数字电压表的设计

综合电子技术实验第1页数字电压表的设计1.方案选择2.A/D转换接口电路设计3.放大电路设计4.显示电路设计5.自检与自动校准、自动量程转换电路设计6.外部通讯接口7.基本要求8.扩展要求综合电子技术实验第2页1.方案选择全硬件实现；基于单片机实现；1.1全硬件实现选择具有直接驱动LED或LCD显示的A/D转换器，其工作过程完全由硬件控制。该类ADC如ICL7106。原理框图综合电子技术实验第3页ICL7106及辅助元件LCD显示器量程切换电路被测量综合电子技术实验第4页1.方案选择1.1基于单片机实现方案要点选择合适的A/D转换器；工作过程由单片机软件控制；优点：扩展功能；数据处理；外部数据通讯原理框图综合电子技术实验第5页单片机(程序)A/D转换器LED/LCD数码显示数字逻辑电路PC机AMP被测信号综合电子技术实验第6页2.A/D转换接口电路设计ADC类型：数字电压表中常采用双积分式ADC。具有较高的抗干扰特性。分辨力与转换速度：12~16bit或31/2~41/2；几次~几百次/秒。启动信号：输出接口的某个位；单片机中可采用具有位操作的口线，如P1x。转换状态信号：查询方式：通过输入接口的某个位读取转换状态信号；通过单片机具有位操作的口线读取，如P1x。中断方式：将转换状态信号用作中断信号。综合电子技术实验第7页2.A/D转换接口电路设计参考（基准）电压：根据双积分A/D转换原理，需要一个参考电压，对于没有内部基准的ADC，需外部提供。需注意基准电压源的温度系数。如对于16bitADC，1LSB=1/216=1/65536=15ppm，即基准电压源的温度系数应好于15ppm。参考时钟：一般可采用外部晶体振荡器构成。A/D转换结果的数字量读取：二进制或十进制；输出编码方式；并行或串行；内部输出锁存；对8位单片机需用软件两次读取。溢出、极性：A/D转换结果除数字量外，一般还有溢出位和极性位。积分电容、积分电阻：基本关系式：2xrnNVV综合电子技术实验第8页3.放大电路设计仪用放大器（IA，InstrumentAmplifier）基本结构：增益公式423121oiVRRGainVRR++--+-R2R2R1R3R3R4R4VoVi+Vi-综合电子技术实验第9页3.放大电路设计特点：三运放结构；高共模抑制比；双端差分输入单端输出；通常改变电阻R1，可改变增益；设计选型采用三运放构成，如OP07；采用集成IA，如AD620、PGA系列；对于小信号放大，通常采用两级放大。综合电子技术实验第10页4.显示电路设计显示方式选择：静态显示/动态扫描；对于3~4位数字电压表，可采用静态显示方式显示器件：LED或LCD静态显示接口设计：BCD七段码译码器；驱动器；锁存器；通常：采用集成化器件，即译码器+驱动器+锁存器，如常用的CD4511。注意：加限流电阻。综合电子技术实验第11页5.自检与自动校准、自动量程转换电路设计自检输入为已知的参考电压或接地（0V），检测A/D转换结果。多个量程的自检，需要不同的参考电压。参考电压大小一般可设置为80~90%FS。通过多路转换开关（MUX）切换参考电压和被测电压。自动校准测量电路、内部器件存在零点和增益的漂移。校准原理：综合电子技术实验第12页5.自检与自动校准、自动量程转换电路设计校准过程：（1）零点校准：（2）参考电压校准：（3）接入被测电压：校准后结果：0osNkU()rrosNkVU()xxosNkVU00xxrrNNVVNN综合电子技术实验第13页5.自检与自动校准、自动量程转换电路设计自动量程转换当被测电压变化时，选择合适的输入放大器增益，充分利用A/D转换器的动态范围，有利于提高测量分辨力。改换量程方式：手动、自动。自动量程转换原理：注：相邻量程之间应有一定重叠。综合电子技术实验第14页6.外部通讯接口常用接口方式：RS-232、EPP、USBRS-232:电平转换；设计：UART芯片（如8250）或单片机的UART（最简单的三线串口：发送、接收、信号地）。通讯规约：自定义——需考虑引导头、数据块、校验码等。实现——软件编程。综合电子技术实验第15页7.基本要求1.基本功能：数字电压表的电压测量。2.注重独立完成资料查阅、方案设计、原理设计、器件选型、实验板制作、调试、测试、分析、撰写设计报告的全过程训练。3.可参考已有设计或其它同学设计，但必须对设计方案和原理进行较细致的阐述。4.分辨力：31/2~41/2或12bit~16bit。5.量程：4档，可手动切换。6.设计报告：按科技文献的规范化要求撰写。应有测试数据及误差分析。综合电子技术实验第16页8.扩展要求除基本要求外，包括以下一项或多项：1.电流或电阻测量功能；2.自检；3.校准；4.自动量程转换；5.LCD显示；6.外部通讯接口；6.较好的设计工艺，具有一定的实用价值；7.设计报告规范、完整、图表齐全、逻辑性强、可读性好、数据分析正确。