基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

李 成

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 南昌商學(xué)院，南昌 330044）

一、方案論證與比較

（一）數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)常用的基本方法

方案一（如圖1所示）

采用比較器、減法器、電子開關(guān)以及少量的分立元件，將電壓輸出到ADC0809再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送單片機(jī)控制，然后通過顯示器顯示。但由于元件分散性太大，即使采用了單片機(jī)最小系統(tǒng)，由于電子開關(guān)IC4066的內(nèi)阻較大，導(dǎo)致在其上的壓降也較大，使小信號衰減嚴(yán)重，輸入到ADC0809的電壓值與待測電壓相差較遠(yuǎn)，抗干擾能力較弱，不能達(dá)到本題目的基本要求。

圖1 方案一示意圖

方案二（如圖2所示）

采用壓頻轉(zhuǎn)換器，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，再用單片機(jī)對其頻率進(jìn)行采樣測量，然后再通過軟件查表的方式，查出與此頻率相對應(yīng)的電壓值。本方案可靠性高，易于控制，精度也較高，但由于條件有限，短時(shí)間內(nèi)無法買到V-F轉(zhuǎn)換器，故此方案難以實(shí)現(xiàn)。

圖2 方案二示意圖

方案三（如圖3所示）

通過單片機(jī)控制的DAC0832產(chǎn)生不同的輸出電壓值控制減法器，在足夠的精度范圍內(nèi)使輸入電壓滿足ADC0809輸入有效范圍，最后通過單片機(jī)讀取、處理并顯示數(shù)據(jù)，其精度可以達(dá)到5mV。

圖3 方案三示意圖

（二）方案論證

方案一中，雖然理論上達(dá)到要求，但實(shí)際操作中因?yàn)殡娮娱_關(guān)內(nèi)阻的存在，導(dǎo)致在其上面的壓降較大，故而產(chǎn)生的誤差也較大，所以我們不采用此方案。

方案二中采用的V-F轉(zhuǎn)換器能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，擴(kuò)展和發(fā)揮也較方便，但由于條件的限制，V-F轉(zhuǎn)換器暫時(shí)無法買到，故而也沒有采取。

方案三中，通過單片機(jī)來控制DAC0832，使其輸出電壓分別為 0V、1.28V、2.56V、3.84V、5.12V、6.4V、7.68V、8.96V、10.24V，來控制輸入到減法器電壓值，從而調(diào)整輸入到ADC0809的電壓，同時(shí)將ADC0809的基準(zhǔn)電壓調(diào)到1.28V，這樣精度就可達(dá)到5mV，從而在精度和輸入電壓范圍等各方面達(dá)到了題目的要求，經(jīng)過權(quán)衡比較，我們采取了此方案。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)框圖

模塊說明：

1.減法器的基準(zhǔn)檔位電壓輸入電路

用單片機(jī)控制DAC0832，使其輸出分別為0V、1.28V、2.56V、3.84V、5.12V、6.4V、7.68V、8.96V、10.24V等各檔位，然后經(jīng)反相器反相后送入到減法器的反相端。

2.減法器電路

用運(yùn)算放大器NE5532設(shè)計(jì)一個(gè)減法器（增益為1），將待測電壓輸入到同相端，根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換輸入到反相端不同的電壓值，可得到滿足DAC0809輸入有效范圍的輸入電壓，從而保證了轉(zhuǎn)換精度。

3.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

采用集成芯片ADC0809將其基準(zhǔn)電壓調(diào)至1.28V，使其精度達(dá)到了5mV，其輸入端是減法器的輸出，然后與單片機(jī)接口。

4.單片機(jī)控制模塊

采用AT89C52單片機(jī)，輔以8279、鍵盤、顯示器等器件構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，來控制其它各部件的正常工作。

（二）各模塊設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.ADC0809基準(zhǔn)電壓計(jì)算

因?yàn)锳DC0809是8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，根據(jù)精度計(jì)算公式：

在此，當(dāng)采用基準(zhǔn)電壓為5.12V時(shí)，n=8，VREF（+）=5.12V，VREF（-）=0V，所以其精度為 20mv，剛好達(dá)到題目要求，然而當(dāng)有干擾時(shí)此精度達(dá)不到；故為了提高精度，滿足題目要求，需降低ADC0809的基準(zhǔn)電壓，現(xiàn)將其調(diào)為1.28V，其精度為1.28V/256=0.005V即5mV，完全達(dá)到題目要求。

2.ADC0809的電壓輸入計(jì)算

因?yàn)锳DC0809的量化誤差為1LSB，要達(dá)到5mV的精度要求，其輸入電壓必須在0～1.28V之內(nèi)，否則的數(shù)據(jù)將會是全1，即無效數(shù)據(jù)。在滿足設(shè)計(jì)的輸入電壓范圍的要求前提下，為了將ADC0809的輸入電壓范圍限定在1.28V以內(nèi)，需在前放置一個(gè)減法器，控制輸入電壓量。當(dāng)待測電壓處于下列各檔次時(shí)，對應(yīng)的DAC0832的輸出電壓如表1所示：

表1 DAC0832的輸出電壓表

3.減法器電路

其原理圖如圖5所示。

要使其達(dá)到減法器要求（增益為1，必須使Rf=R1，故可通過電位器來調(diào)節(jié)使反饋電阻Rf=R1=100K，所以 UO=Ui—UR，通過變化 UR使 UO控制在1.28V之內(nèi)，從而達(dá)到題目要求。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)

（三）軟件系統(tǒng)

1.流程圖（如圖6所示）

圖6 主程序和子程序流程圖

圖7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換部分程序

3.電壓測量程序

本程序采取將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送到單片機(jī)后，再通過單片機(jī)送顯示器顯示，達(dá)到用顯示器顯示各待測電壓值的要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖（如圖7所示）

三、系統(tǒng)調(diào)試

（一）硬件調(diào)試

1.ADC0809的調(diào)試

連接好ADC0809以及相關(guān)的電路后，開始調(diào)試，先將基準(zhǔn)電壓調(diào)至1.28V，然后輸入不同的電壓，再編程用單片機(jī)顯示電壓值，測量數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)下表的數(shù)據(jù)可知，其誤差在5mV之內(nèi)。

基準(zhǔn)電壓由穩(wěn)壓和分壓電路得到，因電位器存在誤差，只能將參考電壓調(diào)到1.27V。

基準(zhǔn)電壓電路圖如圖8所示：

表2 ADC0809的調(diào)試

2.DAC0832與減法器的調(diào)試

連接好DAC0832與減法器以及相關(guān)電路后，使DAC0832基準(zhǔn)電壓調(diào)為10.24V，然后用單片機(jī)來輸入不同的數(shù)據(jù)，再用數(shù)字萬用表測量其輸出電壓以及減法器的輸出電壓值，測量數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，該減法器完全能夠達(dá)到要求。

表3 DAC0832與減法器的調(diào)試

（二）軟件調(diào)試

編好各模塊子程序后，分別進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)各模塊調(diào)試成功后，再系統(tǒng)調(diào)試一次。得知，該程序完全正常。

（三）軟件、硬件一起調(diào)試

編好各模塊程序后，連接好各模塊的線路（特別要注意各芯片的電源端和地端的接法），再用仿真器運(yùn)行仿真，最后通過觀察結(jié)果可知，該程序能使系統(tǒng)運(yùn)行，而且能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

四、指標(biāo)測試及結(jié)果分析

（一）測試儀器

數(shù)字萬用表：DY2102萬用表一塊

仿真器：TOPICE/52Y仿真儀一臺

示波器：CA8020A示波器一臺

電壓源：EM1715A電壓源一臺

（二）指標(biāo)測試

數(shù)據(jù)見表4所示：

表4 指標(biāo)測試

從表4數(shù)據(jù)可知，待測電壓范圍可達(dá)到12.8V，而題目只要求到10V，完全滿足題目的設(shè)計(jì)要求。

由理論計(jì)算可知，整個(gè)系統(tǒng)誤差為5mv，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可知，實(shí)際誤差為10mv左右，而題目只要求20mV，所以，本設(shè)計(jì)方案完全達(dá)到題目的精度要求。

（三）誤差分析

對于任何系統(tǒng)，誤差是不可避免的。本設(shè)計(jì)的輸出信號誤差主要來自于以下幾個(gè)方面：

1.D/A，A/D轉(zhuǎn)換器件的非理想性誤差

雖然我們在設(shè)計(jì)中充分考慮到了精度要求，但轉(zhuǎn)換器件本身存在的固有量化誤差是不可能克服的，同時(shí)轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換速率、溫度系數(shù)、輸入輸出電平的差異等因素都造成了轉(zhuǎn)換器件的非理想特性。

2.運(yùn)算放大器、電阻電容引起的誤差

設(shè)計(jì)中采用的運(yùn)放和電阻電容等一些常用元件，在實(shí)際應(yīng)用中，都或多或少存在著誤差，如：隨著溫度的變化，電阻阻值的變動以及運(yùn)放的漂移，電容的非理想性造成了系統(tǒng)頻率相應(yīng)的改變。

3.電源噪聲、數(shù)字信號跳變引起的噪波和布線中的分布電容和感生電感

在PCB布線中由于跡線和部分元件的非理想性，在高頻工作時(shí)，這些器件產(chǎn)生分布電容感生電感。電網(wǎng)電壓的變化引起的欠壓、過壓以及在線路傳輸中隨機(jī)竄入的高頻噪聲等都有可能通過電源引入到系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)中使用大量數(shù)字芯片高頻工作時(shí)的電平跳變以及單片機(jī)晶振都是誤差的產(chǎn)生源。我們在電路的實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用了多種措施來減少這種誤差的滲入，如：電源的濾波、線間的去耦、重干擾源的屏蔽、加寬電源線和地線以減少噪聲的傳輸路徑。

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制ADC0809和DAC0832實(shí)現(xiàn)了對電壓信號的測量，并通過數(shù)碼管顯示，總體來看完成了題目的基本要求，達(dá)到了基本指標(biāo)，而且還完成了發(fā)揮部分的要求。由于時(shí)間有限，我們認(rèn)為還可以對本系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充。本方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)易于擴(kuò)展，將其他信號通過相應(yīng)的傳感器件和相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過本系統(tǒng)設(shè)計(jì)就可以對不同性質(zhì)的信號進(jìn)行高精度測量，如：交流電壓、頻率、電流、溫度、壓力、光強(qiáng)等。實(shí)用范圍比較廣泛。本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是高精度數(shù)字化，用低價(jià)格、低精度器件實(shí)現(xiàn)高價(jià)格、高精度器件的功能。

［1］江曉安.數(shù)字電子技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［2］江曉安.模擬電子技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

［3］劉書明，劉斌.高性能模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［4］張偉.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［5］何立明.單片機(jī)中級教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.