數(shù)字直流電壓表設(shè)計

積分型直流數(shù)字電壓表設(shè)計本設(shè)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(zhuǎn)換器部分采用普通元器件構(gòu)成模擬部分，利用MEGA8單片機(jī)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(jī)編程實現(xiàn)直流電壓表量程積分型直流數(shù)字電壓表的設(shè)計

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(shè)計…………4第四部分：測試方案與測試結(jié)果……6總結(jié)……………………6參考文獻(xiàn)………………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(shè)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(zhuǎn)換器部分采用普通元器件構(gòu)成模擬部分，利用MEGA8單片機(jī)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(jī)編程實現(xiàn)直流電壓表量程的自動轉(zhuǎn)換、自動校零、和液晶顯示等功能。關(guān)鍵詞：三斜積分，A/D轉(zhuǎn)換，電壓測量第一部分系統(tǒng)方案一、

總體電路構(gòu)成本系統(tǒng)由輸入放大與量程轉(zhuǎn)換電路、三斜積分A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)計數(shù)控制電路、LCD數(shù)字顯示器構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1總體電路框圖二、各單元電路設(shè)計1．輸入放大與量程自動轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計輸入放大與量程自動轉(zhuǎn)換電路的主要作用是提高輸入阻抗和完成量程轉(zhuǎn)換，本設(shè)計采用OP07集成運算放大器構(gòu)成同相比例放大電路，以提高電路的輸入阻抗，以達(dá)到題目要求，模擬開關(guān)CD4066在單片機(jī)的控制下形成不同的通斷組合，實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換和自動校零功能。2．積分式A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計雖然雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)的特點，在采用零點校準(zhǔn)的前提下，其轉(zhuǎn)換精度也可以做得很高，但顯著的不足是轉(zhuǎn)換速度較慢，并且分辨率越高，其轉(zhuǎn)換速度也就越慢。因此本設(shè)計采用了分立元件構(gòu)成的三斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器，可以較好的改善轉(zhuǎn)換速度慢的缺點，它的轉(zhuǎn)換速率分辨率的乘積比傳統(tǒng)的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器提高至少兩個數(shù)量級。3、單片機(jī)計數(shù)、控制電路的設(shè)計通過對A/D轉(zhuǎn)換電路的方案分析，本設(shè)計采用三斜積分電路和單片機(jī)編程實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。脈沖的計數(shù)功能由單片機(jī)實現(xiàn)，所以對單片機(jī)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(zhuǎn)換速度不低于2次/S;發(fā)揮部分要求分辨率15位,若采用MCS－51單片機(jī)實現(xiàn)控制和脈沖計數(shù)，轉(zhuǎn)換速度較慢。因此本設(shè)計采用了MEGA8單片機(jī)實現(xiàn)控制和脈沖計數(shù)。MEGA8單片機(jī)具有速度高、超功能精簡指令等特點，采用16MHZ晶振，完全能滿足分辨率15位和轉(zhuǎn)換速度2次/S的要求。4、顯示電路本設(shè)計采用點陣式液晶顯示器（LCD）顯示。液晶顯示器顯示功能強(qiáng)大，可顯示各種字體的數(shù)字、圖像，還可以自定義顯示內(nèi)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(jī)界面。第二部分理論分析與計算

一、輸入放大與量程自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。輸入電路的核心是輸入放大器和模擬開關(guān)CD4066組成的量程自動轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。TG1、TG2是單片機(jī)控制的模擬開關(guān)，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(dǎo)通，放大電路被接成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器。放大倍數(shù)A及最大的輸出電壓U分別為：圖2輸入放大與量程自動轉(zhuǎn)換電路U=200mV×20=4V（2）2V量程。TG1導(dǎo)通，此時的電壓放大倍數(shù)A及最大的輸出電壓U分別為：U=200×20=4V由上述計算可見，輸入A／D轉(zhuǎn)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(fù)反饋放大器形式，輸入電阻高達(dá)10000?，完全達(dá)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A／D轉(zhuǎn)換器圖3三斜積分式A／D轉(zhuǎn)換器的原理圖圖3是一個三斜積分式A／D轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由基準(zhǔn)電壓-V、、積分器、比較器和由單片機(jī)構(gòu)成的計數(shù)控制電路組成。轉(zhuǎn)換開始前，先將計數(shù)器清零，并接通S使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開始，斷開S。整個轉(zhuǎn)換過程分三步進(jìn)行：首先，令開關(guān)S置于輸入信號U一側(cè)。積分器對U進(jìn)行固定時間T的積分。積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為：可見積分器的輸出電壓與U成正比。這一過程也稱為轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓U的采樣過程。圖4三斜積分式A／D轉(zhuǎn)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(dāng)計數(shù)器達(dá)到滿量程N，此時計數(shù)器由全“1”恢復(fù)為全“0”，這個時間正好等于固定的積分時間T，。計數(shù)器復(fù)“0”時，同時給出一個溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號，令開關(guān)S轉(zhuǎn)換至參考電壓-V一側(cè)，采樣階段結(jié)束。三斜積分式A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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TT兩部分。在T期間，積分器對基準(zhǔn)電壓-V進(jìn)行積分，放電速度較快；在T期間積分器改為對較小的基準(zhǔn)電壓進(jìn)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(jìn)行計數(shù)。在T期間,從計數(shù)器的高位(2位)開始計數(shù)，設(shè)其計數(shù)值為N；在T期間，從計數(shù)器的低位（2位）開始計數(shù)，設(shè)其計數(shù)值為N。則計數(shù)器中最后的讀數(shù)為:N=N×2+N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|T=VT+(V/2)T其中:T=NTT=NT將上式加以整理得：將上式進(jìn)一步整理，可得三斜式積分式A/D轉(zhuǎn)化器的基本關(guān)系式為本設(shè)計中，取m=8，時鐘脈沖周期Tc=120us，基準(zhǔn)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A／D轉(zhuǎn)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A／D轉(zhuǎn)換器可以使轉(zhuǎn)換速度大幅度提高。

三、計數(shù)器的設(shè)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(shè)計采用MEG8單片機(jī)實現(xiàn)控制和脈沖計數(shù)，構(gòu)成16位計數(shù)器，內(nèi)部采用16MHZ晶振，完全滿足分辨率15位和轉(zhuǎn)換速度2次/S的要求。

第三部分電路與程序設(shè)計一、三斜積分A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路部分

圖5三斜積分A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路部分

圖5為三斜積分A/D轉(zhuǎn)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(guān)TG1、TG2、TG3、TG4、TG5、TG6、TG7、TG8均選用模擬開關(guān)CD4066芯片，只要將CD4066控制端接到單片機(jī)不同控制端口PBX上即可實現(xiàn)不同的開關(guān)通斷控制。TG1為自動校零控制、TG2、TG3為量程自動轉(zhuǎn)換控制，TG4、TG5、TG6控制積分的三個階段，TG7、TG8為轉(zhuǎn)換開始前的控制。

二、單片機(jī)控制、計數(shù)、顯示部分電路采用MEGA8單片機(jī)實現(xiàn)對CD4066模擬開關(guān)的通斷控制，從而實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換、自動校零以及三斜積分A/D轉(zhuǎn)換過程的控制；同時利用單片機(jī)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和測量電壓值的顯示。單片機(jī)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(jī)控制、計數(shù)器電路

圖7LCD液晶顯示電路

三、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路圖8基準(zhǔn)電壓信號生成電路自行設(shè)計了一個從0—100mV連續(xù)調(diào)節(jié)的模擬電壓信號作為該系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓源，選用TL431AA，其電壓精度可以達(dá)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(jìn)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(diào)電壓作為A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓基準(zhǔn)。

四、主程序流程（見附錄一）第四部分測試方案與測試結(jié)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(guān)鍵部分進(jìn)行了實際測試。一、分辨率和測量誤差我們從信號源輸入0—2V連續(xù)調(diào)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(zhuǎn)換電路的分辨率和測量誤差進(jìn)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(jìn)行了測試，結(jié)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）0.964.9850.04149.971