7.第三章结果与讨论

第三章水解产物分析结果和讨论-33-第三章硬件电路设计3.1电压测量电路如图3.2.1所示，被测电压（0-200V）从DCV端输入，通过单片机控制模拟开关CD4052选择相应的量程，将被测电压值衰减到0-200mV，然后在经过由精密运算放大器OP07组成的放大电路，将电压值放大10倍后输入到A/D转换器MC14433的Vin端。分压电阻采用误差为±0.5%的精密金属膜电阻。图3.2.1直流电压测量电路在实践中采用该方案时，若输入信号小于正5伏，结果正确，但是当输入信号大于正5伏时，模拟开关CD4052和集成运放OP07CP均工作不正常。向老师请教后，得知该方案中，输入信号不经过任何衰竭直接加在模拟开关的1脚，使模拟开关处于不受保护的状态，当输入信号为大信号时，可能会使模拟开关工作不正常，甚至烧毁模拟开关,且模拟开关与运第三章水解产物分析结果和讨论-34-放直接相连，导致运放处于不受保护的工作状态。为了解决这些问题，我修改了设计电路。如下图3.2.2所示，该电路输入信号经过100千欧的电阻，从集成运放的反相输入端输入，由电阻、模拟开关和运放组成放大倍数可调的比例电路，并且这个100千欧的电阻还可以起到限流的作用，成功的解决了原电路的弊端。实践证明，该电路可以达到任务书的要求。图3.2.2改进后的直流电压测量电路3.2直流与交流的转换电路方案一：半波整流电路。利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，且能满足设计要求。方案二：采用真有效值转换芯片,性能参数方面也都能满足设计要求,并且还能测量非正弦波，但一般真有效值转换芯片价格比较贵。鉴于此，故采用方案一。第三章水解产物分析结果和讨论-35-如图3.3所示,这个电路是利用低漂移单运算放大器TL062与二极管D11N4148组成平均值响应的线性半波整流电路。该电路可避免二极管在小信号整理时所引起的非线性误差，使交流/直流转换电路的输入电压与输出电压成线性关系，适合测量40-400Hz的正弦电压，测量准确度优于±1%。图3.3交流/直流转换电路图3.3电阻与电压的转换电路方案一：利用运算放大器采用反相比例运算的方法进行测量。该方法实现比较简单，且能满足设计要求。方案二：采用分压原理，利用流过标准电阻R0和被测电阻Rx的电流基本相等来得到电压与电阻的关系，但当电阻很小时电流过大。鉴于此，故采用方案一。如图3.5所示。稳压二极管1N4730A的稳压值为3.9V（即B点处电压第三章水解产物分析结果和讨论-36-值），采用运算放大器反相比例运算的方法，将B点处的电压值衰减到2V（即A点处电压值），单片机通过控制模拟开关MAX4618（超低导通电阻）选择适当的标准参照电阻R1，再利用运算放大器反相比例运算的方法，将被测电阻RX的阻值转换成与之相对应的电压量，输入A/D转换电路。电阻/电压转换电路的计算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1*Uin/UA。图3.5电阻/电压转换电路图3.4A/D转换电路A/D转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。所以我依据设计性能指标要求，并综合A/D转换器的性能指标和价格选择了ICL7106和MC14433这两个A/D转换器作为候选芯片。ICL7106的输入阻抗为1010Ω，转换速率为0.1-15次/s，转换准确度为±0.05%±1个字；MC14433的输入阻抗为109Ω，转换速率为3-10次/s，转换准确度为±0.05%±1个字，因此这两块芯片的性能指标大大超过设计要求的性能指标。由于以上我们经过论证，MC14433为更好的选择，所以我们选用MC14433作为我们的A/D转换芯片。MC14433是美国摩托罗拉（Motorola）公司生产的COMS单片31/2位A/D转换器，也是目前国内外数字式多用表中普遍采用的一种芯片。MC14433的主要特点：第三章水解产物分析结果和讨论-37-（1）工作电压为±4.5-±8V。一般选典型值±5V，工作电流小于2mA，功耗为8mW。（2）输入阻抗为109Ω，转换速率为3-10次/s，转换准确度为±0.05%±1个字。（3）采用CMOS工艺制成的大规模集成电路(LSI)。（4）芯片内部设有时钟振荡器，使用时仅需外接一只振荡电阻。亦可采用外部时钟输入方式，时钟频率范围大约为48kHz-160kHz。（5）有多路调制的BCD码输出，可直接配微型计算机或打印机。（6）具有超量程、欠量程指示信号，便于实现自动量程转换。（7）能增加读数保持功能。（8）采用动态扫描显示方式。如图3.1所示,MC1403提供输出可调基准电压Vref（大小为2V），被测信号（0-2V的直流电压）从MC14433的Vin引脚输入A/D转换器MC14433，每次当A/D转换结束时，MC14433的EOC引脚会输出一个高电平脉冲送给单片机，然后单片机会对MC14433的DS1-DS4引脚进行动态扫描，读取MC14433的Q0-Q3引脚的数据。A/D转换相关理论推导：双积分过程可以由下面的式子表示：1112111011TCRVdtVCRVxttx因为0201VV，故REFxXVTTV1，式中1T=4000CPT，1T是定时时间，XT是变时间，由1R1C确定斜率，若用时钟脉冲数N来表示时间XT，则被测电压就转换成了相应的脉冲数，实现了A/D转换。第三章水解产物分析结果和讨论-38-1R1C的参数计算：CXVTCVR11(max)（式1）式中CV为积分电容上充电电压具有自动调零和自动转换极性功能。幅度，CV=VVVxDD(max)，且V=0.5V，T=4000clkf1。假定1C=0.1uF，DDV=5V，clkf=66kHz。当(max)xV=2V时，代入式1，可得1R=480k，取标称值470k。第三章水解产物分析结果和讨论-39-3.5电压与电流的转换电路图3.4电流/电压转换电路图如图3.4所示，普通模拟开关可以通过的电流很微小，所以通过单片机控制继电器来控制线路导通断开，将被测电流信号（0-500mA）转换为相应的电压信号（0-200mV），然后经过OP07将信号放大10倍，最后输入A/D转换器MC14433的Vin端。1A/250V的熔丝管FU为限流保护电路，两个二极管1N4007构成保护为过压保护电路。阻值为90Ω、9Ω的电阻采用误差为±0.5%的精密金属膜电阻，而阻值为0.4Ω、0.6Ω的电阻通过的电流很大必须采用误差为±0.5%的精密绕线电阻。3.6自动量程转换电路方案一：采用软件来实现。通过单片机读取MC14433的数字信号来控制模拟开关，从而改变反馈电阻的大小实现档位的不同选择，能够很容易满足测量范围的要求。此方案是电路比较简单，实现也较容易。方案二：采用硬件实现。电路的核心是一块双向移位寄存器CC40194，移位方向由MC14433过量程信号控制，并且还要外接一些数字电路才能实现换档，电路比较复杂，不方便。第三章水解产物分析结果和讨论-40-鉴于此，故采用此方案一。3.7单片机与显示电路AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。如图3.6所示，单片机采用12MHz时钟晶振，LED显示电路采用共阳极动态法连接，占有I/O接口少，连线较简单。开关K1为功能选择开关，K2为量程选择开关，K3为选择确认开关（在读数显示时，K3为数据显示与单位显示切换开关）。P3.1-P3.5为模拟开关控制信号。开机自动复位。第三章水解产物分析结果和讨论-41-图3.6单片机控制与显示电路图第4章数字万用表的软件设计4.1程序流程图程序的主要功能：1、直流电压、交流电压、直流电流和电阻测量对象切换功能；2、手动量程和自动量程功能（超量程和欠量程判断）；3、超量程指示功能；4、数据显示功能（十进制数字形式，无效位消隐，小数点控制）；5、单位显示功能(正负极,数据单位)。第三章水解产物分析结果和讨论-42-图4.1程序流程图4.2程序源代码见附录B。第5章智能型数字式多用表系统测试5.1直流电压测试测试方案：通过按钮开关选择直流电压档，由直流稳压源提供电压进行测量，然后由单片机显示输出。档位输入电压实际电压误差(%)第三章水解产物分析结果和讨论-43-200mV50mV50.4mV0.84100mV100.7mV0.782V0.5V0.501V0.231V1.003V0.2620V5V5.02V0.3110V10.03V0.25200V50V50.1V0.24100V100.2V0.23结果分析：测量误差大部分在-0.2%~+0.2%范围内，在200mV档测量时，由于没有精密电阻，实践所用1M欧电阻误差较大，所以误差较大。测量结果基本满足设计任务书的要求。5.2交流电压测试测试方案：通过按钮开关选择交流电压档，由函数信号发生器提供一个50赫兹左右的正弦交流电压，输入到交流端进行测量。档位输入电压实际电压误差(%)200mV50mV50.7mV1.31100mV101.3mV1.322V0.5V0.504V0.891.0V1.008V0.78第三章水解产物分析结果和讨论-44-20V5.0V5.04V0.8410.V10.09V0.86输入电压频率为:50Hz结果分析：交流电压：0.2~20V，误差±2%±2个字，满足任务书的精度要求。5.3直流电流测试测试方案：通过按钮开关选择直流电流档，由于实验室没有直流电流源，我采用正5伏的稳压源，串联不同的电阻来提供不同的待测电流。该电流的理论值，由电压与电阻的比值计算得到。档位输入电流实际电流误差(%)2mA0.5mA0.508mA1.611mA1.017mA1.6820mA5mA5.07mA1.3410mA10.15mA1.46结果分析：直流电流：0~20mA，误差±2%±2个字，满足任务书的精度要求。因实验室找不到电流转电压电路所需的600毫欧和400毫欧特殊精密电阻，实践中没有连接200毫安和500毫安档位的测量电路。第三章水解产物分析结果和讨论-45-5.4电阻测试测试方案：通过按钮开关选择电阻档，将待测电阻接入测量端，然后选择合适的档位进行测量。档位理想电阻值测得的电阻值误差（%）2kΩ0.5kΩ0.512kΩ2.311kΩ1.022kΩ2.220kΩ5kΩ5.07kΩ1.3110kΩ10.15kΩ1.45200kΩ50kΩ51.1kΩ2.26100kΩ102.2kΩ2.212MΩ500MΩ0.513MΩ2.681MΩ1.025MΩ2.45结果分析：电阻0~2MΩ比任务书的0~200kΩ多一个测量档位，误差±3%±2个字，满足设计要求。第三章水解产物分析结果和讨论-46-