推荐积分式直流数字电压表的设计 精品 精品.docx

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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

积分型直流数字电压表的设计

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……………………………………………………20

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，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：

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。

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。

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

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。

图6单片机控制、计数器电路

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；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，20XX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.20XX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

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

OP07

2

精密运算放大器

可调电阻

10KΩ

1

电阻

20Ω

1

200Ω

1

电容

47µF/16v

3

100µF/16v

2

二极管

1N4007

2

可调压稳压二极管

TL431AA

1

精度0.5%

精密电位器

2.2KΩ/2W

1

十圈线绕式

双积分A/D转换电路元件清单

运算放大器

Op07

2

精密运算放大器

电压比较器

LM311

2

高速精密

模拟开关

CD4066

2

电容

0.22uF

1

电阻

1KΩ

1

20kΩ

1

9kΩ

1

电压比较器

LM311

1

可调电阻

10KΩ

4

单片机部分电路元件清单

单片机

MEGA8

1

电容

100µF

1

0.1µF

1

22pF

2

电阻

10KΩ

1

晶振

　16MHz

1

显示电路元件清单

液晶

WYM1602A

1

可调电阻

1KΩ

1

电源电路元件清单

集成电路

CW7805

1

CW7905

1

CW7812

1

CW7912

1

电阻

10Ω

4

整流桥

RS307L

2

电容

0.1µF、

8

1000µF

12