簡易數(shù)字電壓表電路的設(shè)計

1、沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計 簡易數(shù)字電壓表電路的設(shè)計班級 / 學(xué)號 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課 程 名 稱 電子技術(shù)綜合課程設(shè)計 院（系） 自動化學(xué)院 專業(yè) 自動化 班級 學(xué)號 54 姓名 盧廣龍 課程設(shè)計題目 簡易數(shù)字電壓表電路的設(shè)計 課程設(shè)計時間: 2010 年 12 月 06 日 至 2010 年 12 月 26 日課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計說明設(shè)計一個簡易數(shù)字電壓表，它可以測量直流、交流電壓。其參考原理框圖如圖1所示。ux分壓電路輸入保護(hù)及緩沖電路交、直流轉(zhuǎn)換電路壓頻轉(zhuǎn)換電路計數(shù)、譯碼顯示電路ACACDCDC圖1數(shù)字電壓表的原理

2、框圖二、技術(shù)指標(biāo)測量電壓的技術(shù)指標(biāo)如表所示。測量項目量程準(zhǔn)確度(235)輸入電阻分辨力最大允許電壓DCV2V（0.5%RDG+3字）10M1mV500V20V10mVACV(RMS)(40Hz1kHz)2V（1.0%RDG+3字）10M1mV500V20V10mv三、設(shè)計要求1在選擇器件時，應(yīng)考慮成本，要求采用LED顯示。各量程的轉(zhuǎn)換采用開關(guān)轉(zhuǎn)換。2根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。3畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。四、實驗要求1根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實驗方案；驗證所設(shè)計的電路。2進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。五、推薦參考資料1沙占友、李學(xué)芝著.中外數(shù)字萬用表電路原理與維修技術(shù)

3、. M北京：人民郵電出版社，1993年2. 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，2006年3. 童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，2006年4. 戴伏生.基礎(chǔ)電子電路設(shè)計與實踐. M北京：國防工業(yè)出版社，2002年5. 譚博學(xué)主編.集成電路原理與應(yīng)用. M北京：電子工業(yè)出版社，2003年六、按照要求撰寫課程設(shè)計報告指導(dǎo)教師 年 月 日負(fù)責(zé)教師 年 月 日學(xué)生簽字 年 月 日成績評定表評語、建議或需要說明的問題：指導(dǎo)教師簽字： 日期：成 績一、概述數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)設(shè)計的電壓表。數(shù)字電壓表自1952年問世以來，已有50多年的發(fā)展

4、史，大致經(jīng)歷了五代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是20世紀(jì)50年代問世的電子管數(shù)字電壓表，第二代產(chǎn)品屬于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的晶體管數(shù)字電壓表，第三代產(chǎn)品為20世紀(jì)70年代研制的中、小規(guī)模集成電路的DVM。近年來，國內(nèi)外相繼推出由大規(guī)模集成電路（LSI）或超大規(guī)模集成電路（VLSI）構(gòu)成的數(shù)字電壓表、智能數(shù)字電壓表，分別屬于第四代、第五代產(chǎn)品。它們不僅開創(chuàng)了電子測量的先河，更以其高準(zhǔn)確度、高可靠性、高分辨力、高性價比等優(yōu)良特性而受到人們的青睞。二、方案分析此設(shè)計主要利用壓頻轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對電壓的測量。被測電壓經(jīng)過分壓電路及緩沖、保護(hù)電路（若被測電壓是交流，還需要經(jīng)過SW1開關(guān)的切換進(jìn)行交、直流轉(zhuǎn)換），輸入壓頻轉(zhuǎn)換

5、器，輸出頻率值與輸入電壓值成正比的脈沖信號，利用邏輯控制電路，對輸出的脈沖在1秒內(nèi)進(jìn)行計數(shù)、譯碼、顯示，從而實現(xiàn)對被測電壓的數(shù)字顯示。本方案中的SW1開關(guān)，是為了實現(xiàn)交、直流檔的轉(zhuǎn)換，SW2開關(guān)是為了實現(xiàn)2V、20V電壓檔的轉(zhuǎn)換，SW3開關(guān)是為了實現(xiàn)清零功能，清零后可以進(jìn)行下一次測量。此方案精度較高，基本能達(dá)到要求，而且元器件較少，造價低廉，使用起來方便。本方案的原理方框圖如圖1所示：分壓緩沖保護(hù)電路壓頻轉(zhuǎn)換電路計數(shù)譯碼顯示電路交直流轉(zhuǎn)換電路邏輯控制電路直流交流ux圖1 簡易數(shù)字電壓表的原理框圖三、電路設(shè)計1、分壓電路、輸入保護(hù)及緩沖電路 電路圖見圖2。該電路采用SW開關(guān)進(jìn)行量程選擇，開關(guān)在上

6、是2V檔，同時第四位數(shù)碼管后的小數(shù)點亮，開關(guān)在下是20V檔，同時第三位數(shù)碼管后小數(shù)點亮。為滿足要求，用電阻進(jìn)行分壓。用兩個反并聯(lián)的二極管作為輸入保護(hù)，防止輸入電壓過大燒毀后續(xù)電路。為使電壓表獲得較高的輸入阻抗，以提高測量準(zhǔn)確度，采用了輸入阻抗較高的集成運放TLC2252。將運放接成電壓跟隨器以獲取并輸出被測電壓，起到緩沖作用。圖2 分壓、保護(hù)及緩沖電路2、交、直流轉(zhuǎn)換電路電路圖見圖3。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對小信號進(jìn)行絕對值運算。電路中選擇,，。當(dāng)輸入電壓0時，二極管D2導(dǎo)通， D1截止，第一個運放的輸出電壓。故。當(dāng)0時，二極管D2截止，D1導(dǎo)通，=0，故。由上述可知輸出形成全波整流。對于交流信號，全

7、波整流后需要進(jìn)行濾波以減小紋波電壓，故在兩端并聯(lián)電容。開關(guān)SW在上是交流檔，在下是直流檔。 經(jīng)過理論計算并運行調(diào)試選取電阻=1uF，, 。圖3 交直流轉(zhuǎn)換電路3、壓頻轉(zhuǎn)換電路電路圖見圖4。圖4是LM331組成的V/F變換器。圖中和組成輸入濾波環(huán)節(jié)。電路左下角為調(diào)零電位器，右下角為轉(zhuǎn)換增益調(diào)節(jié)，取為，在上產(chǎn)生串聯(lián)產(chǎn)生一個附加的滯后效應(yīng)，改善線性度。該電路有如下壓頻轉(zhuǎn)換公式：取，使7腳的偏流能抵消6腳的偏流影響，以減小頻率失調(diào)。取0.01uF0.1uF，這里取0.1uF，但決不能使，以防止微小的變化會導(dǎo)致的瞬時停頓。下圖當(dāng)輸入電壓010V時，輸出頻率為010kHz，非線性誤差為0.03%。圖4 壓

8、頻轉(zhuǎn)換電路4、邏輯控制電路電路圖見圖5。由555定時器組成多諧振蕩器，選取適當(dāng)?shù)碾娮柚岛碗娙葜?，產(chǎn)生1Hz脈沖。JK觸發(fā)器U5A和U5B用來產(chǎn)生計數(shù)脈沖，在1s內(nèi)使計數(shù)器ENP端和ENT端置1，對輸入計數(shù)器的由壓頻轉(zhuǎn)換輸出的頻率信號計數(shù)1s。圖中LE接到譯碼器的LE端，LE端是鎖存控制端，LE=0時選通，LE=1時鎖存，由雙JK觸發(fā)器的邏輯結(jié)構(gòu)可使得當(dāng)計數(shù)器計數(shù)時，LE=0，計數(shù)1s后LE=1，使計數(shù)保持住直到手動清零為止。圖中MR端接在計數(shù)器的MR端和雙JK觸發(fā)器的置零端，開關(guān)SW用于實現(xiàn)手動清零。圖5 邏輯控制電路5、計數(shù)、譯碼、顯示電路電路圖見圖6。將由壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖信號同步輸入到

9、計數(shù)器的CLK端進(jìn)行計數(shù)。由圖5的邏輯控制電路可知，在開始計數(shù)的1s內(nèi)，ENP端和ENT端被置為1，計數(shù)器計數(shù)1s。譯碼器的LE端是鎖存控制端，是為了在計數(shù)過程中防止跳數(shù)。計數(shù)時，LE被置為0，1s后計數(shù)完畢被置為1，計數(shù)被鎖存。計數(shù)器的MR端與圖5的清零開關(guān)連接，清零后可以進(jìn)行下一次測量。圖中U16是為了決定在進(jìn)行量程選擇時小數(shù)點的亮滅，與圖2的量程選擇開關(guān)連接。三輸入或門與發(fā)光二極管組成判斷是否溢出的邏輯電路。當(dāng)計數(shù)達(dá)到2000時，數(shù)碼管全部熄滅，發(fā)光二極管點亮，表示超出所選量程的測量范圍。圖6 計數(shù)譯碼顯示電路四、性能測試表1 直流電壓測試數(shù)據(jù)表實際值/mV測量值/mV誤差/mV相對誤差

10、/%100991150050420.41000100880.815001513130.8719001917170.89由以上測試結(jié)果可以看出，當(dāng)電壓太大或者太小時相對誤差比較大，當(dāng)電壓在500mV左右時將會測得相對準(zhǔn)確的值。表2 交流正弦電壓測試數(shù)據(jù)表實際值/mV頻率/Hz測量值/mV誤差/mV相對誤差/%10050102225001011110009911100050100990.9500100770.71000100880.819005019191915001918180.9510001918180.95由以上測試結(jié)果可以看出，頻率的變化對交流正弦電壓的測量影響不是很大，影響測量精度的因素

11、仍然和被測電壓值的大小有關(guān)。五、結(jié)論本設(shè)計的關(guān)鍵在于壓頻轉(zhuǎn)換的精度。只要調(diào)節(jié)圖4壓頻轉(zhuǎn)換器的電阻Rv2，使其與圖3整流電路的電阻R18和R19相匹配，就可以確定被測電壓與壓頻轉(zhuǎn)換輸出頻率間的比例關(guān)系，因此對R18和R19的阻值要求不是非常嚴(yán)格。而由于壓頻轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度的限制使得顯示電壓值與實際電壓值之間總是存在一定誤差。而且隨著被測電壓的增加，圖4的轉(zhuǎn)換線性度也將隨之下降，所以轉(zhuǎn)換誤差也隨之增加。其次，多諧振蕩器產(chǎn)生周期1s的脈沖，其精度受所選電阻和電容的影響較大，尤其是測量較小電壓值時，將會產(chǎn)生較大誤差。六、性價比本設(shè)計原理清晰，易于理解，設(shè)計方便，電路工作穩(wěn)定，操作簡單，具有較高的測量準(zhǔn)確度和

12、可靠性，多選用一些常用器件，易于購買，價格便宜，性價比較高。七、課設(shè)體會及合理化建議通過這次課程設(shè)計，我對模電和數(shù)電知識有了更深的理解，同時也使我對一些電子仿真軟件的應(yīng)用有了一定的掌握，而且通過不斷的查閱各種資料及深入思考，我也學(xué)到了很多課堂以外的東西，這也鍛煉了我獨立思考、獨立學(xué)習(xí)的能力。通過對這次課設(shè)題目的深入研究，盡管最終仿真出了結(jié)果，其實我的設(shè)計還有一些需要改進(jìn)之處。尤其是圖4的壓頻轉(zhuǎn)換部分，轉(zhuǎn)換精度不是很高，很大程度上制約了測量的準(zhǔn)確度?？梢詫⒋穗娐愤M(jìn)行改進(jìn)以提高轉(zhuǎn)換的線性度，也可以用其他轉(zhuǎn)換精度較高的電路加以取代。其次是由555組成的多諧振蕩器，它產(chǎn)生的1Hz脈沖精度不高，在測較小

13、電壓時會產(chǎn)生較大誤差，因此可以用晶振經(jīng)過分頻獲得精度很高的1Hz脈沖加以取代。最后，我的設(shè)計采用了手動清零方式，這樣設(shè)計使電路簡化很多，而且隨時能夠進(jìn)行下一次測量，但也可以對電路加以改進(jìn)，使其能夠自動清零，這就需要增加一些額外的控制電路通過定時器使計數(shù)器能夠延時清零。由于受課設(shè)要求的限制，設(shè)計過程顯得有很大局限性，沒有使我們的思路得以充分展開。題目要求采用壓頻轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，而我最初查閱的資料多數(shù)采用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且現(xiàn)在的新型數(shù)字電壓表均采用這種方式，這樣使得穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性能夠大大提高。但無論如何，兩周的課設(shè)的確讓我收獲很多。參考文獻(xiàn)1沙占友、李學(xué)芝著.中外數(shù)字萬用表電路原理與維修技術(shù). M北京：人民郵電出版社，1993年2. 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，2006年3. 童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，2006年4. 戴伏生.基礎(chǔ)電子電路設(shè)計與實踐. M北京：國防工業(yè)出版社，2002年5. 譚博學(xué)主編.集成電路原理與應(yīng)用. M北京：電子工業(yè)出版社，2003年附錄 總電路圖附錄 元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1U1：A集成運放TLC225212U2集成運放LM35823U3V/F變換器LM33114U1555定時器NE55515U5JK觸發(fā)器74LS11226U6U9加法計數(shù)器7416047