双积分数字直流电压表

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。.工作宽温度范围,-40℃~85℃,在系统可编程,无需编程器,可远程升级,抗干扰强.价格低廉,所以采用了STC单片机.

1.3积分器比较与选择

方案一、采用双极性运放UA741，UA741为通用运放价格便宜，容易购买。积分电容选择胆电容进行积分。

方案二、采用FET运放TL062，其漏电流小，电容选择独石电容。

方案论证：方案一ua741器基集电流大，失调电流大对积分产生影响，且胆电容的漏电流大也对积分产生一定影响，而方案二TL062为FET型输入阻抗高基集电流小且独石电容漏电流小。所以才用方案二。

2系统设计

2.1 总体设计

本设计基于STC89C51单片机的4位半积分式直流数字电压表设计的设计思路及实现方法。在设计中,充分利用了89C51单片机内部的高速计数器和以分立元件组成的双积分型A/D 转换器的优良特性,使整个设计达到了比较满意的效果。硬件设计主要有双电源电路、信号采集电路、量程转换电路、开关逻辑控制电路、积分比较与自动回零电路、单片机系统、显示电路组成。软件编程采用模块化结构,主要有时序子程序,系数运算子程序, BCD码转换子程序,自动量程转换子程序,显示子程序等组成。

信号经过电阻分压器统一衰减后，经过运放缓冲后在经过高精度，低噪声，失调电压小的运放OP37放大，开始先对信号进行积分，后开始对基准源进行反积分，然后经过单片机运算处理后有单片机显示。

信号衰减选择放大

基准源

VREF 逻

辑

选

择

积分比较和

自动调零

单片机处

理

液晶显示电源

200mv比较

器

量程转换

图一

2.2 单元电路设计

2.2.1 信号调理调理电路

图二

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。放大倍数可有可变电阻进行调整补偿。

2.2.2 双积分电路设计

图三

单片机通过对开关逻辑控制电路来控制双积分A/D转换,单片机先控制开关逻辑控制电路使s2接通进行自动回零,接着OUT2接通将待测电压进行正积分,再使Vref接通对反积分基准电压进行反积分,同时单片机内部计数器开始计数,到一定时间后比较电路中的比较电路输出中断信号,单片机停止计数并将计数值滤波,通过减法、乘法和除法的系数运算最后转换成BCD码,再通过显示电路将待测电压值显示出来。A/D转换是在单片机和开关逻辑控制电路的控制下有条不紊地进行,全部过程可分三个阶段:(1)正积分:也称信号采集阶段。在这个阶段,通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对检测电压out2积分。积分器的输出电压随时间线性地增加。正积分时间由单片机控制,定时为T1,在T1结束时积分器的输出电压为: Vout(T1)=-1／C2*R9∫out2 (公式一)

(2)反积分:也称计数阶段。在这个阶段,通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对基准电压ref积分。经过T2时间后回到0,

Vout2（T2）=Vout1+1／C2*R9∫Vref (公式二)

T2=out2*T1/T2 (公式三)

由此可以看出T2的大小取决于输入待测电压Vx的大小。

(3)自动回零:也称复位阶段,在该阶段,因反积分使比较器输出由高电平变成低电平,再由单片机控制开关逻辑控制电路动作,使VA导通,使得积分电容充分放大。

2.2.3 基准电压电路设计

图四

负电源电压采用高精度可编程稳压器件TL431产生，然后进过电源滤波。在经过缓冲器进行隔离，以免后级电路对基准源产生负载影响，影响基准源的精度。