积分式直流数字电压表的设计

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
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 (20)
2
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
自动
程控放大 比较输出
单片机 显示
积分电路
输入电压
电源
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A
f 及最大的输出电压U
omx
分别为：
图2 输入放大与量程自动转换电路=200mV×20=4V
U
omx
（2）2V量程。

TG1导通，此时的电压放大倍数A
及最大的输出
f
分别为：
电压U
omx
=200×20=4V
U
omx
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。

Vx -Vre f
R
C
Uo1
S1
S2
Uo2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。

3
Vx -Vr e f 0
Uo 1
Uo 2
t
t t
t1
t2
T 1
T 2
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
P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78R ST/VP D 9P3.0/R x D 1
0P3.1/Tx D 11P3.2/INT 012P3.3/INT 113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/W R 16P3.7/R D 17X TA L218X TA L119G ND 20
P2.0
21
P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PS EN 29A LE/PR OG 30EA /Vp p 31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039V CC 40
89S52
J K -Y 12M C 722
C 8
22
5V
5V 5V
1234567891011121314151617181920
LCD -D IS
EN EN
R S R W C S1C S2
R W R S C S1C S2
G ND G ND G ND
G ND V CC R S R W EN D B0D B1D B2D B3D B4D B5D B6D B7C S1C S2R ES N C P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7
P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7
128X64液晶接口
图7 LCD128*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
转换成与本系统采用双积分式A/D转换器将输入的直流电压u
i
u
成正比的时间间隔，在此期间用MEGA8单片机计数器对恒定频i
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，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
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
10K
Ω
1
电
阻
20Ω 1
200
Ω
1
电
容
47µF
/16v
3
100µ
F/16
2
v
二极管1N40
07
2
可调压
稳压二极管TL43
1AA
1
精
度
.
5
%
精
密电位器2.2K
Ω
/2W
1
十
圈
线
绕
式
双积分A / D 转换运
算
放
大
器
Op07 2
精
密
运
算
放
大
器电LM31 2 高
电路元件清单压
比
较
器
1 速
精
密
模
拟
开
关
CD40
66
2
电
容
0.22
uF
1
电
阻
1KΩ 1
20k
Ω
1
9kΩ 1
电
压
比
较
器
LM31
1
1
可
调
电
10K
Ω
4
阻
单片机部分电路元件清单单
片
机
MEGA
8
1
电
容
100µ
F
1
0.1µ
F
1
22pF 2 电
阻
10K
Ω
1
晶
振
16MH
z
1
显示电路元件清单
液
晶
WY
M160
2A
1
可
调
电
阻
1KΩ 1
电集CW78 1
源电路元件清单成
电
路
05
CW79
05
1
CW78
12
1
CW79
12
1
电
阻
10Ω 4
整
流
桥
RS30
7L
2
电
容
0.1µ
F、8
1000
µF
1
2。