高精度數(shù)字電壓表設計

1、摘要：隨著電子科學技術的發(fā)展，電子測量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對測量的精度和功能的要求也越來越高，而電壓的測量甚為突出，因為電壓的測量最為普遍。同時隨著微電子技術的迅速發(fā)展和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，特別是單片機的出現(xiàn)，正在引起測量控制儀表領域的新的技術革命。數(shù)字電壓表的核心器件是A/D轉換器，A/D轉換器一般有積分式、比較式和復合式三種類型。目前應用比較廣泛的是積分式數(shù)字電壓表，它具有抗干擾能力強、價格低廉、測量精度較高等優(yōu)點。V/F型A/D轉換器是積分型的一種，被測電壓Ux通過積分以后輸出一線性變化的電壓，控制一個振蕩器，產(chǎn)生與被測電壓成正比的頻率值；再用數(shù)字頻率計測量出電路的頻率

2、值，從而表示被測電壓的大小。這種轉換器具有良好的精度、線性和積分輸入特性，抗干擾能力強，而且信號便于遠傳等特點。此外，它的應用電路簡單，外圍元件性能要求不高，對環(huán)境的適應能力強，與單片機的接口簡單。本設計在參閱了大量前人設計的數(shù)字電壓表的基礎上，利用單片機技術結合V/F 轉換芯片LM331 以及采用模擬開關CD4051 構建了一個測量范圍達0-750V且具有自動量程切換功能和過壓保護的直流數(shù)字電壓表。本文首先簡要介紹了積分式數(shù)字電壓表的主要組成部分及原理，然后詳細介紹了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計，并給出了硬件電路的各部分電路的設計及原理以及軟件算法。 關鍵詞 電壓測量；自動切換；LM331；模擬

3、開關；單片機。 目 錄第一章 緒論.3第二章 數(shù)字電壓表兩種設計方案簡介.52.1 采用ADC0809的A/D轉換電路.52.2 采用LM331V/F轉換電路.5第三章 切換開關的論證與比較.63.1 采用繼電器.63.2 多路模擬開關CD4051.7第四章 系統(tǒng)總體設計.7 4.1 系統(tǒng)組成原理.7 4.2 硬件系統(tǒng)流程概述.8第五章 各種顯示器件簡介.8 5.1 常用顯示器件簡介.8 5.2 1602液晶的參數(shù)資料.9第六章 硬件電路系統(tǒng)模塊的設計.11 6.1 過保護電路.11 6.2 電壓信號采樣.12 6.3 自動量程切換借口電路.13 6.4 A/D轉換電路.18 6.5 單片機系

4、統(tǒng).25 6.6 輸入電路.26 6.7 A/D轉換芯片與單片機的鏈接.27 6.8 1602液晶與單片機的鏈接.28 6.9 鍵盤與單片機的鏈接.29第七章 系統(tǒng)軟件設計.29 7.1 匯編語言與C語言的特點及選擇.29 7.2 積分式數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件流程.29 7.3 定時器T0、T1中斷服務程序.30 7.4 電壓值計算子程序.30 7.5 顯示程序.31第八章 單片機抗干擾.32 8.1 硬件抗干擾.32 8.2 主程序設計.33第九章 系統(tǒng)的調試與誤差分析.34 9.1硬件調試.34 9.2軟件調試.34 9.3誤差的主要來源及影響.35 9.4 減少及消除誤差的措施.35第十章

5、總結與展望.36附錄一 主程序.37附錄二 參考文獻.44第一章 緒論 說字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，作為智能儀表的一種，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉化成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一，精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求采用單片機的數(shù)字電壓表，精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，目前，由各種單片A/D轉換器構成的說字電壓表，已經(jīng)被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測量系統(tǒng)等智能化測量領域，顯示出強大的生命力。本文就數(shù)字電壓表加以敘述。1.1數(shù)字電壓表簡介 數(shù)字電壓表出現(xiàn)在50年代初，6

6、0年代末發(fā)起來的電壓測量儀表，簡稱DVM，它采用的是數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量，也就是連續(xù)的電壓值轉變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后再通過顯示器件顯示。這種電子測量的儀表之所以出現(xiàn)，一方面是由于電子計算機的應用逐漸推廣到系統(tǒng)的自動控制信實驗研究的領域，提出了將各種被觀察量或被控制量轉換成數(shù)碼的要求，即為了實時控制及數(shù)據(jù)處理的需要；另一方面，也是電子計算機的發(fā)展，帶動了脈沖數(shù)字電路技術的進步，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。所以，數(shù)字化測理儀表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計算機的發(fā)展是密切相關的；同時，為革新電子測量中的煩鎖和陳舊方式也催促了它的飛速發(fā)展，如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。如

7、今，數(shù)字電壓表已絕大部分已取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表。因為傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)的時候也非常不方便，很容易出錯。而采用單片機的數(shù)字電壓表由于測量精度高，速度快，讀數(shù)時也非常的方便，抗干擾能力強，可擴展性強等優(yōu)點已被廣泛的應用于電子及電工的測量，工業(yè)自動化儀表，自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域。顯示出強大的生命力。數(shù)字電壓表最初是伺服步進電子管比較式，其優(yōu)點是準確度比較高，但是采樣速度慢，重量達幾十公斤，體積大。繼之出現(xiàn)了斜波式電壓表，它的速度方面稍有提高，但是準確度低，穩(wěn)定性差，再后來出現(xiàn)了比較式儀表改進逐次漸近式結構，它不僅保持了比較式準確度高的優(yōu)點，而且速度也有了很大的

8、提高，但它有一缺點是抗干擾能力差，很容易受到外界各種因素的影響。隨后，在斜波式的基礎上雙引伸出階梯波式，它的唯一的進步是成本降低了，可是準確寬，速以及抗干擾能力都未能提高。而現(xiàn)在，數(shù)字電壓表的發(fā)展已經(jīng)是非常的成熟，就原理來講，它從原來的一，二種已發(fā)展到多種，在功能上講，則從測單一參數(shù)發(fā)展到能測多種參數(shù)；從制作元件來看，發(fā)展到了集成電路，準確度已經(jīng)有了很大的提高，精度高達1NV；讀數(shù)每秒幾萬次，而相對以前，它的價格也有了降低了很多。目前實現(xiàn)電壓數(shù)字化測量的方法仍然模-數(shù)（A/D）轉換的方法。而數(shù)字電壓表種類繁多，型號新異，目前國際仍未有統(tǒng)一的分類方法。而常用的分類方法有如下幾種： 1 按用途來分

9、：有直流數(shù)字電壓表，交、直流數(shù)字電壓表，交直流萬用表等。2 按顯示位數(shù)來分：有4位，5位，6位，7位，8位等。3 按測量速度來分：有低準確度，中準確度，高準確度等。4 按測量速度來分：有低速，中速，高速，超高速等。但在日常生活中，數(shù)字電壓表一般是按照原理不同進行分類的，目前大致分為以下幾類：比較式，電壓時間變換式，積分式等。在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最為經(jīng)常。而且隨著電子技術的發(fā)展，更是經(jīng)常需要測量高精度的電壓，所以數(shù)字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬

10、量（直流輸入電壓）轉換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，而采用單片機的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與PC 進行實時通信。目前，由各種單片A/D 轉換器構成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，顯示出強大的生命力。與此同時，由DVM 擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。積分式數(shù)字電壓表是一種間接轉換形式的數(shù)字電壓表，它是對輸入模擬電壓進行積分并轉換成中間量時間或頻率，再通過計數(shù)器將中間量轉換成數(shù)字量。第

11、二章 數(shù)字電壓表兩種設計方案簡介設計數(shù)字電壓表有多種的設計方法，方案是多種多樣的，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導致對模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進而又使對數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實的工作生活中，電壓表的測量測程范圍是比較大的，所以必須要對輸入電壓作分壓處理，而各個數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹兩種數(shù)字電壓表的設計方案。2.1采用ADC0809的A/D轉換電路ADC0809是AD公司采用CMOS工藝生產(chǎn)的一種8位逐次比較型A/D轉換器。用ADC0809和AT89S52用程序查詢方式來采集被測的輸入模擬信號。采集

12、數(shù)據(jù)時首先單片機執(zhí)行一傳送指令，在該指令執(zhí)行過程中單片機在控制總線中產(chǎn)生寫些信號，其低電平品信號啟動A/D轉換工作，ADC0809經(jīng)100us后將輸入模擬信號轉換為數(shù)字信號存于輸出鎖存器，EOC新好景反相器產(chǎn)生中斷請求信號,通知單片機取數(shù)。當單片機響應中斷請求轉入數(shù)據(jù)采集子程序后，立即執(zhí)行輸入指令，指令產(chǎn)生讀信號給ADC0809，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器中。整個數(shù)據(jù)采集過程中，由單片機有序地執(zhí)行若干指令完成。2.2采用LM331V/F轉換電路V/F 轉換方式是把電壓模擬量轉換成脈沖頻率信號，由單片機對脈沖頻率信號進行計數(shù)來實現(xiàn)A/D 轉換功能的。LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比比較高的集

13、成芯片。只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F變換電路，并且容易保證轉換精度。LM331的內部電路組成及其與外部器件構成的V/F轉換電路如圖1-1所示。圖1-1 LM331內部結構及V/F轉換電路圖以上兩種方案對轉換10V內的電壓信號都是可以實現(xiàn)的，但方案一電路中ADC 0809管腳較多，另外還需接鎖存器電路，所需的元器件較多，成本較大，而LM331是一個簡單的、廉價的電壓/頻率變換電路，非常適合用作模/數(shù)轉換，有極高的轉換精度，且十分適用于低電壓，低功耗的數(shù)字電路，十分適合用作光電隔離，有良好的共模抑制能力；并且V/F型A/D轉換器多采用電壓反饋形式，它除有較好的抗干擾能力外，還引入電位差計

14、的方法，提高了準確度和輸入阻抗，因而常被采用，所以考慮到實現(xiàn)電路的簡單性和性價比本設計采用方案二。第三章 切換開關的論證與比較3.1 采用繼電器固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關元件，它利用電子元器件的點，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單項可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。其具有零電壓導通，零電流關斷，與邏輯電路兼容（TTL、DTL、HTL）切換速度快、無噪音、耐腐蝕、抗干擾、壽命長、體積小，能以微小的控制信號直接驅動大電流負載等優(yōu)點；但也存在通態(tài)壓降，需要散熱措施，有輸出漏電流，交直流不能通用

15、，觸點組數(shù)少，成本高等缺點。3.2 多路模擬開關CD4051CD4051 是一個雙向8 通道多路開關，它有3 個二進制控制輸入端A、B、C和一個禁止輸入端，并由3 位二進制信號來選擇8 個通道中的一個通道。當INH為“1”時，通道斷開，禁止模擬量輸入；當INH 為“0，通道接通，允許模擬量輸入。它能實現(xiàn)邏輯電平轉換單元完成CMOS 到TTL 的電平轉換，因此這種多路開關輸入電平范圍廣，數(shù)字量輸入為315V，模擬量可達15V。 二進制譯碼器用來對選擇輸入端A、B、C 的狀態(tài)進行譯碼，并控制開關電路TG，使某一路開關接通，從而使輸入/輸出通道相連，達到自動切換的目的。對比以上兩種方案，方案一由于價

16、格高、切換觸點少、實際應用電隔離不理想，而方案二由于模擬開關CD4051 具有功耗低、速度快、無機械觸點、體積小、使用壽命長、價格、交直流通用、使用方便等優(yōu)勢，故自切換采用方案一即多路模擬開關CD4051 實現(xiàn)。第四章 系統(tǒng)總體設計4.1 系統(tǒng)組成原理積分式數(shù)字電壓表采用AT89S52 單片機作為主要控器，系統(tǒng)由過壓程保護電路、分壓及量程切換電路、AC/DC 變換電路、V/F 轉換電路、單片機最小系統(tǒng)及外圍顯示接口電路等幾個功能模塊組成。本系統(tǒng)基本組成框圖如圖2-1 所示。AT89S52單片機分壓器(量程轉換)過 壓 保 護壓保護被 測 點 壓路V/F轉換電路小數(shù)點驅動（配合被測量與量程）LE

17、D顯示圖2-1 數(shù)字電壓表基本組成框圖4.2 硬件系統(tǒng)流程概述被測模擬電壓經(jīng)過初始最高擋位切換到最大分壓電路衰減后，接著由運算放大器OP07 進行放大后，再送給比較電路判斷量程是否合適并選擇合適的量程，然后將電壓信號送到由壓頻轉換芯片LM331構成的V/F 轉換電路轉換成相應的脈沖信號。脈沖信號經(jīng)過隔離后由單片機在固定時間（50ms）內對脈沖信號進行計量，從而完成A/D 轉換的功能。最后由單片機對A/D 轉換的結果進行標度變換，得到被測電壓數(shù)值 (BCD 碼)，通過單片機驅動四個LED 數(shù)碼管顯示結果。第五章 各種顯示器件的介紹和選擇51 常用顯示器件簡介本次設計中有顯示模塊，而常用的顯示器件

18、比較多，有數(shù)碼管，LED點陣，1602液晶，12864液晶等。數(shù)碼管是最常用的一種顯示器件，它是由幾個發(fā)光二極管組成的8字段顯示器件，其特點是價格非常的便宜，使用也非常的方便，顯示效果非常的清楚。小電流下可以驅動每光，發(fā)光響應時間極短，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長。但數(shù)碼管只能是顯示09的數(shù)據(jù)。不能夠顯示字符。這也是數(shù)碼管的不足之處。LED點陣顯示器件是由好多個發(fā)光二極管組成的。具有高亮度，功耗低，視角大，壽命長，耐濕，冷，熱等特點，LED點陣顯示器件可以顯示數(shù)字，英文字符，中文字符等。但用LED點陣顯示的軟件程序設計比較麻煩。1602液晶是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16*2即32個

19、字符。1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。使用時直接編寫軟件程序按一定的時序驅動即可。它的特點是顯示字跡清楚，價格相對便宜。12864液晶也是一種工業(yè)字符型液晶，它不僅能夠顯示1602液晶所可以顯示的字符，數(shù)字等信息，而且還可以顯示8*4個中文漢字和一些簡單的圖片，顯示信息也非常的清楚。使用時也直接編寫軟件程序按一定的時序驅動即可。不過它的價格比1602液晶貴了很多。在本設計中，我們只需要顯示最后電壓的數(shù)字值和電壓的單位，綜合上面各種顯示器件的特點：數(shù)碼

20、管只能顯示數(shù)字，不能顯示單位字符，不符合本設計的要求。而點陣顯示器件驅動顯示軟件程序編寫麻煩，占用的引腳相對也較多。也不是理解的顯示器件。所以在本設計中，我們考慮用液晶顯示器件，雖然12864液晶比1602液晶的功能強，不過在價格方面卻貴了好多。而1602液晶也足夠滿足本設計的需要。因此，在本設計實驗我們選擇1602液晶顯示器件。52 1602液晶的參數(shù)資料示模塊的顯示器件。以下是1602液晶的各方面我們選擇了1602液晶做為本設計的顯參數(shù)：1接口信號說明：編號符號引腳說明1VSS電源地2VDD電源正極3VL液晶顯示偏壓信號4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端5R/W讀/寫選擇端6E使能信號8-14D0-D

21、7Data I/O15BLA背光源正極16BLK背光源負極2基本操作時序：1. 讀狀態(tài)：輸入：RS=0，RW=1，E=1。輸出：D0-D7為狀態(tài)字2. 寫狀態(tài)：輸入：RS=0，RW=0，D0-D7為指令碼，E為高脈沖。輸出：無3. 讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=1，RW=1，E=1。輸出：D0-D7為數(shù)據(jù)。4. 寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=1，RW=0，D0-D7為數(shù)據(jù)，E為高脈沖。輸出：無3狀態(tài)字說明STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0STA0-6當前數(shù)據(jù)地址指針的數(shù)值STA7讀寫操作使能1：禁止 0：允許 4指令的說明。 顯示模式設置 指令碼 功能00111000設置16*2顯示

22、，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)口 顯示開/關及光標設置 指令碼 功能00001DCBD=1開顯示；D=0關顯示C=1顯示光標；C=0不顯示關標B=1光標閃爍；B=0光標不顯閃爍000001NSN=1當讀寫一個字條款后地址指針加一，且光標加一。N=0當讀或寫一個字符后地址指針減一，且光標減一。S=1當寫一個安條款，整屏顯示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光標不移動而屏幕移動的效果。S=0當寫一個字符，整屏顯示不移動。數(shù)據(jù)控制： 指令碼 功能80H+地址碼（0-27H，40H-67H）設置數(shù)據(jù)地址指針01H顯示清屏：1，數(shù)據(jù)指針清0 2，所有顯示清002H顯示回車：數(shù)據(jù)指針清0第六章 硬件電路系統(tǒng)模

23、塊的設計6.1過保護電路通常的數(shù)字電壓表出于耐壓和安全考慮， 規(guī)定直流最高電壓量程為1000V，交流電壓最高擋的量程通常限定為750V（有效值）。通?？梢圆捎没鸹ǚ烹娖骰驂好綦娮杵髯鳛檫^壓保護。壓敏電阻器是電壓靈敏電阻器VS（Voltage-Sensitive Resistor）的簡稱，屬于一種新型過壓保護元件。壓敏電路器是由氧化鋅（ZnO）為主要材料制成的金屬氧化物半導體陶瓷元件，其電阻值可隨端電壓的不同而變化。壓敏電阻器的工作范圍很寬（63000V，有多種規(guī)格），對電壓脈沖響應快（響應時間僅為幾至幾十鈉秒），耐沖擊電流能力強，通流量（通流量表示在規(guī)定時間8/20s 之內，允許通過脈沖電流的

24、最大值，其中，脈沖電流從90%VP 到VP 的時間為8s，峰值持續(xù)時間為20s）指標可達100A20KA，漏電流?。ǖ陀趲字翈资玻?，工作穩(wěn)定可靠。其電阻溫度系數(shù)小于0.05%/。壓敏電阻器伏安特性如圖3-1（a）所示。其伏安特性具有對稱性，在正、反向伏安特性中能起到穩(wěn)壓作用，元件本身沒有極性，因為它還可作為小電流（小于1mA）的雙向限幅器或穩(wěn)壓管。圖中的V1mA、V1mA分別表示通過1mA、-1mA 直流電流時的耐壓值。圖3-1 壓敏電阻及其構成的保護電路用壓敏電阻器構成的電壓擋過壓保護電路如圖3-1（b）所示。它直接接在分壓器件前面，不需要加限流電阻。壓敏電阻器的標稱電壓值應根據(jù)實際電路

25、需求來確定，本文采用850 規(guī)格的壓敏電阻器作為其保護電路。6.2 電壓信號采樣電壓測量部分電路如圖3-2 所示。該電路是以200mV 作為基本量程，共設5 擋：200mV、2V、20V、200V、1000V。圖中，R1R5 為分壓電阻，均采用誤差較小的精密金屬膜電阻（相對誤差為0.5%），五個電阻的總和為10 。在實際應用中，由于高阻值的精密電阻難以購到，R1（9 ）可由兩只標稱值為4.5 的配對電阻串聯(lián)而成，而分壓電阻R5（1 ）可由900和100電阻串聯(lián)而成。圖3-2 直流電壓測量電路實際設計時是根據(jù)各擋的分壓比和總電阻來確定各分壓電阻的。如先確定 (3-1)再計算1000V 擋的電阻

26、(3-2)再逐擋計算、。盡管上述最高量程擋的理論量程是2000V，但通常的數(shù)字電壓表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量程為1000V。顯然，此擋滿量程時，輸出電壓為1000V乘以0.0001 等于0.1V。即100mV，同理可以算出量程為200V 擋的分壓系數(shù)等于0.001，滿量程時輸出電壓為0.2V，即200mV。20V、2V、200mV 擋的分壓系數(shù)為0.01、0.1 和1。總之，通過分壓電路，使被測電壓一律減至200mV 以下，之后再放大10 倍送給V/F 轉換電路進行電壓頻率變換后送入單片機處理和顯示。6.3 自動量程切換接口電路6.3.1 基本原理自動量程切換接口由10 倍放大器電路

27、、欠量程識別電路、換程控制電路組成，結構框圖如圖3-6 所示。圖3-6 自動量程切換接口方框圖電路工作原理如下：當電路上電后，換程控制電路自動將量程設置為最高擋，即衰減為0.0001，然后欠量程識別電路對放大后的輸出Uo 進行判斷。判斷標準是以和它相配的A/D 轉換器的輸入上限作為其上限閥值Umax，以9%Umax 作為其下限閥值Umin，UoIi，而Ii=Vi/R，且兩者極性相反，所以Vo波形開始回掃，經(jīng)過T2時間，單脈沖發(fā)生器恢復原態(tài)，K又斷開，積分器又在Ii作用下輸出負斜波。上述過程周而復始進行，在比較器的的輸出端得到一系列的負脈沖。設Ii在時間T1 內注入積分器的電荷Q1 ，Ii和Io

28、共同作用的時間為T2，他們注入相加點A的電荷為Q2，則可列出如下方程： (3-8) (3-9)因為，所以 (3-10) (3-11)當、和、均為恒定值時，則有 (3-12) (3-13) (3-14) (3-15)上式是根據(jù)電荷平衡原理得到的脈沖頻率和輸入信號Vi 之間的線性關系。V/F 轉換器只是整個V/F 式ADC 的核心部分，為了實現(xiàn)A/D 轉換，還需要增加時基電路，以便把脈沖串變化為十進制或BCD 碼的數(shù)字量。圖3-13 給出了完整的V/F 式ADC 的原理框圖。 圖3-13 V/F 式ADC 原理框圖下面的小節(jié)以課題中采用的LM331 為例，具體介紹V/F 式ADC 電路的工作原理。

29、6.4.2 LM331芯片介紹LM331 是美國NS 公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器、A/D 轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。LM331 采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低4.0V 電源電壓下都有極高的精度。LM331 的動態(tài)范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.001%，工作頻率低到0.1Hz 時尚有較好的線性；變換精度高。數(shù)字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F 或F/V 等變換電路，并且容易保證轉換精度。LM331 的內部電路組成如圖3-14(粗線內)所示。由輸入

30、比較器、定時比較器，R-S 觸發(fā)器、輸出驅動管、復零晶體管、能隙基準電路、精密電流源電路、電流，開關、輸出保護管等部分組成。輸出驅動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.040V 之間，輸出可高達40V，而且可以防止Vcc 短路。圖3-14 LM331 內部結構框圖如果按照圖3-14 接上外圍的電阻、電容元件，就可以構成精度相當高的壓控振蕩器。下面具體分析一下它的工作過程。當輸入端Vi+輸入一正電壓時，輸入比較器輸出高電平，使R-S觸發(fā)器置位，Q輸出高

31、電平，輸出驅動管導通，輸出端f0為邏輯低電平，同時，電流開關打向右邊，電流源IR對電容CL充電。此時由于復零晶體管截止，電源Vcc也通過電阻Rt對電容Ct充電。當電容Ct兩端充電電壓大于Vcc的2/3 時，定時比較器輸出一高電平，使R-S觸發(fā)器復位，Q輸出低電平，輸出驅動管截止，輸出端fo為邏輯高電平，同時，復零晶體管導通，電容Ct通過復零晶體管迅速放電；電流開關打向左邊，電容CL對電阻RL放電。當電容CL放電電壓等于輸入電壓Vi時，輸入比較器再次輸出高電平，使R-S觸發(fā)器置位，如此反復循環(huán)，構成自激振蕩。圖3-15畫出了電容Ct、CL充放電和輸出脈沖fO的波形。設電容CL的充電時間為，放電時

32、間為，則根據(jù)電容CL上電荷平衡的原理，我們有： (3-16)從上式可得： (3-17)實際上，該電路的在很少的范圍內(大約10mV)波動，因此，可認為，故上式可以表示為： (3-18)圖3-15 電容充放電輸出波形圖可見，輸出脈沖頻率 與輸入電壓成正比，從而實現(xiàn)了電壓-頻率變換。式中由內部基準電壓源供給的1.90V參考電壓和外接電阻Rs決定， =1.90/Rs，改變Rs的值，可調節(jié)電路的轉換增益，由定時元件Rt和Ct決定，其關系是t1=1.1RtCt，典型值Rt=6.8k，Ct=0.01F，=7.5s。 (3-19)由可知，電阻Rs、Rt和電容Ct直接影響轉換結果，因此對元件的精度要有一定的要

33、求，可根據(jù)轉換精度適當選擇。電容CL對轉換結果雖然沒有直接的影響。但應選擇漏電流小的電容器。電阻R1 和電容C1 組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉換精度。6.4.3 LM331V/F 轉換電路及與AT89S52 單片機接口電路（1）LM331V/F 轉換電路 圖3-16 為LM331V/F 轉換電路圖。圖中使7 腳偏流抵消6 腳偏流的影響，R1 和C1 組成低通濾波電路；6 端加入調零電路來補償單電源供電在小電壓輸入時引起的誤差。圖3-16 LM331V/F 轉換電路根據(jù)公式（3-19），當Rs=36 k , =360 k ,Rt=10 k ,Ct=470pF時，輸入0

34、10V電壓所對應的輸出頻率為0100KHz，即1mV對應10Hz。（2）LM331V/F 轉換器與AT89S52 單片機接口電路一般情況下，LM331 組成的V/F 電路中，管腳3 接負載電阻RL=10 ，電源+5V，這樣管腳3 頻率輸出端可直接與AT89S52 單片機的計數(shù)器T0 或T1相連接，通過輸入頻率，測知電壓值，如圖3-17 所示。圖3-17 LM331V/F 轉換器與AT89S52 接口電路如考濾到干擾等環(huán)境因素的影響，LM331輸出可采取光電隔離的方法，或傳輸線采用雙絞線、光導纖維等。為了提高精度和穩(wěn)定性，其中阻容元件要用低溫度系數(shù)的器件，最好是金屬電阻和聚苯已烯或聚丙烯電容器。

35、我們在LM331與AT89S52之間加入光電耦合電路4N35，又由于輸出頻率脈沖占空比不為1：1，如果直接輸給單片機計數(shù)則誤差較大，因此，需要先對頻率信號進行整形使其輸出為等寬的信號，可以采用D觸發(fā)器產(chǎn)品74HC74實現(xiàn)，其功能表如表3-3所示。表3-3 D觸發(fā)器74HC74功能表輸入輸出SDRDCPDQ- QLHHLHLLHHHHHLHHLLHHHLQO-QO由表可知道，輸入LM331轉換的頻率信號后Q輸出信號頻率為原來的一半，可以通過程序乘以2倍即可還原。圖3-18為最終的LM331與單片機的接口電路。圖3-18 整形與光電隔離的接口電路6.5 單片機系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路，復位電

36、路，電源。其原理圖如下： 此模塊中，單片機的晶振是12MHZ，C1和C2的電容是10UF，C3可選1-10UF。R1電阻為1K。6.6 輸入電路由于輸入電路的電壓比基準電壓（2V）高很多，因此在輸入電路必須加電壓衰減器。衰減電路可由開關來選擇不同的衰減率，從而切換檔位。則完整輸入電路如下： 通過計算，可知設計衰減器用的電阻R2，R3和R4分別為：9M，900K，100K控制檔位的開關是雙開關的，目地是能夠使單片機CPU自動識別檔位，即可用相應的檔位的數(shù)據(jù)轉換的算法計算出正確的電壓值。被測電壓輸入端、整理過的模擬電壓輸入端，開關與單片機的連接如圖所示。6.7 A/D轉換芯片與單片機的連接此設計中

37、選擇的是A/D轉換芯片的通道0，A/D芯片的數(shù)據(jù)輸入口連接單片機的P1.3口，數(shù)據(jù)輸出口連接單片機的P1.4口，芯片使能端連接單片機的P1.5口，脈沖端連接單片機的P1.6口。模塊連接如下圖所示。6.8 1602液晶與單片機連接此模塊液晶的RS，RW和E端分別連接單片機的P1.2，P1.1和P1.0口；液晶的數(shù)據(jù)各端口連接單片機的P0口。具體如下圖所示。6.9 鍵盤與單片機的連接此鍵盤的一端與單片機的P2.0口連接，另一端接地。原理圖如下所示。該鍵盤的功能：當鍵盤被按下時，即可計算后5秒的平均電壓值。第七章 系統(tǒng)軟件的設計7.1 匯編語言和C語言的特點及選擇本設計是硬件電路和軟件編程相結合的設

38、計方案，選擇合適的編程語言是一個重要的環(huán)節(jié)。在單片機的應用系統(tǒng)程序設計時，常用的是匯編語言和C語言。匯編語言的特點是占用內存單元少，執(zhí)行效率高。執(zhí)行速度快。但它依賴于計算機硬件，程序可讀性和可移植性比較差。而C語言雖然執(zhí)行效率沒有匯編語言高，但語言簡潔，使用方便，靈活，運算豐富，表達化類型多樣化，數(shù)據(jù)結構類型豐富，具有結構化的控制語句，程序設計自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特點。由于現(xiàn)在單片機的發(fā)展已經(jīng)達到了很高的水平，內部的各種資源相當?shù)呢S富，CPU的處理速度非常的快。用C語言來控制單片機無疑是一個理想的選擇。所以在本設計中采用C語言編寫軟件程序。7.2 積分式數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件流程

39、單片機主要的程序有數(shù)據(jù)采集模塊（包括脈沖計數(shù)、數(shù)據(jù)處理、中斷處理等幾個子模塊）、量程切換模塊、顯示模塊等主要的功能模塊。如圖4-1 為單片機主程序流程圖。主程序開始后，先進行對系統(tǒng)初始化，設置定時器T0 工作模式為方式1 計數(shù)狀態(tài)，T1 工作在方式1 定時，置位總中斷允許。初始化后，程序進入主循環(huán)。首先是進行電壓比較電路比較信號的查詢以此選擇合適的量程擋位，接著，啟動定時器T0、T1 工作進行脈沖信號的采集和計算，得到電壓值后經(jīng)BCD 碼轉換后先送顯示緩沖區(qū)再顯示。7.3 定時器T0、TI 中斷服務程序本課題以在200ms 內對信號進行計數(shù)，設定時器T0 工作在方式1 計數(shù)模式，初值為TH0=0，TL0=0，定時器T1 工作在方式1 定時模式定時50ms 則需進行4次即可。初值TH1=(65536-50000)/256=0X3C，TL0=(65536-50000) %256=0XB0。其中斷服務程序如4-2 所顯示。圖4-1 主程序流程圖7.4 電壓值計算子程序當定時器T1 定時次數(shù)達到設定值，即200ms 時，關定時器T0，讀取計數(shù)值T0count,計算頻率。頻率f=T0count*65536+TH0*256+TL0，然后根