积分式直流数字电压表设计报告

双积分式直流数字电压表

摘要：本设计采用单片机AT89C52作为积分式直流数字电压表的核心，实现对A/D转换模块电路输出信号的处理，运算并将处理后的数据送液晶显示器显示，采用软件实现自动校零功能，单片机控制继电器的驱动电路实现自动量程转换。直流电压采集系统采用双积分电压—频率转换电路，由单片机内部的计数器对A/D转换电路的输出频率进行计数，并由软件实现对计数值的运算及线性化处理。由于采用双积分A/D转换电路，该电压表抗干扰能力强。由于采用软件线性化处理，分辨率高，200mv档分辨率可达0.01mV，2V档分辨率达0.1mV，并且两档的测量误差均小于等于0.02% 。

一．方案设计与论证：

1．总体方案设计与比较

方案一：直流信号采集转换采用BCD码输出的双积分型A/D转换电路，输出信号经译码电路译码送LED显示。原理框图如图1所示。整个系统采模拟控制方式，但要实现高精度要求硬件电路复杂，该硬件电路难以实现复杂运算。

方案二：采用单片机AT89C52作为积分式直流数字电压表的核心，实现对A/D

转换模块输出信号的处理，运算并将处理后的数据送液晶显示器显示，软件实现自动校零功能。直流电压采集系统采用双积分V—F（电压—频率）转换电路。

用单片机控制继电器实现自动量程转换功能。程序框图如下

比较以上两种方案，方案一是模拟控制方式，而模拟控制难以实现高精度控制和计算，控制方案的改善也比较麻烦。方案二是采用AT89C52为核心的单片机系统，可以灵活实现采集数据的线性处理，并且可容易实现自动校零及自动量程转换功能。由于单片机具有较强的运算功能，因此能实现较高的精度。经过对两种方案的比较，本设计采用方案二。

二．模块电路设计分析

系统硬件以89C52单片机为核心，包括四个模块电路：电源电路，信号采集处理模块电路，单片机系统数据处理模块，液晶显示模块。

1信号采集处理模块

（1）前端电路处理电路

a) 跟随器及低通滤波电路。输入的直流电压信号首先经过一个电压跟随器，以提高输入阻抗，输入阻抗为1.7M欧左右。跟随器输出的信号经低通滤波滤波，用来滤除工频干扰。

b)量程切换及自动校零电路。由单片机P3.2口控制电子开关实现自动校零功能。由单片机P3.1口通过三极管9012控制继电器，以实现自动量程切换功能。当继电器常闭时，为2V档，Uo=[1+R1/(R2+R3)]Ui=[1+18/(18+2)]=1.9Ui;当P3.1置低电平时，为200mV档，Uo=[1+36/2]Ui=19Ui

电路图如下所示：

（2）电压频率转换模块电路

制电路，双D触发器和电子开关构成的逻辑控制电路及计数门。

转换原理：

标准时钟电路：4M晶振经二进制计数器CD4060十六分频后输出250KHZ的脉

冲信号，为逻辑控制电路提供时钟信号。

负恒流源电路：

Ia

该电路由6伏基准电压和运算放大器构成。输出电流Ia=-u/r=-6/10k=-6mA

当输入电压信号时，电压信号经V—I转换电路转换成电流信号。同时逻辑控制电路输出脉冲控制电子开关的通断，相应加在电子开关上的负恒流源以一定的频率加在有源积分器的输入端，要使积分器能正常积分输出锯齿波，V-I转换后的电流应小于0.6mA.该电流Ib=UI/R,由于R=10K，所以该电压表输入信号应小于U=Ib*R=6V.

当输入0到2V的电压信号时，经V-I转换产生的正电流信号与一定频率的负恒电流信号相叠加，积分器对该叠加后的信号进行积分。

该V—F转换输出的频率信号：F=kUi/R/0.6,其中K为系数，Ui为输入直流电压信号，R=10K。输出频率与输入电压信号成线性关系。

2单片机系统数据处理模块

单片机系统以单片机89C52为核心。89C52内部带有8K字节FLASH闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，三个定时计数器。

单片机采用定时计数器T0实现500ms的定时，实现1S内转换处理2次数据。T1设置成计数器，对电压—频率转换电路输出的频率信号进行计数，并将计数值进行线性化处理：y=k(x-b) ，其中y为电压表显示数据，x为计数值，k为线性化数据，b为修正值。处理后的数据送LCD液晶显示。用P3.0口控制电子开关实现自动校零功能，用P3.1口控制继电器驱动电路实现自动量程切换功能。硬件电路见附页。

3电源电路。市电经整流滤波后由LM7805输出+5V电压，由LM7815输出+15V 电压，由LM7915输出—15V电压。

4显示电路。采用低功耗的液晶显示器显示范围：十进制数0---19999

三．系统程序设计

四．实际调试

1调试方法和过程

采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，提高调试效率。 1）电压—频率转换模块电路调试 该模块是整个系统的关键部分，主要为模拟电路。首先测试有源积分器输出的波形，看是否有锯齿波信号产生。倘若没有接着测标准时钟电路，二进制计数器CD4060应输出250KHZ 的矩形波。接着测试负恒流源电路OP07管脚2与管脚3的电压，应为—57 mv 左右。倘若都符合则测逻辑控制电路。当积分器输出为锯齿波时，再测输出频率信号，该信号与输入电压成线性关系。

2）软硬件联合调试 采用KEIL 在线仿真器进行仿真。由于元件精度的影响以及电子开关上的压降，输出的频率与输入电压并非成准确的线性关系。需用软件进行线性化处理。系统程序采用分段y=k(x-b)处理，实现较高精度。 2测试仪器

34401A ———6 1/2数字万压表

DS-1150—150MHZ ———数字示波器 3测试数据

200mV 档 2V 档

电压表输入阻抗：R=1.7M 欧

结束语：本设计具有自动校零功能及自动量程转换功能。由于采用软件分段线性化处理，测量精度较高，可实现1mV —2V 测量,测量误差<=±0.02%。200mV 档分辨率为0.01mV,2V 档分辨率为0.1Mv,完成题目的各项要求。