双积分式数字电压表

双积分式直流数字电压表摘要：双积分式数字电压表由模拟电压双积分电路、脉冲计数电路和数据处理和显示电路三个模块组成，可以把被测电压Ux通过积分器产生相应的时间Tx，然后再将T转换成相应的数字量N进行计数，从而实现U—T—N的间接变换。本系统以STC89C51单片机为核心，以运算放大器、电容、电阻及比较器制作的双积分型A/D转换器为主要部件，实现了结果测量精度可达4位半，误差在0.1mv左右，并实现了自动量程转换及自动校零功能，具有较好的使用价值的直流电压表，测量范围为1mV—2V，有200mV及2V两个量程。关键词：STC89C51单片机、双积分型A/D转换电路、自动量程转换、直流数字电压表一、系统方案根据题目给定的要求，在不采用A/D转换器的前提下，设计并实现一个双积分式积分式数字电压表，在发挥部分还要求能自动切换量程，对精度、分辨率、输入阻抗等指标都提出了较高的要求。根据以上分析，精度是这个题目的难点，整个设计过程都要围绕如何提高电压表的精度而进行，为此，分别作了几种不同的设计方案，并进行论证。1、单片机的选择方案一：51单片机。优点是学习型单片机，控制简单，价格低。缺点是处理速度慢。方案二：PIC单片机。优点是其大部分指令都是单周期指令，软件计时精度高，性能稳定。缺点是基于上述的比较分析，虽然PIC单片机也能实现题目要求的基本功能，但对于本设计，使用51单片机，资源可以得到充分运用，性价比较高，所以采用方案一。2、电子开关的选择方案一：CD4051模拟开关。优点是价格便宜，开关速度快，驱动方便，但导通电阻大。方案二：光控场效应管PhotoMOS。优点是导通电阻小且稳定，开关速度快，驱动方便，但价格昂贵。方案三：常规机械触点继电器。优点是导通电阻小且最稳定，价格便宜，但需要专门的驱动电路，开关速度慢。基于上述的比较分析，双积分电路和量程切换电路要求开关速度快，且考虑到价格方面，所以选择方案一。3、电源电路的选择方案一：采用串联型线性压电路LM7805。优点是纹波小，输出功率大，精度高，但效率低，发热量大。方案二：采用并联型线性稳压电路TL431。优点是精度更高，纹波更小。但输出功率小，效率低。基于上述的比较分析，本系统中，双积分电路为模拟电路，对电源的精度要求高，纹波小，但消耗功率很小，所以选择方案二。4、显示方法的选择方案一：采用LED数码管。优点是数码管亮度高，显示简单、清晰，但需要额外的驱动电路，占用单片机资源多，显示信息少。方案二：采用LCD模块。优点是微功耗，体积小，内置驱动电路，接口简单，显示信息量大，字迹美观，但价格较贵。基于上述的比较分析，显示部分选择方案二比较合适。二、设计与论证1、积分电路的设计理论为了使积分电路中积分电容在放电过程中尽可能的放电至零，特地在LM324运放的同相输入端接上负电压，因为在后面的过零比较器中，电容放电还未到零，其输出电平就会发生跳变，综合考虑，为减小误差，我们在同相输入端接上-500mV电压。（1）正积分：也称信号采集阶段。在这个阶段，通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对检测电压Vx0或Vx1积分。积分器的输出电压随时间线性地增加。正积分时间由单片机控制，定时为T考虑到工频的干扰，我们设定充电时间T=40ms。（2）反积分：也称计数阶段。在这个阶段，通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对基准电压Vf积分（3）自动回零：也称复位阶段。在该阶段因反积分使比较器输出由高电平变成低电平，再由单片机控制开关逻辑控制电路动作，是的积分电容上的电荷充分释放，输出电压降到零下图为积分器和比较器的输出波形：积分器输出波形比较器输出波形T0T1T22、自动量程的切换选择分析基于题目要求所设计的电压表分为200mV档和2V档，两档呈十倍的关系，就可以用两个运放OP07来实现档位的转换，前级运放相当于一个电压跟随器，起隔离保护的作用，后级的运放将前级输出的电压放大十倍，然后再通过积分电路，这样既保证了测量的精确，更有效的实现了量程的切换和电压值单位的选择。三、系统硬件设计1、系统原理框图本设计采用了以分立元件组成的双积分型A/D转换器为主要元件，配合单片机系统、显示电路等组成4位半积分式数字直流电压表的硬件电路。如图为电压表的系统方框图。单片机系统是以89C51单片机为核心；信号采集与量程转换电路是由OP07和模拟开关CD4051组成；积分比较与自动回零电路是由双积分型A/D转换器和过零比较器所组成；开关逻辑控制电路主要元件是模拟开关CD4051；显示采用了1602字符型液晶显示器；基准电压是由TL431稳压所得。采用双电源可以实现数模隔离。图中的Vx0是待测电压Vx经过由OP07所组成的电压跟随器后的输出电压信号（Vx0=Vx1），Vx1是由待测电压Vx经过另一个OP07组成的10倍放大电路后的输出电压信号。开关逻辑控制电路电源1积分比较自动回零电路信号采集与量程转换电路待测电压Vx基准电压VfSTC89C51SCI下载液晶显示电源2Vx0Vx1INT0四、系统软件设计软件设计主要完成时序控制、计数值采样、滤波、量程选择、BCD码转换、数据显示功能、包括时序子程序、滤波子程序、系数运算子程序、自动量程转换子程序、BCD码转换子程序、显示子程序等。如图为主程序流转图、时序子程序主要考虑单片机通过对开关逻辑控制电路的控制，使得A/D转换可靠进行；系数运算子程序包括减法、乘法和除法子程序，是处理计数值和实际待测电压的转换关系。开始初始化自动调零延时50ms启动计数器停止计数存储计数值滤波算法系数运算量程选择显示结束开始初始化P3.2低电平否大量程测量小量程测量小于0.2V否小于0.2V否量程标志位=0否清标志位置标志位清标志位置标志位返回YNNYNNYY五、测试方法和测试数据1、测试仪器数字示波器、数字万用表、直流稳压电源等2、测试数据从标准稳压电源输出标准的待测电压，用5位半数字万用表作为校准设备，分别用5位半数字万用表和本电压表对待测电压进行测量，并对测试结果进行了比较，如下表所示：200mV档测试信号的结果如表1-1所示：表1-1mV信号源输出值1.0000mv10.00mv35.38mv56.67mv94.63mv154.6mvLCDLCD显示值1.0013mv10.05mv35.39mv56.66mv94.64mv154.6mv2V档测试信号的结果如表1-2所示表1-2V信号源输出值202.3mv434.6mv845.5mv1.255mv1.436mv1.948mvLCD显示值0.2023v0.4345v0.8453v1.249mv1.433mv1.945mv3、测量周期及波形观察（1）在示波器上观察，采样周期大约为60ms，刚好是工频的整数倍，可以克服工频的干扰。（2）波形符合理论上的三角波形。4、测试结果分析测试结果表明，由上述测试结果设计的电压表达到题目要求，而且基本实现了题目的发挥部分的功能，可以比较精确的测量1mV—2V范围内的电压。本电压表当测量到了199.999mV时，自动切换为2V档，实现了量程自动转换功能。六、电路原理图：GND1VCC2VL3RS4/RW5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714LED+15LED-16LCD11602R75.1KR21KR5200R6510R810KR21201/2WR9100KR551KR48KR1200R121K-2+3674185J5OP07-2+3674185J6OP07P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9RXD10TXD11INT012INT113T014T115WR16RD17XTAL218XTAL119GND20Vcc40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P2.324P0.633EA31P0.732ALE30PSEN29P2.728P2.627P2.526P2.425P2.223P2.122P2.021J1AT89C51X013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7X3U24051C20.1UFC1103C40.39UFC310UFAR2RE1CA3U?TL43112J10CON212J11CON212J13CON212J18CON2D44148D34148GND+5VP05P06P07P23P22P21P20GND+5VR2210KGND1+5VP00P01P02P03P04P05P06P07+5VP20P21P22GND-5V1234567891011121314JP1LM324+5V-5V+5V-5V+5V-5V+5VGND12J12CON2-5V+5VR32KX0X1X0X1X2X3X2X3OUT1OUT1IN1_0OUT2OUT1IN1_0R133200OUT2OUTOUTP23P24P25P26P27P00P03P02P01-5V+5VGNDY012MHZC1030PFC930PFXTAL2XTAL1XTAL1XTAL2R13100R111KR109K-5VIN0_1S5SW-PBR151KR1610K+5VRSTRSTR2010UF-5V+5VIN0_1