=VREFT21+(VREF/2m)T22其中: T21=N1Tc T22=N2T

8、c將上式加以整理得： 將上式進一步整理，可得三斜式積分式A/D轉化器的基本關系式為 本設計中，取m=8，時鐘脈沖周期Tc=120us，基準電壓VREF=5V，并希望把2V被測電壓變換成N=65536碼讀數(shù)時，由上式可以計算出T1=76.8ms，而傳統(tǒng)的雙積分式AD轉換器在相同的條件下所需的積分時間T1=307.2s,可見三斜積分式AD轉換器可以使轉換速度大幅度提高。三、計數(shù)器的設計題目基本要求測量分辨率為1mV（2V檔），因此計數(shù)器至少要11位，發(fā)揮部分要求測量分辨率為0.1mV（2V檔），計數(shù)器至少要15位，故本設計采用MEG8單片機實現(xiàn)控制和脈沖計數(shù)，構成16位計數(shù)器，內部采用16MHZ晶

9、振，完全滿足分辨率15位和轉換速度2次/S的要求。 第三部分 電路與程序設計一、三斜積分A/D轉換器模擬電路部分圖5 三斜積分A/D轉換器模擬電路部分 圖5為三斜積分A/D轉換器模擬電路部分，圖中放大電路選用精密運放OP07；積分電路也選用OP07；積分電容選用漏電流很小且等效串聯(lián)電阻、電感都很小的CBB80電容；比較器選用LM311；圖中的電子開關TG1、TG2、TG3、TG4、TG5、TG6、TG7、TG8均選用模擬開關CD4066芯片，只要將CD4066控制端接到單片機不同控制端口PBX上即可實現(xiàn)不同的開關通斷控制。TG1為自動校零控制、TG2、 TG3為量程自動轉換控制，TG4、TG5

10、、TG6控制積分的三個階段，TG7、TG8為轉換開始前的控制。 二、 單片機控制、計數(shù)、顯示部分電路采用MEGA8單片機實現(xiàn)對CD4066模擬開關的通斷控制，從而實現(xiàn)量程自動轉換、自動校零以及三斜積分A/D轉換過程的控制；同時利用單片機編程實現(xiàn)16位高速計數(shù)功能。顯示部分采用1602LCD液晶顯示器實現(xiàn)A/D轉換數(shù)據(jù)和測量電壓值的顯示。單片機控制、計數(shù)器以及LCD液晶顯示電路如圖6、7所示。 圖6 單片機控制、計數(shù)器電路 圖7 LCD液晶顯示電路三、基準電壓產(chǎn)生電路圖8 基準電壓信號生成電路自行設計了一個從0100mV連續(xù)調節(jié)的模擬電壓信號作為該系統(tǒng)的基準電壓源，選用TL431AA，其電壓精度

11、可以達到0.5%；兩組電壓跟隨器選用精密運放OP07；可變電阻RW101、RW103選用多圈精密可變電阻；電位器RW102選用10圈線繞精密電位器。由TL431產(chǎn)生2.50V電壓，經(jīng)電位器RW101分壓得到100mV電壓送給第一組電壓跟隨器（由IC101組成）輸入端。第一組電壓跟隨器的輸出由多圈精密電位器RW102進行分壓，分壓后的信號由第二組電壓跟隨器（由U2組成）輸出0-100mV的可調電壓作為A/D轉換電路的電壓基準。 四、主程序流程（見附錄一）第四部分 測試方案與測試結果為了確定系統(tǒng)與題目要求符合程度,我們對系統(tǒng)中關鍵部分進行了實際測試。一、分辨率和測量誤差我們從信號源輸入02V連續(xù)調

12、節(jié)的直流電壓信號作為該系統(tǒng)的被測信號源，對A/D轉換電路的分辨率和測量誤差進行了測試。選取被測信號源的1mV、5mV、50mV、150mV、200mV、300mV、500mV、1V、1.5V、2V點作為測試電壓，分別進行了測試，結果見表1：200mV檔輸入電壓（mV）1550150200顯示數(shù)據(jù)（字）9649850041499719997顯示電壓值（mV）0.964.9850.04149.97199.97測量誤差0.04%0.02%0.04%0.03%0.03%2V檔輸入電壓（V）0.30.511.52顯示數(shù)據(jù)29984996100041499819997顯示電壓值0.29980.49961.

13、00041.49981.9997測量誤差0.02%0.04%0.04%0.02%0.03% 從上述測試結果分析，本設計直流數(shù)字電壓表的測量分辨率和測量誤差均能達到題目基本和發(fā)揮部分的要求。二、采樣速率測試A/D轉換結束后，單片機輸出一個信號驅動發(fā)光二極管閃爍，顯示A/D轉換速度。用脈沖計數(shù)器測得其轉換速度大于10次/S，達到了題目要求，結果如表2測試次數(shù)1 2 34轉換速度（次/S） 11 13 12 12三、結論電路設計完成后，通過進行分辨率、測量誤差以及轉換速度測試，測試結果表明本設計達到了設計的基本和發(fā)揮部分的全部要求，并且具備自動校零和自動轉換量程的功能?？?結本系統(tǒng)采用三斜積分式A/

14、D轉換器將輸入的直流電壓ui轉換成與ui成正比的時間間隔，在此期間用MEGA8單片機計數(shù)器對恒定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)結束時，計數(shù)器記錄的數(shù)字量正比于輸入的模擬電壓，從而實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉換。在設計過程中，因為使用普通器件，元器件較多，而且輸入信號較弱容易受到干擾，所以力求硬件電路簡單，努力從工藝上下功夫，并對某些電路進行創(chuàng)新。本系統(tǒng)達到了競賽題目中的各項要求。同時，設計過程中遇到了許多困難，設計上還存在許多值得改進的地方。通過本次設計，我們深刻體會到共同協(xié)作和團隊精神的重要性，提高了自己解決問題的能力。參考文獻：1.張軍. AVR單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例.中國電力出版社，2005年2

15、.曹建平. 智能化儀器原理及應用.西安電子科技大學出版社.2004年3.楊志忠. 數(shù)字電子技術. 高等教育出版社. 2000年附錄一：主程序流程附錄二：元器件清單元件清單直流基準電壓產(chǎn)生電路元件清單器件名規(guī)格（型號）數(shù)量備注運算放大器OP072精密運算放大器可調電阻10K1電阻2012001電容47F/16v3100F/16v2二極管1N40072可調壓穩(wěn)壓二極管TL431AA1精度0.5%精密電位器2.2K/2W1十圈線繞式 三斜積分A/D轉換電路元件清單運算放大器Op072精密運算放大器電壓比較器LM3112高速精密 模擬開關 CD40662 電容0.22uF1 電阻1K120k19k1電

16、壓比較器LM3111可調電阻10K4單片機部分電路元件清單單片機Mega81電容100F10.1F122pF2電阻10K1晶振16MHz1顯示電路元件清單液晶WYM1602A1 可調電阻1K1電源電路元件清單集成電路CW78051CW79051CW78121CW79121電阻104整流橋RS307L 2電容0.1F、 81000F12附錄三： 部分源程序#include #include #include lcd.h#include #include #include#define S0 10 /pc0 gnd#define S1 11 /2v#define S2 17 /200mv PD7#

17、define S3 12 /-vref#define S4 14 /-20mv#define S5 13 /discharge#define S6 15 /Ux#define S7 16 /Ix /全局變量unsigned char timetemp=0;unsigned char time100ms=0;unsigned int time500ms=0;unsigned char stepflag=0;/轉換階段標志 -uref ? -uref/2 7?unsigned char conflag=0; /正在轉換標志 unsigned int voltcount=0; /ad值float v

18、olt=0; /電壓值unsigned char timeH=0; /計數(shù)器值unsigned char timeL=0;/函數(shù)void init_devices(void);void port_init(void);/1msvoid timer2_init(void);void timer2_ovf_isr(void);/100usvoid timer1_init(void);void timer1_ovf_isr(void);void adadjust(void)void adini(void);void adconvert(unsigned char data);/main()void

19、main() unsigned char i; unsigned char lcdbuf32; unsigned char *lcdp=lcdbuf; init_devices(); Inti_Disp(); adadjust(); adini(); while(1) adini(); adconvert(0x08);/ set_cur(0); lcdp=ftoa(volt,0); putstr(lcdp); set_cur(16); ltoa(lcdbuf,voltcount,10); putstr(lcdbuf); /abc();void adini(void) PORDC=0x08; /

20、放電30ms timetemp=30; conflag=1; void adconvert(unsigned char data)/充電 /充電196ms PORDC=data; /打開Ux timetemp=196; conflag=1; while(timetemp);/等待 /反向放電 /讀取U0值 if(PIND&0x08) PORDC=0x10;/接入-uref/2 7 stepflag=1;/qi dong counter timeH=0; timeL=0; else PORDC=0x04;/接入-uref stepflag=2; /qi dong counter timeH=0;

21、 timeL=0; dischar1: while(stepflag=2) if(PIND&0x08) else PORDC=0x10;/接入-uref/2 7 stepflag=1;/qi dong counter while(PIND&0x04); voltcount=timeH; voltcount=(voltcout7)+timeL; void port_init(void) PORTB = 0xFF; DDRB = 0xff; PORTC = 0x08; /m103 output only DDRC = 0xff; PORTD = 0x7F; DDRD = 0xf3; /TIMER1

22、 initialisation - prescale:64/ WGM: 0) Normal, TOP=0xFFFF/ desired value: 500uSec/ actual value: 500.000uSec (0.0%)void timer1_init(void) TCCR1B = 0x00; /stop TCNT1H = 0xFF; /setup TCNT1L = 0x83; OCR1AH = 0x00; OCR1AL = 0x7D; OCR1BH = 0x00; OCR1BL = 0x7D; ICR1H = 0x00; ICR1L = 0x7D; TCCR1A = 0x00; TCCR1B = 0x03; /start Timer#pragma interrupt_handler timer1_ovf_isr:9void timer1_ovf_isr(void) /TIMER1 has overflowed TCNT1H = 0xFF; /reload counter high value TCNT1L = 0x83; /reload counter low value if(stepflag=1) /timeH timeL+; if(stepflag