邱忱

遼寧錦州渤海大學工學院

積分式直流數(shù)字電壓表的設計

邱忱

遼寧錦州渤海大學工學院

在測量電量中，電壓表起到了重要的作用。本文設計的積分式直流數(shù)字電壓表的組成部分主要包括了LCD模塊，模數(shù)模塊的轉化，同時還進行了軟、硬件設計。積分式直流數(shù)字電壓表增加數(shù)字電壓表的準確度，在一些特殊的應用場合中有著很重要的實踐意義。

積分式 A/D轉換器 電壓表

1 引言

數(shù)字電壓表指的是對連續(xù)的模擬量進行轉換，這是轉換的過程是一個從模擬量向數(shù)字化的過程，經(jīng)過轉換后能夠增強可讀性以及減少誤差。目前關于設計直流數(shù)字電壓表，通常在采集模擬信號中的樣本的時候，都會有固定的A/D轉換器，而且數(shù)字電壓表的精確度和轉換器的精確度有著直接的關系，同時對信號進行模擬數(shù)字轉換的過程中需要用到的電路主要包括了譯碼電路以及鎖存電路。這個轉換的過程比較復雜，所以為了增加數(shù)字電壓表的準確度，本文設計了積分式直流數(shù)字電壓表。

2 積分式直流數(shù)字電壓表的總體框架圖

本文設計的電壓表的組成部分主要分為模擬部分以及數(shù)字部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

在模擬電路的主要作用是給被測電壓的信號進行電路的選擇，選擇的轉換方式是雙積分A/D。雙積分A/D轉換器中所包括的組件主要有OP07集成的運算放大器以及LM393運算放大器，自動校零以及轉換量程的實現(xiàn)主要依靠的是CD4066電子開關，這個電子開關的最大優(yōu)勢就是能夠盡可能減少噪聲所引起的干擾。所以如果在噪聲比較嚴重的環(huán)境的時候，能夠選擇CD4066電子開關實現(xiàn)自動校零等功能。在數(shù)字電路部分中的控制器核心是AT89S52，其主要的用途是對光電耦合器中的數(shù)字信號進行控制。光電耦合器可以對多種噪聲起到抑制的作用，從而增大信噪比，通常情況下響應所延遲時間是在10μs范圍以內(nèi)，而且響應所花費的時間比較少，最終成功隔離了模擬信號以及數(shù)字信號。量程以及電壓值的顯示是通過6位數(shù)碼管LED實現(xiàn)的，這種實現(xiàn)方式是自動的。系統(tǒng)的總體電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體電路圖

3 雙積分型A/D轉換設計模塊

在雙積分型A/D轉換器的電路中，組成的部件主要分為n位二進制計數(shù)器、積分電路A、CP控制門G以及電壓比較器C和電子開關等，在4051多路控制電路的輸入端輸入測試數(shù)據(jù)，接著通過積分電路LT084，比較電壓值。

（1）首先需要把電壓轉化成時間T，轉化中需要保持T和輸入電壓是正比的關系。

（2）把時間T進一步轉化成數(shù)字量，讓數(shù)字量和T之間保持著正比的關系，接著再根據(jù)電壓轉換時間T2和輸入CP控制門中的TCP是反比的關系，從而可以得出轉換的數(shù)字量。將CP控制門打開，切斷控制電路S2，同時把S1和輸入電壓端連接起來，在積分電路中就會取U1的積分進行運算。當積分運算后的結果V0是小于0，比較器中輸出的VC等于1，將CP控制門G打開，計數(shù)器就會啟動計數(shù)操作。如果計數(shù)器中的計數(shù)數(shù)等于2n的時候，計數(shù)器的輸出值就都為0，然后將數(shù)據(jù)保存到鎖存器74LS373中，對數(shù)據(jù)進行控制處理。

4 雙積分A/D轉換器的設計

在雙積分A/D數(shù)字電壓表中有2個檔位，分別是200mV和2V，檔位顯示是用1位數(shù)碼管LED來表示的，此外量程的顯示范圍是從0到19999，是用5位表示的。本文設計的數(shù)字電壓表中的量程選擇是完全自動的。其中用Vi表示被測信號，將Vi傳入到電壓跟隨器中和參考電壓是200mV的進行對比。電子開關的狀態(tài)是通過單片機控制，如果輸入電壓比參考電壓大的話，信號就會進入到電子開關后直接進行了積分處理。如果輸入電壓是比參考電壓小的話，比較器中輸出的電平就是低電平，此時信號就會通過運算放大器OP07之后產(chǎn)生放大的信號，接著才被送到積分器中進行積分運算，最終量程也就實現(xiàn)了自動轉換。當電壓表是處于工作的時候，就將“零采樣期”插入，這種插入的方式是周期性的。雙積分電路原理圖如圖3所示。

圖3 雙積分電路原理圖

5 測量標定方法本設計方案

在標定的測量中采用的方法是分段標定。該部分主要是為了進行調(diào)試標定1鍵和標定2鍵，并且還可以為自動校零鍵進行校準。當電壓測量的值不對的時候，可能夠重新對量程進行標定。其中標定可以劃分成0、200mV以及2V標定等。

其中具體的標定過程總結為：

（1）調(diào)整輸入電壓為0，當前內(nèi)碼會顯示，根據(jù)自動校零鍵實現(xiàn)零點標定。

（2）調(diào)整輸入電壓為200mV，當前內(nèi)碼顯示，按下標定1鍵，就能實現(xiàn)標定200mV。

（3）調(diào)整輸入電壓為2V，當前內(nèi)碼顯示，按下標定2鍵，檔位改為2V擋，接著按下標定2鍵，實現(xiàn)標定2V的操作。誤差測量表如表1所示。

表1 測量誤差表

1802.80 1802.30 -0.70 0.039 2000.80 2001.00 -0.90 0.046

6 系統(tǒng)軟件設計

當數(shù)字電壓表是處于軟件運行中，首先進行的操作是進行系統(tǒng)的初始化，接著就會進行菜單的顯示以及電壓值的顯示，在顯示的這個過程中，需要進行數(shù)據(jù)的采集，然后通過模擬數(shù)字信號的轉化模塊就愛你攻二進制的數(shù)據(jù)輸入到單片機中，最后再LCD中顯示的是十進制的數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖

7 結語

作為眾多領域中應用廣泛的儀器設備，數(shù)字電壓表僅僅只可以顯示出電壓信號測量結果，積分式直流數(shù)字電壓表增加數(shù)字電壓表的準確度，在一些特殊的應用場合中有著很重要的實踐意義。

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