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1、毕业设计题 目：数字电压表的设计作 者届 别院 部物理与电子学院专 业电子科学与技术指导老师职 称完成时间II毕业设计 摘 要在工农业，科研和教学中，数字电压表是不可或缺的仪器，以前的电压测量工具为传统的指针式电压表，这种电压表操作繁琐，稳定性较差，特别地，测量精度不够高，不能满足日星月异的现代电子测量需求。在这种情况下，数字电压表应运而生。本课题设计的数字电压表是以A/D转换器为核心。对AD转换电路，译码电路和显示电路等进行分模块设计。最后设计出的数字电压表具有正负电压极性，过量程显示、小数点显示,基本量程换档等等指标和功能。本课题所设计的数字电压表，其硬件系统所有的电子元器件较少，易于调节
2、，造价低廉，实践表明，此方案可行。关键词：数字电压表；A/D转换器；硬件系统Abstract In agriculture and industry, research and teaching, voltage meter is a necessity. The voltage measurement tools that used previously are traditional pointer voltage meter. It is characterized by cockamamie manipulation, poorer stability. Especially, the
3、 measurement accuracy is not that high, which cant meet the demand of modern electronic measurement that changing quickly. Under the circumstances. The digital voltage emerged as the times require. The A/D converter is the core processor of DVM in this thesis。This thesis did design to AD switching c
4、ircuit, decoding circuit and display circuit by module design. It is with the positive and negative voltage polarity, over range show，decimal show indicators and basic range shift function. The DVM designed here, have less components in the hardware system, easier testing and lower cost，After theore
5、tical research, this program will work.Keyword: DVM；A/D converter；The hardware system目 录摘 要IABSTRACTII第一章绪 论21.1 引言21.2 数字电压表国内外发展概况21.3 课题的目的和意义21.4 课题各章节的安排2第二章 数字电压表概述42.1 数字电压表的组成原理42.2 数字电压表的主要工作特性52.2.1 测量范围52.2.2 分辨率52.2.3 测量误差和测量速率62.2.4 输入电流与输入阻抗62.2.5 响应时间和抗干扰能力72.3 设计指标8第三章 数字电压表硬件部分的设计93
6、.1 A/D转换电路设计部分93.1.1 A/D转换器的选择和A/D转换电路工作原理93.1.2 A/D转换器CC14433的性能特点113.2 译码电路设计部分123.2.1 译码电路工作原理123.2.2 BCD码七段译码驱动器CC4511143.3 显示电路设计部分153.3.1 显示电路工作原理介绍153.3.2七路达林顿晶体管列阵MC1413163.4. 超量程设计173.5 总体电路设计19第四章 数字电压表的干扰及防护设计214.1 数字电压表的干扰介绍214.1.1 串模干扰214.1.2 共模干扰224.2干扰的抑制234.2.1对串模干扰的抑制234.2.2 共模干扰的抑制
7、24参考文献28总结与展望29致 谢30第一章绪 论1.1 引言 数字电压表,英文名称是digital voltmeter,即DVM。是一种利用A/D转换原理使被测电压转换为数字量。最终显示电压的大小是数字量的一种精密的电子测量仪器。数字电压表主要构成器件是模数转换器。与以前的指针式电压表相比较，数字电压表主要具有功能多样性的突出优势。而且数字电压表还具有高精确度、很强的抗干扰能力和具有一定拓展性等优点。并且可以与个人电脑实行实时通信。目前数字电压表已经较多的应用于工业方面的自动化仪表、电工电子元器件的测量、自动测量测试领域。数字电压表为现代化的发展作出了巨大贡献。1.2 数字电压表国内外发展
8、概况数字电压表是一种智能化仪表，在最近几十年间得到巨大的发展，其核心器件已从早期的中小规模电路发张到大规模的电路，目前国际以数字-模拟条图双显示数字电压表为流行款式。伴随着信息时代的到来，计算机技术的发展，电压表从以前的传统单一的测量电压转换到智能化的方向发展，即把电压表与计算机有机的结合起来，组成智能化数字电压表。目前已取得了令人兴奋的进展，发展潜力十分巨大，数字电压表正以广泛应用新技术，新工艺，新材料为突破口，不断开发新产品，并使其功能越来越多，操作越来越简单。1.3 课题的目的和意义随着工农业的发展与现代科技的需要，测量仪器特别是精密测量仪器越来越得到广泛的应用，而作为精密仪器之一的数字
9、电压表也成为了推动社会发展的不可或缺的一种工具，数字电压表与传统的电压表相比，最突出的特点是测量精度高，能满足现代精准测量的需求，其次还有量程宽，显示位数多，分辨率高，易于实现自动化等特点。因此，设计出一个以数模转换器为核心的数字电压表是具有现实实际意义的。1.4 课题各章节的安排第一章系统地阐述了目前国内外数字电压表的总体发展情况。数字电压表的应用与发展。为何要设计数字电压表这一问题的提出。第二章介绍了数字电压表的组成，包括对测量范围、输入电流与输入阻抗、和抗干扰能力等工作特性作了介绍。第三章阐述了数字电压表硬件部分的设计，其中包含了电子元器件的选择，特别地，对CC14433芯片的特点作了重
10、点介绍，此外还对硬件部分的工作原理和功能作了介绍。其中包括A/D转换电路，电压显示电路等。第四章为抗干扰的设计，其中包含了硬件和软件部分的抗干扰设计。第二章 数字电压表概述2.1 数字电压表的组成原理数字电压表（DVM）运用了A/D转换原理，将作为模拟量的测量电压转换成离散量（即数字量），最后采用数字形式把测量结果显示出来的一种电子测量仪器。一台典型的直流数字电压表主要由输入电路，模数转换器，显示部分，以及电源电路等几部分组成。如图2.1所示。因此一台数字电压表除供电电源外，主要有模拟和数字两大部分组成。图2.1直流数字电压表的基本方框图由图可知，被测电压作为模拟信号首先被A/D转换单元采集并
11、量化，再对转换的结果进行标度变换，这样便得到了被测电压的数值，然后把所得数据由SOI串行数据接口输出到驱动显示单元，驱动显示单元对该平均值完成译码，最后驱动译码管显示。A/D转换器是数字电压表的核心，由于在数字电压表中使用的A/D转换器的功能是把被测电压转换为与之成比列的数字量，因而是一个电压-数字（V/D）转换器。因为电压是一个最基本的电量，且许多物理量都能方便地转换成电压，因此电压-数字转换时一种最基本，最常用的A/D转换方式。因为事先电压-数字转换的原理和方案有许多种，因而相应地也有各种不同类型的数字电压表。数字电压表与指针式电压表相比。具有速度较快，数字显示读数准确，结构简单、精度高、
12、抗干扰能力强等特点，它的数字输出可由打印机记录，也可送入计算机进行数据处理。它与计算机及其他数字测量仪器，扫描仪、绘图仪，计时器等外围设备配合可以构成各种各样的自动测试系统，目前，数字电压表广泛用于电压的测量和校准。直流数字电压表是数字电压表中最常用的一种。在直流表的基础上，适当加入各种输入转换装置，便可以构成能测交流电压的交流数字电压表。2.2 数字电压表的主要工作特性2.2.1 测量范围测量范围是指能测的最小电压到最大电压之间的这一范围。除此之外，还应写明量程的选择方式（如手动、自动和遥控等）。1) 量程：扩大量程主要借助于电阻分压和输入放大器。我们把没有通过衰减或者放大的量程定义为基本量
13、程。基本量程也是测量误差最小的量程，例如DS-14的量程分为500V,50V,5V,0.5V等四档，其中5V为基本量程（没有经过放大和衰减，直接加到A/D转换器）。本设计中的基本量程为2V。2) 位数：位数是表示数字电压表性能的一个基本参量。数字电压表位数是以完整的显示位数（能显示09的10个数码的显示位）的多少来决定的，因此最大显示为9999、11999和19999的数字电压表均有四位完整显示位。3) 超量程能力：超量程能力是数字电压表的一个重要的性能指标。超量程能力能在被测量超过允许最大值时保证测量结果的精度和分辨率。例如，当满量程时10V的数字电压表时，其输入电压从9.999V变成10.
14、000V时，如果数字电压表没有超量程能力，则必须转换用100V量程档，从而得到“10.00V”的显示结果，这样会丢失0.001V的信息。在通常情况下，把最大量程是9999的叫做4位数字电压表。最大显示为19999的称为4.5位数字电压表，最大显示为39999或者59999的叫做3.75位数字电压表。除此之外，也经常用百分数来表示超量程能力，例如3位（约为1000）有100的超量程能力。2.2.2 分辨率分辨率是数字电压表能够显示的被测电压的最小变化值。显然，在不同的量程上，数字电压表的分辨率是不同的。在最小量程上的分辨率对应的便是最高的分辨率，我们常把最高分辨率作为数字电压表的分辨率指标，例如
15、，DS-14型电压表的最小量程档为0.5V，末位跳一个字所需要的平均电压为10V，故称DS-14型电压表的分辨率为10V，在某些时候也用百分比来表示，例如3.5位的分辨率是0.05。因为分辨率与数字电压表中的A/D的位数有关，位数越少，则分辨率就越低，所以有时候称具有多少位的分辨率。例如，称8位A/D的分辨率便是8位，同时，分辨率越高，被测电压越小，电压表越灵敏，所以有的时候又把分辨率称为灵敏度。2.2.3 测量误差和测量速率数字电压表的固有误差用绝对误差表示，其表示方式是; (2.1)式中，为被测电压的指示值，为该量程的满度值，a为误差的相对项系数，b为误差的固定系数。上式的右边第一项与读数成正比，称为读数误差，第二项为不随读数变化而变化的固定误差项，称为满度误差。读数误差包含刻度系数，即转换系数和非线性等因素产生的误差。满度误差包括偏移，量化等产生的误差。由于满度误差不随读数而变，所以可用n个字（d）的误差表示，即：
