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1、.本 科 生 毕 业 设 计 文献综述 题 目 高精度数字电流表的设计 专 业 电子信息工程 班 级 电子091班 姓 名 王旭特 指导教师 许森 所在学院 信息科技学院 开题时间 2012年12月 前 言随着微电子技术的迅速发展和单片机的兴起引起了测量、控制仪表领域新的技术革命。数字电流表采用数字化测量技术把连续的模拟量电流转换成不连续、离散的数字形式并加以显示。传统的指针式电流表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求采用单片机的数字电流表精度高、抗干扰能力强、可扩展性强、集成方便、还可与PC机进行实时通信，因此它能够顺利地取代传统的指针仪表1。他们不仅开创了电子测量的先河，更以其更高的
2、准确度、高可靠性、高分辨力、高性价比等优良特性收到人们的青睐。 数字量化技术是把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示。通常数字电流表都采用大规模的A/D转换集成电路，测量精度高，读书方便，在体积、重量、耗电、稳定性及可靠性等方面性能指标明显优于万用表。 目前数字电流表绝大部分取代了传统类型的模拟指针式电流表。采用单片A/D的数字电流表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，特别是抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力2。1 国内外数字电流表的研究现状1.1 目前国外对数字电流表的研究现
3、状 目前数字电流表正处于一个蓬勃发展的时期。因为数字电流表不但开拓了数字测量领域，而且它本身正朝着高精度、智能化、低消耗的方向走去。数字电流表的新产品总是依托技术而问世的。近年来，各项技术不断涌现并被广泛的采用，迅速传化为生产力。例如，英国迪特朗公司的“自动校准（AUTO-CAL）”技术，固态真有效值转换技术、多斜式A/D转换技术，美国福鲁克公司的“余数再循环”专利技术、法国泰克（TEK）公司的光电斩波技术，美国模拟器件公司的四斜率A/D转换技术，“闭壳校准（closed-case CAL）”技术，模拟器件公司（Analogic）的“依次加法积分”专利技术等，都为提高数字电压表的性能指标，实现
4、产品升级换代做出贡献。此外，利用约瑟夫森效应（Josephson effect),可使基准电压稳定度达到；采用低温超导技术制成的器件作为内基准，电流表的测量准确度还可以进一步提高3。国外对数字电流表的研究已有很多年的经验，总体而言国外的电流表行业存在以下的特点4：1新技术的应用：目前普遍采用EDA（电子设计自动化）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）、DSP（数字信号处理）、ASIC（专用集成电路）及SMT（表面贴装技术）等。2产品结构变化，注重性能价格比：在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软化，随着
5、各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。3产品开发准则发生了变化：从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为“恰到好处”。开发一项成功产品的准则是，用户有明确的需求；能用最短的开发时间投放市场；功能与性能要恰到好处；产品开发准则的另一变化是收缩方向，集中优势。4生产技术注重专业生产，不搞大而全：生产过程采用自动测试系统。目前多以GP-IB仪器组建自动测试系统。生产线上尽是一个个大的测试柜，快速地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。1.2
6、 目前国内对数字电流表的研究现状 当今数字电流表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。数字电流表有很高的输入阻抗，通常为10M-10000 M，最高可以达到1000000 M.这样在测量时从被测电路上吸取的电流很小，不会影响被测信号源的工作状态，由此可减少信号源内带来的附加误差。数字点流表在每秒中内被测电压的测量次数，叫测量速率，测量速率一般都非常高。高档的数字电流表大多采用数字滤波和符地保护等技术，进一步提高了抗干扰能力，其共模抑制比可达80-100DB，串模抑制比为100DB左右5。我国对数字电流表的研究也走过几十年的历程，下面介绍两个例子：6-7SB15B型交流数字电流表是一种4
7、CMOS大规模集成电路的小型普及型仪表，其测量结果用五位LED显示。该表具有体积小，功耗低、可靠性好、性能优良、适应性强以及使用方便等特点，它与各种传感器或转换器相配合可方便地实现各种电量和非电量的数字化测量，是各类测量仪器与控制台上的配套仪表。PF42型面板式多路直流数字电压表采用3位CMOS大规模集成电路的小型仪表，可对4个被测讯号进行手动、自动、遥控巡回检测，其测量结果用4位LED（红色）显示。该表具有体积小、功耗低、可靠性高、性能优良、适应性强、使用方便等特点，它与各种传感器或转换器相配合，可方便地实现各种电量和非电量的多路数字化测量，是各类测量仪器与控制台上的配套仪表。2 数字电流表
8、主要研究成果 当今对数字电流表的研究已经已经很成熟了，基于各种技术原理制成的数字电流表层出不穷，下面我们简单介绍几种数字电流表。2.1 基于单片机的数字电流表 基于单片机的数字电流表基本结构都比较类似，这类数字电流表主要由：A/D 转换电路、 单片机控制电路、 数字显示电路组成。单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多不同功能的应用电路来。它具有体积小，驱动电流小，动作快，操作快，结构简单等优点8。模数转换芯片将被测电压输入端采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系列进行软件编程，使单片机按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法测出被测量的电压值。最后单片机系统将测量好
9、的电流值融入显示电路并加以显示。92.2 基于ASIC芯片和外围设备组成的数字电流表 由ASIC芯片和外围硬件设备组成的数字电流表通常具有灵活性不强等缺陷。A/D转换器在控制ASIC所提供的时序信号作用下，将输入的模拟信号进行转换，转换结果再经过控制核心运算和处理，最后数字电流信号由驱动输出装置显示出来。由于系统功能由硬件结构决定，所以难以更新和扩展10。经ASIC采样转换成电流值后传送到输出接口模块。输出接口模块具有模拟电压输出和数字信号输出两种接口。模拟电压由示波器测量显示;数字信号直接送至数据处理与显示模块,通过单片机系统采集并驱动数码管显示11。2.3 基于CPLD(Complex P
10、rogrammable Logic Device)的数字电流设计 CPLD是新型的可编程逻辑器件，与传统ASIC相比，具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进等优点，特别适合于产品的样品开发和小批量生产。传统的数字电压表多以单片机为控制核心，芯片集成度不高，系统连线复杂，难以小型化，尤其在产品需求发生变化时，不得不重新布版、调试，增加了投资风险和成本。而采用CPLD进行产品开发，可以灵活地进行模块配置，大大缩短了开发周期，也有利于数字电流表向小型化、集成化的方向发展。12 2.4 基于FPGA（FieldProgrammable Gate Array）新型数字电流表设计 采用现场可编程
11、门阵列即FPGA为系统核心, 是当今电子产品设计的热门发展方向。系统最大限度地将所有器件集成在FPGA芯片上, 体积大大减小、 集成度高, 可靠性高。而且逻辑单元控制灵活、适用范围极广, 实现了大规模和超大规模电路的集成。其硬件功能完全由软件编程实现, 修改调试方便, 在不改变原有电路的基础上便可实现系统升级。被测电信号进入 A/ D转换器, FPGA 中控制信号模块发出控制信号, 启动 A/ D 转换器进行转换,其采样得到的数字信号数据在相应的码制转换模块中转换为显示代码。最后译码驱动模块发出显示控制与驱动信号, 驱动外部的 LCD 模块显示相应的数据。通过外部的键盘, 可以手动对系统进行复
12、位控制和档位选择, 不同的档位决定不同的电压输入范围, 在程序中实现自动转换。133 高精度数字电流表的发展趋势和存在的问题3.1 数字电表发展趋势 科技高速发展，数字电流表也不例外，它已成为实现测量的自动化、提高工作效率必不可少的测量仪表，现在已经广泛应用于电子、电工测量，自动化测试系统等领域。 采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。文献14简略概括了数字电流表的发展有如下几个趋势：1.模块化的发展方向：新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、
13、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。 表面安装技术和表面安装元器件将获得普遍应用。这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。 2.多重显示仪表：为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，数字/模拟条图双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。 3.安全性方向：仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广
14、大用户都是至关重要的问题。一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准（例如美国UL认证，欧洲GS认证，ISO9001国际标准质量认证）；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警告指示。仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。以DMM为例，常见的误操作是用电流档或电阻档去测量电压。 4.操作简单化：智能科技的发展，数字电流表正朝着越来越简单智能的操作发展。操作也会越来越简单智能。 3.2 数字电流表存在的问题 1.产品可靠性差：现代工业仪器仪表的总体特征是高可靠性、高性能、高适用性。我国企业的大部分产品与国外产品的差距也正是在这方面。例如：我国自行研
15、发的分散型控制系统(DCS)和电磁流量计，这些产品的基本性能和功能已接近国际水平，但在可靠性和工程应用能力等方面尚有一定差距。 2.数字化、智能化、集成化水平低：现代工业仪器仪表的技术特点和趋势是数字化、智能化、网络化和集成化，而我国产品一般常规品种居多智能型产品刚刚起步。以核电控制系统及仪表集成为例，由于基础较弱，进入数字控制技术时代以后差距更大。 高新技术研发滞后:国外的智能执行器已采用变频调速、新型电机、低工耗、微型压电陶瓷I/P转换器、蓝牙通信技术、智能化和现场总线等新技术，而国内才开始起步。 3.产品精密度低：以质量流量计为例,国外的测量精度分为4个档次,精度最高并能测量气体的为0.1级,最普遍的为0.15级而国内目前只能达到经济型的0.2级和适用型的0
