积分式直流数字电压表的设计

积分型直流数字电压表的设计学校：陇东学院系别：信息工程学院专业：计算机科学与教育班级：10级1班指导老师：马宏艳姓名：高治章梁明明2积分型直流数字电压表的设计目录摘要……………………………………………………………………3第一部分：系统方案……………………………………………………3第二部分：理论分析与计算…………………………………………4第三部分：电路与程序设计…………………………………………8总结……………………………………………………………………14参考文献………………………………………………………………14附录一主程序流程图………………………………………………15附录二元器件清单……………………………………………………17附录三部分源程序……………………………………………………203摘要：本设计为具有精度高，抗干扰强等优点的双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。第一部分系统方案一、总体方案设计与比较方案一：运用三极管产生积分电路，并用继电器控制导通性，并用计数器计数转换，这种电路误差较大，不能自动转换量程。方案二：用运放OP07产生积分电路，同时运用单片机控制模拟开关，从而自动转换，自动调零，同时对输入电压经过分段落处理，也经过放大，比较，来调节其电压，最终通过单片机对电压进行转换并用液晶显示出来，最终达到积分式直流电压表的目的。这种方案积分性好，容易控制，自动化强，精确高。1、总体电路构成本系统由输入放大与量程转换电路、双积分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。图1总体电路框图2、工作原理我们小组根据题目要求与发挥部分要求，选择方案二,电压比较器输入电压经过放大电路，比较电路，积分电路，最终把电压送入单片机进行处理，最终用液晶显示出来。灵活运用单片机控制模拟开关，利用单片机的自动调零，自动校零程控放大比较输出单片机显示积分电路输入电压电源4还有实现量程的自动转换的功能，然后，用液晶LCD128*64显示出来。二、各单元电路设计1、程控放大电路：完成输入信号的调理和量程（200mV，2V或更多）的转换。2、自动校零电路：输入电压信号经过信号调理电路（程控放大等）、双积分电路等处理，最后转化成时间信号，单片机将时间量化成数字信号输出。由于外界因素（如温度等）的影响，即使输入的电压信号等于0，输出的数值也不等于0，且数值随外界因素（如温度）的变化而变化，即零点漂移。实际测量值必须减除零点值才能反映真实的输入，完成自动校零功能。3、积分器电路：由运放组成，完成电压－时间的转换。4、控制部分：我们现在利用单片机软件编程与模拟开关硬件控制P1^3将量程分为200mv到2V发挥部分的第2项要求，同时实现自到转换的功能。这达到发挥部分的第7个要求。通过液晶LCD128*64里面数据可以显示达到十进制0~19999的显示功能，这完成发挥部分的第3项。同时再用单片机P1^1实现自动校零的功能。5、显示电路：完成人机对话。6、电源电路：为各电路提供电源。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：5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、积分式A／D转换器双积分电路是本系统的核心电路，由模拟开关、基准电压源、积分器和比较器构成。其电路原理框图如下图所示。6123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Nov-2007SheetofFile:D:\刘帅飞\baogao.DdbDrawnBy:Vx-VrefRCUo1S1S2Uo2图3积分式A／D转换器的原理图图3是一个双积分式A／D转换器的原理图。当S1打向Vx时，积分器对Vx进行固定时间（0～T1）的正向积分，当t=T1时，积分器的输出电压为：当S1打向-Vref时，积分器从t=T1时开始对-Vref进行反向积分。反向积分时间为T2=t2-t1，由三要素法可知：所以亦即式（1）式(1)表明反向积分时间T2与输入的模拟信号值Vx成正比。当两次积分完成后，过零比较器输出电平Uo2跳变为低电平，通知单片机停止定时，计算反积分时间T2。其工作波形图如下图所示。7123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Nov-2007SheetofFile:D:\刘帅飞\baogao.DdbDrawnBy:Vx-Vref000Uo1Uo2tttt1t2T1T2图4双积分式A／D转换波形图三、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、双积分A/D转换器模拟电路部分8图5双积分A/D转换器模拟电路部分二、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LCD128*64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。9图6单片机控制、计数器电路10P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/Vpp31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC4089S52JK-Y12MC722C8225V5V5V1234567891011121314151617181920LCD-DISENENRSRWCS1CS2RWRSCS1CS2GNDGNDGNDGNDVCCRSRWENDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2RESNCP0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7128X64液晶接口图7LCD128*64液晶显示电路三、基准电压产生电路图8基准电压信号生成电路自行设计了一个从0—100mV连续调节的模拟电压信号作为该系统的基准电压源，选用TL431AA，其电压精度可以达到0.5%；两组电压跟随器选用精密运放OP07；可变电阻RW101、RW103选用多圈精密可变电阻；11电位器RW102选用10圈线绕精密电位器。由TL431产生2.50V电压，经电位器RW101分压得到100mV电压送给第一组电压跟随器（由IC101组成）输入端。第一组电压跟随器的输出由多圈精密电位器RW102进行分压，分压后的信号由第二组电压跟随器（由U2组成）输出0--100mV的可调电压作为A/D转换电路的电压基准。四、主程序流程（见附录一）图9主程序流程图五、结论电路设计完成后，通过进行分辨率、测量误差以及转换速度测试，测试结果表明本设计达到了设计的基本和发挥部分的全部要求，并且具备自动校零和自动转换量程的功能。总结本系统采用双积分式A/D转换器将输入的直流电压ui转换成与ui成正比的时间间隔，在此期间用MEGA8单片机计数器对恒定频率的时钟脉冲计数，计数结束时，计数器记录的数字量正比于输入的模拟电压，从而实现模拟量到数字量的转换。在设计过程中，因为使用普通器件，元器件较多，而且输入信号较弱容易受到干扰，所以力求硬件电路简单，努力从工艺上下功夫，并对某12些电路进行创新。本系统达到了竞赛题目中的各项要求。同时，设计过程中遇到了许多困难，设计上还存在许多值得改进的地方。通过本次设计，我们深刻体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。参考文献：1.张军.AVR单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社，2005年2.曹建平.智能化仪器原理及应用.西安电子科技大学出版社.2004年3.杨志忠.数字电子技术.高等教育出版社.2000年附录一：主程序流程1314附录二：元器件清单元件清单直流基准电压产生电路元件清单器件名规格（型号）数量备注运算放大器OP072精密运算放大器可调电阻10KΩ1电阻20Ω1200Ω1电容47µF/16v3100µF/16v2二极管1N40072可调压稳压二极管TL431AA1精度0.155%精密电位器2.2KΩ/2W1十圈线绕式双积分A/D转换电路元件清单运算放大器Op072精密运算放大器电压比较器LM3112高速精密模拟开关CD40662电容0.22uF1电阻1KΩ120kΩ1169kΩ1电压比较器LM3111可调电阻10KΩ4单片机部分电路元件清单单片机MEGA81电容100µF10.1µF122pF2电阻10KΩ1晶振16MHz1显示电路元件清单液晶WYM1602A1可调电阻1KΩ1电源电路元件清单集成电路CW78051CW79051CW78121CW7912117电阻10Ω4整流桥RS307L2电容0.1µF、81000µF12