积分式直流数字电压表

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