積分式直流數字電壓表的設計

邱忱

遼寧錦州渤海大學工學院

積分式直流數字電壓表的設計

邱忱

遼寧錦州渤海大學工學院

在測量電量中，電壓表起到了重要的作用。本文設計的積分式直流數字電壓表的組成部分主要包括了LCD模塊，模數模塊的轉化，同時還進行了軟、硬件設計。積分式直流數字電壓表增加數字電壓表的準確度，在一些特殊的應用場合中有著很重要的實踐意義。

積分式 A/D轉換器 電壓表

1 引言

數字電壓表指的是對連續的模擬量進行轉換，這是轉換的過程是一個從模擬量向數字化的過程，經過轉換后能夠增強可讀性以及減少誤差。目前關于設計直流數字電壓表，通常在采集模擬信號中的樣本的時候，都會有固定的A/D轉換器，而且數字電壓表的精確度和轉換器的精確度有著直接的關系，同時對信號進行模擬數字轉換的過程中需要用到的電路主要包括了譯碼電路以及鎖存電路。這個轉換的過程比較復雜，所以為了增加數字電壓表的準確度，本文設計了積分式直流數字電壓表。

2 積分式直流數字電壓表的總體框架圖

本文設計的電壓表的組成部分主要分為模擬部分以及數字部分，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框架圖

在模擬電路的主要作用是給被測電壓的信號進行電路的選擇，選擇的轉換方式是雙積分A/D。雙積分A/D轉換器中所包括的組件主要有OP07集成的運算放大器以及LM393運算放大器，自動校零以及轉換量程的實現主要依靠的是CD4066電子開關，這個電子開關的最大優勢就是能夠盡可能減少噪聲所引起的干擾。所以如果在噪聲比較嚴重的環境的時候，能夠選擇CD4066電子開關實現自動校零等功能。在數字電路部分中的控制器核心是AT89S52，其主要的用途是對光電耦合器中的數字信號進行控制。光電耦合器可以對多種噪聲起到抑制的作用，從而增大信噪比，通常情況下響應所延遲時間是在10μs范圍以內，而且響應所花費的時間比較少，最終成功隔離了模擬信號以及數字信號。量程以及電壓值的顯示是通過6位數碼管LED實現的，這種實現方式是自動的。系統的總體電路圖如圖2所示。

圖2 系統的總體電路圖

3 雙積分型A/D轉換設計模塊

在雙積分型A/D轉換器的電路中，組成的部件主要分為n位二進制計數器、積分電路A、CP控制門G以及電壓比較器C和電子開關等，在4051多路控制電路的輸入端輸入測試數據，接著通過積分電路LT084，比較電壓值。

（1）首先需要把電壓轉化成時間T，轉化中需要保持T和輸入電壓是正比的關系。

（2）把時間T進一步轉化成數字量，讓數字量和T之間保持著正比的關系，接著再根據電壓轉換時間T2和輸入CP控制門中的TCP是反比的關系，從而可以得出轉換的數字量。將CP控制門打開，切斷控制電路S2，同時把S1和輸入電壓端連接起來，在積分電路中就會取U1的積分進行運算。當積分運算后的結果V0是小于0，比較器中輸出的VC等于1，將CP控制門G打開，計數器就會啟動計數操作。如果計數器中的計數數等于2n的時候，計數器的輸出值就都為0，然后將數據保存到鎖存器74LS373中，對數據進行控制處理。

4 雙積分A/D轉換器的設計

在雙積分A/D數字電壓表中有2個檔位，分別是200mV和2V，檔位顯示是用1位數碼管LED來表示的，此外量程的顯示范圍是從0到19999，是用5位表示的。本文設計的數字電壓表中的量程選擇是完全自動的。其中用Vi表示被測信號，將Vi傳入到電壓跟隨器中和參考電壓是200mV的進行對比。電子開關的狀態是通過單片機控制，如果輸入電壓比參考電壓大的話，信號就會進入到電子開關后直接進行了積分處理。如果輸入電壓是比參考電壓小的話，比較器中輸出的電平就是低電平，此時信號就會通過運算放大器OP07之后產生放大的信號，接著才被送到積分器中進行積分運算，最終量程也就實現了自動轉換。當電壓表是處于工作的時候，就將“零采樣期”插入，這種插入的方式是周期性的。雙積分電路原理圖如圖3所示。

圖3 雙積分電路原理圖

5 測量標定方法本設計方案

在標定的測量中采用的方法是分段標定。該部分主要是為了進行調試標定1鍵和標定2鍵，并且還可以為自動校零鍵進行校準。當電壓測量的值不對的時候，可能夠重新對量程進行標定。其中標定可以劃分成0、200mV以及2V標定等。

其中具體的標定過程總結為：

（1）調整輸入電壓為0，當前內碼會顯示，根據自動校零鍵實現零點標定。

（2）調整輸入電壓為200mV，當前內碼顯示，按下標定1鍵，就能實現標定200mV。

（3）調整輸入電壓為2V，當前內碼顯示，按下標定2鍵，檔位改為2V擋，接著按下標定2鍵，實現標定2V的操作。誤差測量表如表1所示。

表1 測量誤差表

1802.80 1802.30 -0.70 0.039 2000.80 2001.00 -0.90 0.046

6 系統軟件設計

當數字電壓表是處于軟件運行中，首先進行的操作是進行系統的初始化，接著就會進行菜單的顯示以及電壓值的顯示，在顯示的這個過程中，需要進行數據的采集，然后通過模擬數字信號的轉化模塊就愛你攻二進制的數據輸入到單片機中，最后再LCD中顯示的是十進制的數據。軟件系統流程如圖4所示。

圖4 軟件系統流程圖

7 結語

作為眾多領域中應用廣泛的儀器設備，數字電壓表僅僅只可以顯示出電壓信號測量結果，積分式直流數字電壓表增加數字電壓表的準確度，在一些特殊的應用場合中有著很重要的實踐意義。

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