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1、1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
2、出比较，输入捕捉，分辨率2一、 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-1-11、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
3、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
4、分电容，常取 0.1F 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0.22F 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3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 J
5、FETINPUT 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 P3.2(INT0)AGDVref1.5KR930R1.5Kc14+VVcR7 10K820-2LM9C21uFC1 0.2uFP1.2P1.0P1.2R 0AGNDAGNDVrefI/O2UB 4635I/O4CU 061KR3R6 10698UC43I/OinA5-V54-
6、+LM324+LM图 E-1-3图 G-1-43、显示电路4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
7、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
8、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 t1时间积分。当 t=t1时，V01（1）=- ,式中 Vi为输入的110tRCidtVit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 V01开始逐渐上升。经 t1-t2时间间隔后 V01=0。V01(t2)=V01(t1)+
9、0)(112(10 ttidtCREFTEF所以 T2=t2-t1= iRt因为 VREF和 t1为定值，所以 T2和 Vi成正比，即将 Vi变换为与它成正比的时间间隔。在 T2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。5图 G-2-1 积分波形图图 G-2-2（2）显示电路的设计数码管的段选和位选接到单片机的 I/O 口，通过软件编程实现显示输入的模拟电压。此设计中要求的显示范围：0-19999，因此用五位数码管做显示，使用共阴极数码管，接到端口时为了驱动数码管，需要接上拉电阻，以提高单片机的带负载能力。单片机通过 P1.0、P1.1、P
10、1.2 三个端口获得外部信息，通过单片机的内部程序让其转化为与输入电压成正比了数字值并显示出来，从而完成A/D 转换的数字显示的功能。（3）单片机的设计单片机通过控制多路开关，实现对输入的模拟电压的读入，通过两级的放大之后，把信号送到 LM339，通过零电压比较 LM339，发出中断信号，然后通过内部的程序对时间进行积分，使得输入的模拟电压和数字显示信号一一对应。实现了双积分 A/D 转换器的功能。通过内部程序的优化可以使数字万用表的精度达到设计所要求的范围内；拥有万用表的自动调零功能。（4）供电系统的设计此电路中并没有对供电系统做明确的要求，但是为了达到数字万用表的精度尽量使电源稳定，采三端
11、集成稳压（7805，7905 等）电源供电，由于用到了集成运放还需要 12V 的电压。对于滤波电容的选择，要考虑三点：整流管的压降；三端稳压管最小允许压降 Ud；电网波动。三、软件设计控制和 D/A 转换主要由单片机来完成，主要完成双积分 A/D 转换器的功能，量程的转换功能，数码管显示的功能。软件通过单片机的中断来实现对时间的积6分，然后送到数码管的接口。调节中断程序，可以调节测量误差和测量分辨率，实现高精度的 A/D 转换器。P0 通过控制模拟开关，对输入的模拟电压进行积分，得到相应的时间间隔。在软件编程时，采用 C 语言，C 语言程序结构清晰、使用方便；使程序更加简洁，更加提高了程序的可
12、靠性，便于维护和调试。主程序软件流程图见附图 G-3-1。四、实验测试1、测试设备四位半数字万用表示波器2、测试结果与分析（1）量程为 200mV表 G-4-1输入值次数10 mV 50 mV 100 mV 150 mV1 10.3 50.1 100.4 150.62 10.1 50.4 100.3 150.43 10.2 50.4 100.2 150.5（2）量程为 2V表 G-4-2输入值次数0.5V 1V 1.5V 1.9V1 0.545 1.026 1.483 1.8842 0.491 0.990 1.506 1.9503 0.508 1.001 1.516 1.894由以上数据可知，此万用表基本能达到此次设计的要求。 五、参考文献 1 黄瑞祥、毕净，数字电路识图M. 浙江科学技术出版社。2 张国勋、孙海，单片机原理及应用. 中国电力出版社。3 杨毅德 ，模拟电路.重庆大学出版社。4 刘建清， 从零开始学习单片机 C 语言. 国防工业出版社 。5 李铮、叶艳冰、汪德俊，C 语言程序设计基础与应用.清化大学出版社。6 李全利、迟荣强，单片机原理及接口技术. 高等教育出版社。
