电压表毕业设计

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1、目录引言数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本论文重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字

2、电压表的工作原理。1 实训要求 （1）基本要求：1.具有开机自检、自动量程转换功能；2.使用220V/50Hz交流电源，3.设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。（2）具体要求：1.直流电压量程为200mV、2V、20V、200V2. 分辨率：100V(200mV量程)3. 测量误差：(0.5%(读数)+0.5%(满度值)4. 输入电阻：10M5. 测量速度：每秒23次6. 显示方式：4位LED数码管显示被测电压值。2 实训目的 （1） 进一步熟悉和掌握单片机的结构和工作原理； （2） 掌握单片机的借口技术及，ADC0809芯片的特性，控制方法； （3） 通过这次实训设计，掌握以单片机为核心

3、的电路设计的基本方法和技术； （4） 通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计的方法和调试技术。3 基本原理 基本原理如图1所示，信号经过衰减处理后通过采样保持器采样保持，由AD转换成数字信号，再由单片机控制和计算后将结果送LED显示。量程的自动切换由单片机通过程序控制多路模拟开关来完成。由于要求采用现场的220 V交流电源，所以本文设计了电源电路，将220 V交流电转换成电路可用的低压直流电。3 硬件系统设计 在硬件电路设计中多次采用了电容滤波来消除干扰信号，同时采用了跟随器，跟随器的输入阻抗很大，可以解决信号传输中的衰减问题。又考虑到单片机的驱动能力很小，在设计中加入了7407用来驱

4、动LED显示。整个硬件系统主要由以下几部分组成： (1)电压信号衰减电路：将输人的0500 V被测电压信号衰减成05 V。 (2)量程自动切换电路：完成信号量程选择及其小数点位置选择。 (3)采样保持器：对模拟信号进行采样并保持。 (4)模数转换及控制电路：完成对采集的数据处理和对系统的控制。 (5)显示器：由74LS164和数码管组成，将测量的电压信号显示出来。 (6)整流电路：将交流电整流成直流电，作为电源给数字电压表供电36 整流电路 数字电压表的设计电路中用到了两个直流电压5 V和12 V，而设计要求采用现场提供的交流220 V电源，因此需要经过整流电路把220 V交流电源转化为5 V

5、和12 V直流电源。本系统中采用了单相桥式整流电路，如图7所示，为了减小纹波以及消除高频谐波电路中加入了电容滤波。 式中：Tm为相邻两次采样的时间间隔；um为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N为一个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等，即Tm为常数T，考虑到N=(TT)+1，则有： 根据式(2)可以由一个周期内各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号的有效值。31 电压信号衰减电路 电压信号衰减电路如图2所示。为了在输入大电压时不损坏电压表内部器件先对电压进行衰减，该设计中用阻抗进行1：100衰减，为防止衰减后信号电压过小又通过运算放大电路以及多路开关CD4052进行信号放大，其中的

6、51 V稳压管起过压保护作用。 。2 32 量程自动切换电路设计思想和原理 自动量程的实现一般是通过控制输入信号的衰减/放大倍数实现的，自动量程转化电压表，其输入的测量电压会大于其AD转化器的输入范围，所以它的测量切换基本上是信号衰减倍数的切换过程。 自动量程控制过程：自动量程转化由初设量程开始，逐级比较，直至到最佳量程为止。测量过程，输入电压经过电阻的分压衰减20倍，在通过LM324同向放大器将电压发大，此时就是量程选择的关键，如果放大5倍则是20V的量程，如果放大50倍，选择的是2V的量程，如果放大500倍则选择是200mv 的量程，那么如何选择放大多少倍呢?因为是自动转化所以我们只能通过

7、程序去控制选择哪一路，所以我们需要一个模拟开关通过单片机控制它哪一路导通来选择放大倍数。下面是控制的流程图：自动量程控制开始 升量程处理欠量程？ 降量程处理 超量程？ 测试程序 至最高量程YNY 结束N3 自动量程转化电路图4 自动量程控制电压表程序流程图：上面已给出 量程的自动切换由初设量程开始，直至选出最佳的量程为止。量程自动切换电路如图3所示，控制开关的闭合和断开都有一个短暂的过程，为解决这个问题系统中采用软件延时，然后再进行测量与判断。为了避免相邻两量程交叉点上可能出现的跳动，在程序中把低量程的上限比较值和高量程的下限比较值之间设计了一定的重叠范围。该单元中运算放大器与多路模拟开关CD

8、4052的其中一组开关执行相应量程的选择，另一组开关接LED的小数点，选择不同量程时分别点亮相应LED的小数点位。CD4052的A、B以及INH分别接单片机P21，P20，P22。33 采样保持器 在测量交流电压时，AD转换器的转换误差与信号的频率成正比。为了提高模拟量输入的频率范围，故选用采样保持器。在此设计中采用LF398作采样保持器，采样保持器的原理结构图如图4所示，保持电容Cn取值和采样频率以及精度有关，常选5101 000 pF。一般选用聚苯乙烯，聚四氟乙烯等高质量的电容器。3.4.MC144333.4.1MC14433主要特性参数在数字仪表中，MC14433 电路是一个低功耗位双积

9、分式AD 转换器。和其它典型的双积分A/D 转换器类似， MC14433AD 转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用MC14433 时只要外接两个电阻(分别是片内RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI)和两个电容(分别是积分电容CI 和自动调零补偿电容C0)就能执行位的AD 转换。MC14433 内部模拟电路实现了如下功能：1） 提高AD 转换器的输入阻抗， 使输入阻抗可达l00M 以上；2） 和外接的RI、CI 构成一个积分放大器， 完成VT 转换即电压时间的转换；3） 构造了电压比较器， 完成“0” 电平检出， 将输入电压与零电压进行比较， 根据

10、两者的差值决定极性输出是“1” 还是“0” 。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号；4） 与外接电容器C0 构成自动调零电路。除“模拟电路”以外，MC14433 内部含有四位十进制计数器， 对反积分时间进行3 位半BCD 码计数(01999)， 并锁存于位十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号(DU) 作用下，实现AD 转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关， 从高位到低位逐位输出BCD 码Q0Q3， 并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1DS4 实现位数码的扫描方式（ 多路调制方式） 输出。MC14433 内部的控制逻辑是AD 转换的指挥中心， 它统一控制各部分电路的工

11、作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成AD 转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压VREF 进行积分时， 控制逻辑令4 位计数器开始计数， 完成AD 转换。MC14433 内部具有时钟发生器， 它通过外接电阻构成的反馈， 井利用内部电容形成振荡， 产生节拍时钟脉冲， 使电路统一动作， 这是一种施密特触发式正反馈RC 多谐振荡器， 一般外接电阻为360k 时， 振荡频率为100kHz； 当外接电阻为470k 时， 振荡频率则为66kHz， 当外接电阻为750k 时， 振荡频率为50kHz 。若采用外时钟频率。则不要外接电阻， 时钟频率信号从CPI(

12、10 脚)端输入， 时钟脉冲CP 信号可从CPO( 原文资料为CLKO)(11 脚)处获得。MC14433 内部可实现极性检测， 用于显示输入电压UX 的正负极性； 而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压Vx 超出量程范围时， 输出过量程标志OR（ 低有效）。MC14433 是双斜率双积分AD 转换器， 采用电压时间间隔(VT) 方式， 通过先后对被测模拟量电压UX 和基准电压VREF 的两次积分， 将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔， 用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目， 即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解： 首先对被测电压UX 进行固定时间T1 、固

13、定斜率的积分， 其中T1=4000Tcp 。显然， 不同的输入电压积分的结果不同（ 不妨理解为输出曲线的高度不同） 。然后再以固定电压VREF 以及由RI,CI 所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零， 显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言， 这一次的积分时间必然不同。于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数， 则该数N 就是被测电压对应的数字量。由此实现了AD 转换。积分电阻电容的选择应根据实际条件而定。若时钟频率为66kHz，CI 一般取0.1F 。RI 的选取与量程有关， 量程为2V 时， 取RI 为470k； 量程为200mV 时， 取RI 为27k 。选取R

14、I 和CI 的计算公式如下： 式中，UC 为积分电容上充电电压幅度, UC = VDD -UX(max) -U,U = 0.5V, 例如，假定CI=0.1F，VDD=5V，fCLK=66kHz 。当UX(max)=2V 时，代入上式可得RI=480k，取RI=470k。MC14433 设计了自动调零线路， 足以保证精确的转换结果。MC14433D 转换周期约需16000 个时钟脉冲数， 若时钟频率为48kHz， 则每秒可转换3 次， 若时钟频率为86kHz， 则每秒可转换4 次。3.4.2 MC14433引脚功能MC14433 采用24 引线双列直插式封装， 外引线排列， 参考图1 的引脚标注， 各主要引脚功能说明如下： (1) 端：VAG， 模拟地， 是高阻输入端， 作为输入被测电压UX 和基准电压VREF 的参考点地。(2) 端：RREF， 外接基准电压输入端。(3) 端：UX， 是被测电压输入端。(4) 端：RI， 外接积分电阻端。(5) 端：RICI， 外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6) 端，C1， 外接积分电容端， 积分波形由该端输出。(7) 和(8) 端：C01 和C02， 外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容C0 取0.1F 。(9) 端：DU，