积分式直流数字电压表
积分式直流数字电压表
文章 编号 ：０９ ９ ４ （００ ２一 ｌ１０ １０— １Ｘ ２ １） １ ＯＯ ２
１系统设 计 １ １设计 要 求 ． （） 务 ： １任 设 计并 制作 积分 型 直流 数字 电压 表 （） ２ 要求 ： ｉ 、测 量范 围 ： ｍ ～２ ２ １ ｖ ｖ： 、量程 ： ０ ｍ 、２ ： 、显示 范 围 ： 进制 数 ２０ｖ ｖ３ 十 ０ １９ ９ ４ ～ ９ ９ ： 、测量 分辨 率 ： ．ｍ （Ｖ档） ５ ０ １ｙ２ ： 、测量 误 差 ： ≤± ０ ０ ％± ５ ．５ 个 字 ： 、具 有抑 制 工频 干扰 功 能 ： 、具 有 自动校 零 功 能 ： 、 具有 自动 量程 转 ６ ６ ７ 换功 能 ： ８、 具有 其 它功 能 。 （） 明 ： ３说 在 电路 中应 有 可测 得 积 分 波形 的测 试 点 。 １２ 总体设 计 方案 ． ｉ 、设 计 思 路 ： 根据 题 目要求 ， 设计 制作 一个 不采用 专 用ＡＤ ／转换 器 芯片 的积分 式 四位 半 直流数 字 电压表 。数 字 电压表 简称 Ｄ Ｍ 它 是采 用数 字化 测量 技术 ， Ｖ， 把连 续 的 模拟量 （ 流输 入 电压） 直 转换 成不 连续 、离散 的数 字形 式 并加 以显 示 的仪 表 。 因此， 设计核 心 在与模 拟与 数字 的转 化， 本设计 以Ａ ８８ ２ Ｔ ９５ 为系 统控制 的核心， 采 用双 斜 式积 分法 进行 模 数转换 后 通 过液 晶将 其数 值显 示 ： 电路 中尽量 采用 中 、大 规 模 集 成 电路 来 完 成 。 ２、方 案论 证 与 比 较 ： （） １ 核心 控制 器模 块选 择方 案 采用 Ａ ｍ ｌ 司的 Ａ ８８ ２ 片机 作为 系统 的控 制器 。单片 机算 术运 算 ｔｅ 公 Ｔ９５ 单 功 能强， 软件编 程灵活 ， 可用 软件 较简单 地实现 各种 算法和 逻辑控 制， 并且 由于 其 成本 低 、体 积 小和 功 耗 低等 优 点 ， 其 在各 个 领 域运 用 广 泛 。 使 （）／ 转 换模 块选 择方 案 ２Ａ Ｄ 方案 一 ： 逐次逼 近 式 Ａ Ｄ 换， ／转 利用 的是 ： 二分 搜索 、 反馈 比较 、逐次 逼 近 的转 换原 理， 极其 类似 与 生活 中天 平称 重 原理 。但 由于逐 次逼 近 比较 式存 在 量化 误 差． 对被 测 电压 的 瞬时 值产 生 响应 ， 对 串模 干扰 没 有抑 制 能力 。 ， 故
基于avr单片机实现积分式直流数字电压表的设计
摘要 ：设 计 中的数 字 电压 表 采 用 Ａ ｍ ｇ８单 片机 芯 片 、运 算 放 大 器 Ｌ ５ Ｔ ｅａ Ｍ３８芯 片及 电压 比较 器 Ｌ ３３等 芯片 ，完成 ３位 半数 字 电 压表 的硬 件 电路 与软 件 设 计 。控 制 系统 由量 程 切 换 、单 斜 积 分 式 Ｍ９
Ａ Ｄ转换 电路 等模 块构 成 ，将 检 测到 的数 据送 入 Ｐ 系统 ，实现计 算 、存 储 、控 制 等功 能。该 数 字 电 ／ Ｃ
的译 码 和锁存 电路 把模 拟 信号转 换 成合适 的数字 信 号 ，这样 就 使 系 统 的 电路 设 计 相 对 复 杂 。 因
此 ，为 了提高 直 流数字 电压 表 的准确 度 ，本文 提
１ 数 字 电压 表 总体 设 计
１ １ 电 路设计 原理 ．
系统 以 Ａ ｍｅａ Ｔ ｇ８单 片 机 芯 片 、运 算 放 大
Ｎ． ｏ１
Ｍａ ． ２ ｏ ｒ ０８
文章编号 ：１ ８－ ０ ５ （ ０ ８ ｌ ｏ ｌ ４ ０ － ８７ ２０ ）Ｏ —０ ３ —ｏ ０
基于ａ 单 机实 积 直 数 压 设 ｖ 片 现 分式 流 字电 表的 计 ｒ
骆 旭 坤
（ 明职 业大学计 算机 与信 息工程 系 福 建 黎 泉州 ３２ ０ ） ６ ００
器Ｌ ５ Ｍ３ ８芯 片及 电压 比较 器 Ｌ ９ Ｍ３ ３芯 片 为核 心 ，
硬件 电路 包 括 量 程 选 择 电路 、单 斜 式 积 分 Ａ Ｄ ／ 转换 电路 、单 片机 以及 外 围 电路 。 图 １为 系统 原
理框 图 。
出采用 单斜 式 积 分 Ａ Ｄ 转 换 技术 ，将 被 测 得 电 ／ 压信 号 变换成 一 段 时 间 间 隔 Ｔ ｍ，通 过 两 者 的关
数字电压表的原理
数字电压表的原理 Hessen was revised in January 2021数字电压表的原理DVM的种类有多种，分类方法也很多，有按位数分的，如3/2位、5位、8位；有按测量速度分的，如高速、低速；有按体积、重量分的，如袖珍式、便携式、台式。
但通常是按A／D转换方式的不同将DVM分成两大类，一类是直接转换型，也称比较型；另一类是间接转换型，又称积分型，包括电压－时间变换（VT变换）和电压－频率变换（V-f变换）。
（1）逐次逼近比较型逐次逼近比较型是利用被测电压与不断递减的基准电压进行比较，通过比较最终获得被测电压值，然后送显示的。
虽然逐次比较需要一定时间，要经过若干个节拍才能完成，但只要加快节拍的速度，还是能在瞬间完成一次测量的。
图1是逐次逼近比较型的原理框图。
图中，数码可把由基准电压源输出的高稳定性电压Db分成若干个步进小电压Db1、Ub2、Ub3等，而且这些步进电压的前一个值比后一个大一倍，用二进制表示则刚好增加一位，例如，取基准电压Ub为1O24mV，并将其分成512mV、256mV、 128mV、 64mV、 32mV、16mV、 8mV、 4mV、 2mV、 1mV等若干电压，然后通过控制将Ub逐个送到与被测电压进行比较。
所取出的Uu应按从大到小顺序取出，也就是先取最大的电压Ub1与U，，进行比较，若Ub1＞Ux，就由数码寄存器输出一个数码“0”，并舍去Db1；若Ubt≤Ux，则由数码寄存器输出一个数码“1”，并保留Dbl，以便与下一个取出的步进电压Ub2相加，相加后的电压重新与被测电压在比较器中进行比较，并重新输出数码，决定取舍。
这个原则称为从大到小、舍大留小的原则。
按此原则逐个取出Ub进行比较后，将数码寄存器输出的二进制码按序排列就会等于被测电压值。
图1 逐次逼近比较型数字电压表的原理框图例如，被测电压Ux＝372mV，步骤如下。
①先取Dbl＝512mV，在比较器中进行比较，由于Ub1＞Ux．，舍去Ub1，输出“0”。
高速积分式直流数字电压表
器的输入端 ，进行 两次 方向相反的积 分，
积 分 时 间常 数 Ｔ Ｒ 。 ＝ Ｃ （）过 零 比较 器 ２
过 零比较器用来确 定积分器 的输 出
电压 Ｖ ０过 零 的时 刻 。 当 Ｖ ≥０时 ， 较 Ｏ 比 器输 出 Ｖ ｃ为低 电平 ： 当 Ｖ ＜ ０ ０时 ， ｃ为 Ｖ
及 电网电压波动有较好的抑制性。
方波 ， 占空 比 为 ５ ％ ： Ｏ 小 的 门信 号 。
路构成 的控制器对积 分 电路的积 分门限 和计数门限进行控制 ， 并协调显示输出 电 压 值 。经 测试 ， 电压 测 量精 度 可 达 到 ００ ０ 伏 ，电压采集 的时 间分辨率可达 ．０ １
到 ０１秒 ， 且 对 环 境 温 度 、 ． 并 电磁 干 扰 以
控 制 部分 原 理
电路工作过程 分为以下 ４个阶段进
行：
（ 积 分器 １ ）
度， 提高 电压 采集 中的抗干扰性 能 ， 设 本
计 采 用 基 于 数 字 电路 和 模 拟 电路 并 结 合 Ａ ８ Ｓ １ 片机 的 系统 ，先通 过 两 片 运 Ｔ９ ５ 单
控制信号说明： Ａ 、 ０ Ａ１ 为 积 分 控 制 开 关 ，０通 ，１ １ ０
Ｆ ｎ 组成 ｎ级计数器 ， Ｆ 一１ 对输入时钟脉冲
Ｃ Ｐ计 数 ，以便 把 与 输 入 电压 平 均 值 成 正
比的时间间隔转变成数字信号输 出。 当计
数到 ２ ｎ个 时 钟 脉 冲 时 ，Ｆ Ｆ ０一Ｆ ｎ １均 Ｆ一 回 到 ０态 ，而 Ｆ ｎ翻 转 到 １态 ， ＝ Ｆ Ｑｎ ｌ后 开 关 Ｓ 从 位 置 Ａ 转接 到 Ｂ １ 。 （）时钟 脉 冲 控 制 门 ４
束， 计数停止。直接将十六进制转换 为十
数字电压表
教案首页A 、复习掌握三种模拟式交流电压表工作原理。
B 、新课数字电压表DVM数字电压表：直流数字电压表、交流数字电压表、数字万用表等（本章主要介绍直流数字电压表） 优点（与模拟相比）：精度高、测量速度快、输入阻抗高、读数准确、抗干扰能力和抗过载能力强、便于实现测量过程自动化等。
2.3.1 DVM 的主要技术指标1．测量范围（量程、显示位数和超量程能力）（1）量程 表示电压表所能测量的最小和最大电压范围。
基本量程：不经衰减器和输入放大器的量程（测量误差最小的量程）。
通常为1V 或10 V ，也有的为2 V 或5 V 。
（2）位数 表示数字电压表精密程度的参数。
完整位：能够显示0 ~ 9这十个数码的位。
四位数字电压表：最大显示数字为9 999和19 999的数字电压表。
为了区别把19 999的数字电压表称为214位数字电压表。
（3）超量程能力 指DVM 所能测量的最大电压超过量值的能力，它是数字电压表的一个重要指标。
是否有超量程能力，要根据它的量程分档情况及能够显示的最大数字情况决定。
典型例子无超量程能力：① 显示位数全是完整位的数字电压表。
② 带有21位的数字电压表，按2 V 、20 V 、200 V 分挡。
有超量程能力： ① 带有21位并以1V 、10 V 、100 V 分挡的数字电压表。
② 215位的数字电压表，在10 V 量程上，最大显示 9 V 电压，允许有100%的超量程。
提问讲解重点强调新授课③如果数字电压表最大显示为59 999，称为434位的数字电压表。
如量程按5 V 、50 V 、500 V 分挡，则允许有20超量程。
2．分辨力数字电压表能够显示输入电压最小变化值的能力，即显示器末位读数跳一个单位所需的最小电压变化值。
不同量程，分辨力不同。
量程越小，分辨力越高。
3．测量误差（只讨论固有误差） 在基准条件下的误差：)%%(m x U U U βα+±=∆式中 U x ——被测电压读数； U m ——该量程的满度值； α——误差的相对项系数； αU x ——读数误差，随被测电压而变化； β——误差的固定项系数； βU m ——满度误差，对于给定的量程，β U m 是不变的。
直流数字电压表的课程设计
3 元器件的介绍· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5
3.1 课程设计器材和供参考选择的元器件· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 3.2 3 A/D 转换器 MC14433· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·5 2 3.3 MC14433 引脚功能说明· 8 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3.4 七段锁存—译码—驱动器 MC4511· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10 3.5 七路达林顿驱动器阵列 MC1413· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12 3.6 高精度低漂移能隙基准电源 MC1403· 12 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
5 课程设计报告结论· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·13
数字电压表基本原理以及维修
数字电压表的基本原理就是将待测电压转换成数字量，经 过数字逻辑电路处理后以数字的形式输出，A/D转换器是它 的核心，A/D转换器分为积分式，比较式和复合式三种类型， 直流数字电压表相应地分为积分式，比较式和复合式三种 类型。目前，应用比较广泛的是双积分式DVM，其次是逐 次比较式DVM
《电子设备维修技术》
第六章 数字电压表原理与 修理
数字电压表原理 数字电压表检修程序 数字电压表常见故障及
检修
数字电压表（DVM， Digital Voltage Meter ）是一种利用 模-数转换原理,将被测电压模拟量转换成和它成正比的数字 量进行测量，并且将测量的结果用数字方式显示出来的电 子测量仪器
采用测试器件法检测上通道放大器V6 是否损坏或者变值
➢ 因为整个放大器的调零，是依靠上通道 放大器输入端的电位的调整来实现的
➢ 如果上通道放大器V6损坏了，调零电 位器RP2上的直流电压就不能作用到 A2的同相输入端，就会造成不能调零 的故障现象
如果上述测试都正常了，可以进一步采用改 变现状法和信号注入法检测集成运放A1和A2 的功能是否良好
➢ 脱焊双通道放大器的输出端，然后将输出端通过反 馈电阻网络接地，如果仪器能够显示稳定的 ±0.000数字，就表明故障存在于双通道放大器电 路中；如果还是调零不正常，则表明故障存在于后 面的积分器或者零电平比较器等单元电路中
➢ 然后采用波形观测法和分割测试法检测相关电路的 好坏
➢ 在这里，我们以双通道放大器电路的检修为例来进 行说明
综合实验三 位直流数字电压表
综合实验三213位直流数字电压表一、实验目的 1、了解双积分式A / D 转换器的工作原理2、熟悉213位A / D 转换器CC14433的性能及其引脚功能3、掌握用CC14433构成直流数字电压表的方法二、实验原理直流数字电压表的核心器件是一个间接型A / D 转换器，它首先将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。
1、V －T 变换型双积分A / D 转换器图3－1是双积分ADC 的控制逻辑框图。
它由积分器（包括运算放大器A 1 和RC 积分网络）、过零比较器A 2，N 位二进制计数器，开关控制电路，门控电路，参考电压V R 与时钟脉冲源CP图3－1 双积分ADC 原理框图转换开始前，先将计数器清零，并通过控制电路使开关 S O 接通，将电容C 充分放电。
由于计数器进位输出Q C ＝0，控制电路使开关S 接通v i ，模拟电压与积分器接通，同时，门G 被封锁，计数器不工作。
积分器输出v A 线性下降，经零值比较器A 2 获得一方波v C ，打开门G ，计数器开始计数，当输入2n个时钟脉冲后t ＝T 1，各触发器输出端D n-1～D O 由111…1回到000…0，其进位输出Q C ＝1，作为定时控制信号，通过控制电路将开关S转换至基准电压源－V R ，积分器向相反方向积分，v A 开始线性上升，计数器重新从0开始计数，直到t ＝T 2，v A 下降到0，比较器输出的正方波结束，此时计数器中暂存二进制数字就是v i 相对应的二进制数码。
2、213位双积分A / D 转换器CC14433的性能特点 CC14433是CMOS 双积分式213位A / D 转换器，它是将构成数字和模拟电路的约7700多个MOS 晶体管集成在一个硅芯片上，芯片有24只引脚，采用双列直插式，其引脚排列与功能如图18－2所示。
图3－2 CC14433引脚排列引脚功能说明：V AG （1脚）：被测电压V X 和基准电压V R 的参考地V R （2脚）：外接基准电压（2V 或200mV ）输入端V X （3脚）：被测电压输入端R 1（4脚）、R 1 ／C 1（5脚）、C 1（6脚）：外接积分阻容元件端C 1＝0.1μf （聚酯薄膜电容器），R 1＝470K Ω（2V 量程）；R 1＝27K Ω（200mV 量程）。
数字电压表工作原理
数字电压表工作原理
数字电压表是一种用于测量电压的电子仪器。
它的工作原理基于模拟到数字转换技术，将输入的连续变化的电压信号转换为数字信号，通过数字显示器显示出来。
数字电压表的主要组成部分包括输入部分、模数转换器（ADC）、显示部分和控制部分。
首先，输入部分将待测电压信号输入到模数转换器中。
在输入部分，可能还包括电压分压器等电路，用于将输入电压的幅值范围限定在模数转换器可处理的范围内。
然后，模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号。
模数转换器一般采用逐次逼近型（SAR）或者积分型（ΔΣ）转换器。
逐次逼近型转换器通过逐步逼近输入电压的幅值，得到与之对应的数字码。
积分型转换器则通过积分输入电压，得到数字码。
接着，数字信号经过处理后，传输到显示器中。
在数字电压表中，显示器通常采用数码管、液晶显示模块或者LED等显示
技术。
数字信号经过解码后，根据每个数字的编码显示相应的数字。
最后，控制部分用于控制整个测量过程和显示操作。
控制部分包括按键、微处理器等。
按键用于设置、控制测量功能和显示方式。
微处理器则进行信号处理、数据计算和显示控制等操作。
综上所述，数字电压表的工作原理是通过模拟到数字转换技术，
将输入的连续变化的电压信号转换为数字信号，并通过数字显示器显示出来。
这种工作原理保证了数字电压表的测量精度和可靠性。
《电子测量技术》课程标准(电子信息技术专业)
《电子测量技术》课程标准课程名称：电子测量技术 Electronic Measurement Technology课程性质：专业选修学分：2.5总学时：45，理论学时：36，实验(上机)学时：9适用专业：电子信息技术先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、微机原理一、教学目的与要求《电子测量技术》是电子信息、自动控制、测量仪器等专业的通用技术基础课程。
包括电子测量的基本原理、测量误差分析和实际应用，主要电子仪器的工作原理，性能指标，电参数的测试方法，该领域的最新发展等。
电子测量技术综合应用了电子、计算机、通信、控制等技术。
通过本课程的学习，培养学生具有电子测量技术和仪器方面的基础知识和应用能力；通过本课程的学习，可开拓学生思路，培养综合应用知识能力和实践能力；培养学生严肃认真，求实求真的科学作风，为后续课程的学习和从事研发工作打下基础。
二、教学内容与学时分配三、各章节主要知识点与教学要求第1章序论第一节测量的基本概念一、测量的定义二、测量的意义三、测量技术第二节计量的基本概念一、计量二、单位和单位制三、计量标准四、测量标准的传递第三节电子测量技术的内容，特点和方法一、电子测量二、电子测量的内容和特点三、电子测量的一般方法第四节电子测量的基本技术一、电子测量的变换技术二、电子测量的放大技术三、电子测量的比较技术四、电子测量的处理技术五、电子测量的显示技术第五节本课程的任务重点：测量的基本概念、基本要素；单位和单位制，基准和标准，量值的传递准则。
难点：量值的传递准则教学要求：理解测量的基本概念、基本要素，测量误差的基本概念和计算方法。
理解计量的基本概念，单位和单位制，基准和标准，量值的传递准则。
理解测量的基本原理，信息获取原理和量值比较原理。
理解电子测量的实现原理：变换、比较、处理、显示技术。
第2章测量误差理论与数据处理第一节测量误差的基本概念一、有关误差的基本概念二、测量误差的基本表示方法第二节测量误差的来源与分类一、测量误差的来源二、测量误差的分类第三节测量误差的分析与处理一、随机误差的分析与处理二、系统误差的判断及消除方法三、粗大误差的分析与处理第四节测量误差的合成与分配一、测量误差的合成二、测量测量不确定度及其合成三、误差分配及最佳测量方案第五节测量数据处理一、有效数字处理二、测量结果的处理三、最小二乘法与回归分析重点：测量误差的分类估计和处理，系统误差和粗大误差的判断及处理，不确定度的评定方法。
电子电压表的分类
A/D转换器是数字电压表的核心。
电子电压表的分类
电子电压表的分类
1、模拟式电压表 （1）分类
超低频（1kHz以下率分类
视频（30MHz以下） 高频或射频（300MHz以下） 超高频（300MHz以上）电压表
电压表（基本量程为V量级）
② 按测量电压量级分类 毫伏表（基本量程为mV量级）
均值电压表 ③ 按检波方式分类 峰值电压表 有效值电压表 检波-放大式电压表 ④ 按电路组成形式分类 放大-检波式电压表 外差式电压表
（2）组成方案 ①放大—检波式（视频毫伏表 ）：先放大再检波，因此灵敏度很 高，通频带窄。
②检波—放大式：先检波再放大，因此通频带很宽,灵敏度较低。
③外差式电压表（高频微伏表 ） 灵敏度高，通频带宽。
被测信号通过输入电路后，在混频器中与本机振荡器的振荡 信号混频，输出频率固定的中频信号，经中频放大器放大后进入 检波器变换成直流电压，驱动直流表头指针偏转。
2、数字电压表（DVM）
数字式电压表首先对被测模拟电压进行处理、量化，再由 数字逻辑电路进行数据处理，最后以数码形式显示测量结果。
图示DVM只能测量直流电压，要测量交 流电压需附加一个交流—直流变换器。
直流数字电压表主要根据A/D转换器的转换原理不同，可分为 以下几种类型。 （１）比较型数字电压表 测量精确度高、速度快，但抗干扰能力差。 （２）积分型数字电压表 抗干扰能力强，成本低，但转换速度慢。 （３）复合型A/D转换器 将比较型和积分型结合，取其各自优点，兼顾精确度、速度、 抗干扰能力，从而适用于高精度测量。
高精度数字直流电压表的设计
第 ３ 期 １
Ｓ ＩＮ Ｅ＆Ｔ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ Ｎ Ｏ ＭＡ Ｉ Ｎ ＣＥ Ｃ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ ＹＩＦ Ｒ ＴＯ
Ｏ机械与电子
戚 甫 峰 邵 红 （ 中国人 民解 放军 海军 航空 工程学 院青 岛分 院 山东 青 岛
２６４ ） ６ ０ １
图 ３ 三 斜 积 分 式 Ａ Ｄ转 换 器 的 原 理 图 ／
成 的三 斜 积 分 式 Ａ Ｄ转 换 器 ，可 以较 好 的 改 善 转 换 速度 慢 的缺 点 ， ／ 它 图 ３是 一 个 三 斜 积 分 式 Ａ Ｄ转 换 器 的原 理 图 。它 由 基 准 电压 一 ／ 的转 换 速 率 分 辨 率 的 乘 积 比传 统 的 双 积 分 式 Ａ Ｄ 转 换 器 提 高 至 少 两 Ｖ，、 ／ Ｐ 积分器 、 ｒ Ｆ 比较器和由单 片机构成 的计数控制电路组成 。转换开始 个数量级。 前 ， 将 计 数 器 清 零 ， 接 通 Ｓ 使 电容 Ｃ完 全 放 电 。 转 换 开 始 ， 开 先 并 。 断 １３ 单 片机 计 数 、 制 电 路 的设 计 ． 控 ｓ。整个 转 换 过 程 分 三 步 进 行 ： 。 首先 ， 开 关 Ｓ 置 于输 入 信 号 ｕ 一 侧 。 令 ，
的规 范 电压 为 ０ ４ 同时 电 路 被 接 成 了 电压 串联 负反 馈 放 大 器 形 式 ， — Ｖ， 输 入 电阻 高 达 １０ ０ ， 路输 入 端 采用 ＲＣ低 通 滤波 电路 抑 制 交 流 干 ００９电 ．
扰。 ２２ 三 斜 积 分式 Ａ Ｄ转 换 器 ． ／ 图 １ 总体 电路 框 图
１１ 输入 放 大 与 量 程 自动转 换 电路 的 设 计 ． 输 入 放 大 与 量 程 自动 转 换 电路 的 主 要作 用 是 提 高 输 入 阻 抗 和完
数字直流电压表设计(2)
电子技术课程设计报告题目名称：直流数字电压表的设计姓名：学号：班级：指导教师：目录一·摘要二·课程设计与任务要求（一）设计目的（二）设计要求三·总体设计思路与方案选择四·所用器件介绍（一）双积分MC14433功能介绍（二）MC14511B功能介绍（三）MC1413功能介绍（四）基准电源MC1403功能介绍五·设计框图与工作原理，测量电压的转换与显示原理六·数字电压表的安装调试七·元器件清单八·心得体会九·参考文献直流数字电压表一·摘要：传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。
而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。
数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，由电阻网络（量程调整）、直流放大（运放组成）、电压极性判断、A/D转换、数码（液晶）显示等部分组成。
PZ158A系列直流数字电压表具有6½位显示，可测量0.1µV—1000V直流电压。
该表由于采用了微处理器和脉冲调宽模数转换技术，自动校零，数字模拟滤波等技术，从而赋予本表极其稳定的零位和良好的线性和抗干扰能力，本表还带有RS232C接口，可方便地与计算机系统相连接，组成数据采集系统。
采用八位VFD或LED显示，其中PZ158A/1为单量程（0.2V）VFD显示，读数清晰，光色柔和，适宜在科研、工业、国防等各种领域内使用。
本设计给出基于MC14433双积分模数转换器的一种电压测量电路。
数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
该系统由MC144333位半A\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、MC4543BCD七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。
直流数字电压表
电子技术课程设计报告题目名称：直流数字电压表的设计姓名：学号：班级：指导教师：重庆大学电气工程学院2010 年6 月直流数字电压表摘要：传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。
而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。
本设计给出基于MC14433双积分模数转换器的一种电压测量电路。
数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
该系统由MC144333位半A\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、MC4543BCD七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。
本次设计的简单直流数字电压表的具体功能是：最高量程为1999V，分四个档位量程，即0~1.999V，0~19.99V0~199.9V，0~1999V，可以通过调档开关来实现各个档位。
一、设计内容及要求：1)设计直流数字电压表；2)直流电压测量范围：0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V，0V~1999V。
3)直流输入电阻大于100kΩ。
4)画出完整的设计电路图,写出总结报告。
5) 选做内容：自动量程转换。
二、比较和选定设计的系统方案，画出系统框图：方案：本次设计的直流数字电压表由测量电路、双积分模数转换电路电路、数码显示电路和量程转换电路组成，原理框图如图1 所示。
测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。
三、单元电路设计、参数计算和器件选择：1）量程转换电路：R1、R2、R3、R4对输入电压进行分压，使x V 直流输入电压的范围是0V~2V 。
由于直流输入电阻要求大于100k Ω，设定总电阻为1000K Ω。
列出方程计算各电阻阻值：41234431234432123412340.0010.010.11000R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R K ⎧=⎪+++⎪+⎪=⎪+++⎨⎪++⎪=+++⎪⎪+++=Ω⎩ 得：1234900;90;9;1R K R K R K R K =Ω=Ω=Ω=Ω 图2 量程转换电路图1直流数字电压表原理框图图3 小数点控制仿真电路（如图所示，当被测电压为6V时，百位上的小数点亮）2）双积分模数转换电路：集成双积分模数转换器MC14433原理电路和引脚图如图4所示。
数字电压表的设计
数字电压表的设计刘英电子信息科学与技术专业学号：040524097指导老师：熊中朝摘要：数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。
以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。
本设计采用CMOSS集成电路芯片CC7106来进行A/D 转换，属于双积分型直流数字电压表。
该数字电压表采用LCD显示，除具有一般数字电压表读数直观准确、测量速度快、输入阻抗大、测量范围宽之外，还具有读数保持的功能。
电路特点是成本低，简单，体积小，安全性好，可扩展性强。
关键词：数字电压表；132位；A/D转换；液晶显示目录摘要 (1)1引言 (3)2数字电压表原理框图 (4)3单元电路设计 (4)3.1双积分式A/D转换器CC7106 (4)3.2输入电路 (8)3.3 CC7106外围电路 (9)3.3.1振荡电路 (9)3.3.2 基准电压电路 (10)3.3.3 积分电路 (11)3.4 显示部分 (11)3.4.1132位液晶显示器 (12)3.4.2 小数点驱动电路 (12)3.5 读数保持功能电路 (13)4 总电路图 (13)5 总结 (15)参考文献 (15)1 引言数字电压表简称DVM，是采用数字化测量的电压仪表。
数字电压表与模拟电压表相比，具有读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，输入阻抗大，集成度高、功耗小、抗干扰能力强，可扩展能力强等特点，因此在电压测量、电压校准中有着广泛的应用。
数字电压表也是诸多数字化仪表的核心与基础。
以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。
数字电压表按测量功能可分为直流数字电压表和交流数字电压表。
数字电压表一般由模拟部分和数字部分组成，模拟部分主要功能是获取电压并将其转换为相应的数字量，数字部分完成逻辑控制、译码和显示等功能。
数字电压表的核心是A/D转换器，由A/D转换器工作原理的不同，数字电压表又可分为逐次比较型和双积分型。
4位半积分式数字直流电压表设计
第 ８卷第 ４期
２０ ０ ８年 ８月
金 华 职 业 技术 学 院 学 报
Ａｍ８ ｏ Ｖ１Ｎ． ｏ ０８ ． ４ ｔ ．２０ ｉ
４位 半 积 分 式 数 字 直 流 电压 表 设计
学 生 ： 豫 平 王 积 相 钱
指 导 老 师 ： 登 胜 张 小 杭 朱
维普资讯
金 华 职 业 技 术 学 院学 报
２ ０ ０ ８ 焦
程 序等组 成 。
一
定 时 问后 比较 电路 中的 比较 电路输 出 中断信 号 ，
单 片 机 停பைடு நூலகம் 计 数 并 将 计 数 值 滤 波 ， 过 减 法 、 法 通 乘
２ 电压 表 的硬 件 电路 设 计
通 过 单 片 机对 开 关 逻 辑 控 制 电 路 的 控 制对 检 测 电 压 Ｖ ０或 Ｖ ｌ 分 。 分器 的输 出电压 随时 间线性 ｘ ｘ积 积
地增 加 。正 积分时 间 由单 片机 控制 ， 时为 ， 定 在 结束 时积分 器 的输 出 电压为 ：
有 很 好 的 实 际 应 用价 值 。
关键 词 ：９ ５ ８ Ｃ １单 片机 ； 积 分 型 Ａ／ 转 换 器 ； 丰 数 字 直 流 电压 表 ； 双 Ｄ ４住 自动 量程 转换
中 图分 类 号 ：Ｍ９ ３２ Ｔ ３ ．２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编号 ： ６ 一 ６ ９ ２ ０ ） ４ ０ ８ — ４ １ ７ｌ ３ ９ （ ０ ８ ０ — ０ ７ ０
非单 调性 的特点 。 干扰 有很 强 的抑 制作 用 。但是 ， 对 现有 的双积 分式 高精 度 数字 电压 表 均采 用专 用 Ａ Ｄ ／ 转 换 芯片 ，售价 较高 ；如果 采用 分立 元 件制 作 Ａ Ｄ ／
积分式直流数字电压表
积分式直流数字电压表摘要本双积分电压表系统以89C51单片机为核心、以分立元件制作的双积分型A/D转换器为主要部件的4位半积分式数字直流电压表,并对所设计的电压表进行了测试,结果测量误差≤±0.03%,精度达到4位半。
实现了自动量程转换功能,自动调零功能，有很好的实际应用价值。
关键词：单片机，双积分A/D转换器，自动调零，自动转换量程目录1 方案论证与比较 (1)1.1信号调理 (1)1.2处理器的选择与比较 (1)1.3积分器的选择与比较 (1)2 系统设计 (2)2.1总体设计 (2)2.2单元电路设计 (3)2.2.1 信号调理调理电路 (3)2.2.2 双积分电路设计 (4)2.2.3 基准源电路设计 (4)3 软件设计 (5)4系统测试 (5)5 结论 (6)参考文献： (6)附录： (7)附1：元器件明细表： (8)附2：仪器设备清单 (8)附3：电路图图纸 (9)附4：程序清单方案论证与比较1.1.1信号调理比较与选择方案一、信号经过缓冲器提高输入阻抗后经过低通滤波器后，然后由模拟开关选择信号放大与不放大，当信号大于200mv时不放大，小于200mv时经过仪表放大器进行放大。
方案二、信号经过电压分阻条统一衰减后经过缓冲器提高其负载能力，信号进行低通滤波器其截止频率在10HZ左后滤除高频噪声及干扰，然后经过低噪声，高精度运放放大。
方案论证：方案一对不同信号进行放大其电路复杂，当测量多个量程时放大电路的增益不一样，需多个放大电路成本很高，且用仪表放大器价格过于昂贵。
方案二通过统一衰减后在进行放大其电路简单调试方便。
所以采用方案二。
1.2 处理器的比较与选择STC单片机所特有的在线下载功能和其他公司的单片机不同，不是利用SPI进行在线编程，而是利用IAP功能，在系统运行时编程，因此，可以通过串口来对单片机进行编程。
其电路极为简单，只要所使用的单片机系统具有232串口通信功能即可。
数字电压表的类型和组成原理
5.固有误差和工作误差 DVM的固有误差通常用绝对误差表示
6. 抗干扰能力 外部干扰可分为串模干扰和共模干扰。一般串模干 扰抑制比可达50～90dB，共模干扰抑制比可达80～ 150dB。 7.输入零电流
［例2-1］用4½位数字电压表测量1.5V电压，分别用 2V档和200V档测量，已知2V档和200V档固有误差 分别为±0.025%Ux±1个字和±0.03%Ux±1个字。 问：两种情况下由固有误差引起的测量误差分别为多 少？
中的½ 位，指最高位只能取“1”或“0”。½ 位 和基本量程结合起来，能说明DVM有无超量 程能力。
2.分辨力
指DVM能够显示被测电压的最小变化值，即最小量程 时显示器末位跳一个字所需的最小输入电压。例如 SX1842DVM最小量程20mV，最大显示数为19999V， 所以其分辨力为20mV /19999，即1V。
3．下面四种DVM最大读数为：(１)9 999；(２)19 999；(３)59 999；(４)1 999。它们各属于几位表？ 求第二种电压表在0.2V量程时的分辨力？
[知识链接二] 数字电压表的类型和组 成原理
一、数字电压表的分类
（1）按用途分：直流数字电压表、交流数字电压表 和数字万用表。
（2）按A/D转换器的基本原理分：比较式数字电压表、 积分式数字电压表和复合式数字电压表。
二、数字电压表（DVM）的组成和原 理
图2-1 数字电压表的组成
直流数字电压表实际上是A/D变换器加电子计数器， 其核心为A/D变换器。
直流数字电压表一般根据A/D转换器的转换方式分为：
比较型 积分型 复合型。
交流电压的测量需附加一个交流（AC）/直流（DC） 变换器。
◆思考与练习2
3.测量速度
三种形式直流数字表的工作原理
三种形式直流数字表的工作原理电压数字化测量是将被测电压U x经过A/D转换，将连续模拟量转换成离散数字量，然后用十进制计数方式显示被测量的数值。
✓输入阻抗越大越好，否则将影响测量精度。
✓对于直流DVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10MΩ~1000MΩ之间。
模拟与数字电压表各有优缺点：如：①数字电压表灵敏度高于模拟电压表。
②数字电压表操作方便，如只需切换测量项目，不需要切换量程，不需要考虑表笔的极性，屏幕自动显示极性，所以数字电压表安全，操作方便。
③但对于变化量，模拟电压表可通过指针摆动直观体现，数字电压表不宜读取变化量。
④模拟电压表易出现读数误差，数字电压表不会出现读数误差。
逐次逼近比较式DVM工作原理余数循环比较式DVM工作原理双积分式DVM工作原理逐次逼近比较式DVM工作原理1)基本原理：将被测电压和一可变的已知电压（基准电压）进行逐次比较，最终逼近被测电压。
2)结构框图3)工作过程起始脉冲（START）使DVM开始工作第一个时钟脉冲（CLK）使SAR的最高位（MSB），即2-1位置“1”SAR输出一个基准码(100000)2D/A转换器输出比较电压U∑= U r / 2U∑与U x进行比较，若U∑<U x，则2-1位保持不变，仍为“1”；若U∑>U x，则2-1位置“0”；即遵循“大者弃，小者留”的原则。
第二个时钟脉冲（CLK）使SAR的2-2位置“1”这时SAR的输出为(010000)2D/A转换器输出比较电压U∑= U r / 4U∑与U x进行比较，若U∑<U x，则2-2位保持不变，仍为“1”；若U∑>U x，则2-2位置“0”；即遵循“大者弃，小者留”的原则。
依此类推，直至第n个时钟脉冲控制SAR的最低位，即2-n位完成置位为止。
SAR的最终输出数据（二进制比特流）送译码器译码为比较电压值后，经十进制数显示器显示。
由于显示的被测结果是真实被测量的逼近值，可见存在量化误差，可通过增加D/A 转换器的位数减少误差。
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积分式直流数字电压表
摘要:51系列单片机具有两个以上16通道定时器(TIME0和TIME1)，每个通道可选择为输入捕获、输出捕获和PWM方式来测量脉宽，8路8位A/D转换器。
当需大于8位的A/D转换时，可以用片内16位的定时器外接运放、比较器和多路开关实现双积分A/D转换。
TL082是JFETINPUT运放；LM358作为比较器；MC4066是多路开关。
51单片机P1口的P10、P11、P12作为输出，控制MC4066多路开关的输入选择；INT0作为中断输入口，捕捉LM358比较器的输出电平跳变。
关键字：双积分A/D，输出比较，输入捕捉，分辨率
一、系统方案论证与比较
为了完成上面的设计要求，将整个积分式直流数字万用表的设计分为四部分：积分、过零比较部分，控制部分，显示部分和供电部分。
原理图如图1.1所示。
图G-1-1
1、单片机的选择
方案一：采用ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51作为双积分A/D转换器的核心，此次单片机价格相对便宜，容易购买。
此设计中控制功能比较多，因此需要用到的输入输出口比较多， AT89C51足可以满足控制要求，且选用此单片机不需外接扩展电路，因此节省了资源，降低了成本；并且可以达到很高的精度和实现此次设计的各种要求。
方案二：采用MOTOROLA公司生产的8位单片机MC68HC908GP32作为双积分A/D 转换器的核心，该单片机只具有两个输入输出口，虽然也能满足以上各种要求，但需要外接扩展电路，这不但在使用上增加了难度而且也增加了设计成本，浪费了资源。
使电路边的比较复杂，在实际调试中也增加了难度。
鉴于以上分析，拟选择方案一。
2、积分器、过零比较器电路
方案一：该方案的系统框图如图1.2所示。
运放为LM311、比较器为LM339、多路开关为MC14052。
MC68HC908GP32单片机的PTD5、PTD4作为输出控制MC14052多路开关的输入选择。
PTD7作为输入口，捕捉LM339比较器的输出跳变。
C为积分电容，常取0.1μF左右的聚丙烯电容,R为积分电阻,可取100K左右,Vi为输入电压,-E为负的基准电压。
此电路只对输入信号进行了一次信号放大，也就是只进行了一次积分。
此电路，积分波形不明显，不容易在示波器上调试出来。
方案二：该方案的系统原理图如图1.3所示。
C1为积分电容，常取0.22μF 左右的聚丙烯电容，R2为积分电阻，可取500k左右，U2A为积分运放，U2A、C1、R2构成了积分器，U2B是过零检测运放。
VIN为输入电压，VREF为基准电压，AGND 为转换器的参考零点。
VREF和参考零点以R9、R10、R11分压产生。
TL082是JFETINPUT运放；LM358作为比较器；MC4066是多路开关。
此电路有自己单独的基准电压，并且它的基准电压根据测量的不同范围的电压，可以进行调节，因此更
能保证测量精度，并且还拥有了自动调零功能。
电路中进行了两次放大，因此它的积分波形更加明显，容易在示波器上进行调试。
鉴于上述分析，选择方案二。
图G-1-2
AGND
Vref
AGND
图E-1-3
图G-1-4
3、显示电路
方案一：采用液晶显示。
液晶显示体积和质量小、功耗底等优点，液晶可以显示不同的内容，显示内容丰富、美观、使用方便。
但它的驱动电路很复杂，必须软硬件结合才能使用，并且驱动电路的编程也很复杂，还有就是液晶的价格比较
昂贵。
方案二：采用LED 静态显示。
LED 的价格合适，技术成熟，是单片机应用系统中显示部分的首选器件。
静态显示稳定，节约了CPU 的时间，提高了工作效率。
LED 静态显示是让每个数码管同时显示，使用的元件多，连线多，电路复杂，需要占用很多的硬件资源，每个数码管都需要8根线，给安装带来了很大的困难。
方案三：采用LED 动态显示。
动态显示最大的优点就是节约了硬件资源，此次设计要求的精度比较高，至少要用到4为数码管。
使用的元器件少，引线少，电路简单。
鉴于以上分析，采用方案三。
二、系统的具体设计与实现
1、系统的总体设计方案
采用AT89C51单片机作为电路的核心部分，用单片机来控制显示电路，并与前面的积分器和过零比较器组成双积分A/D 转换电路，对时间进行积分。
使得时间与输入的模拟电压成正比，因为是双积分电路，因此在进行一次积分以后使输入的模拟电压与显示的数值成正比。
单片机主要是对积分的时间进行控制，从而使得输入的模拟电压与输出的数值成正比。
2、系统的硬件电路的设计和主要电路参数的计算 （1）积分器和过零比较器的设计与计算
如图G-1-3、G-1-4，此电路是基于双积分A/D 转换的电路原理，图G-2-2为原理图，G-2-1为积分波形图。
通过对输入电压的积分，使时间和输入的模拟电压成正比。
此电路经过两次积分将Vi 转换成相应的时间间隔。
转换开始时t=0，Vi 通过电阻和电容充电，积分器输出电压负向线性变化，积分器对Vi 在0到t 1
时间积分。
当t=t 1时，V 01（1）=-1110t RC
Vi
dt Vi RC t -=⎰,式中V i 为输入的模拟电压。
当S 与参考电压接通时，通过R 对C 方向充电，此时的电压V 01开始逐渐上升。
经t 1-t 2时间间隔后V 01=0。
V 01(t2)=V 01(t1)+ 0)(1)12(110=--=+
⎰t t RC V t RC
Vi dt V RC REF T REF 所以 T 2=t 2-t 1=i REF
V V t 1
因为V REF 和t 1为定值，所以T 2和V i 成正比，即将V i 变换为与它成正比的时间间隔。
在T 2阶段，将CP （周期为Tc ）送入单片机，
由以上分析可见，单片机获得的数字量正比与输入模拟电压。
图G-2-1积分波形图
图G-2-2
（2）显示电路的设计
数码管的段选和位选接到单片机的I/O口，通过软件编程实现显示输入的模拟电压。
此设计中要求的显示范围：0-19999，因此用五位数码管做显示，使用共阴极数码管，接到端口时为了驱动数码管，需要接上拉电阻，以提高单片机的带负载能力。
单片机通过P1.0、P1.1、P1.2三个端口获得外部信息，通过单片机的内部程序让其转化为与输入电压成正比了数字值并显示出来，从而完成A/D转换的数字显示的功能。
（3）单片机的设计
单片机通过控制多路开关，实现对输入的模拟电压的读入，通过两级的放大之后，把信号送到LM339，通过零电压比较LM339，发出中断信号，然后通过内部的程序对时间进行积分，使得输入的模拟电压和数字显示信号一一对应。
实现了双积分A/D转换器的功能。
通过内部程序的优化可以使数字万用表的精度达到设计所要求的范围内；拥有万用表的自动调零功能。
（4）供电系统的设计
此电路中并没有对供电系统做明确的要求，但是为了达到数字万用表的精度尽量使电源稳定，采三端集成稳压（7805，7905等）电源供电，由于用到了集成运放还需要12V的电压。
对于滤波电容的选择，要考虑三点：整流管的压降；三端稳压管最小允许压降Ud；电网波动。
三、软件设计
控制和D/A转换主要由单片机来完成，主要完成双积分A/D转换器的功能，量程的转换功能，数码管显示的功能。
软件通过单片机的中断来实现对时间的积分，然后送到数码管的接口。
调节中断程序，可以调节测量误差和测量分辨率，实现高精度的A/D转换器。
P0通过控制模拟开关，对输入的模拟电压进行积分，得到相应的时间间隔。
在软件编程时，采用C语言，C语言程序结构清晰、使用方便；使程序更加简洁，更加提高了程序的可靠性，便于维护和调试。
主程序软件流程图见附图G-3-1。
四、实验测试
1、测试设备
四位半数字万用表
示波器
2、测试结果与分析
（1）量程为200mV
表G-4-1
（2）量程为2V
表G-4-2
由以上数据可知，此万用表基本能达到此次设计的要求。
五、参考文献
[1] 黄瑞祥、毕净，数字电路识图[M]. 浙江科学技术出版社。
[2] 张国勋、孙海，单片机原理及应用. 中国电力出版社。
[3] 杨毅德，模拟电路.重庆大学出版社。
[4] 刘建清，从零开始学习单片机C语言. 国防工业出版社。
[5] 李铮、叶艳冰、汪德俊，C语言程序设计基础与应用.清化大学出版社。
[6] 李全利、迟荣强，单片机原理及接口技术. 高等教育出版社。