积分型直流数字电压表的设计学校：陇东学院系别：信息工程学院专业：计算机科学与教育班级：10 级 1 班指导老师：马宏艳姓名： 高治章 梁明明2积分型直流数字电压表的设计目 录摘要 3第一部分：系统方案3第二部分：理论分析与计算 4第三部分：电路与程序设计 8总结 14参考文献14附录一 主程序流程图 15附录二 元器件清单 17附录三 部分源程序203摘要：本设计为具有精度高，抗干扰强等优点的双积分式直流数字电压表, A/D 转换器部分采用普通元器件构成模拟部分，利用 MEGA8 单片机借助软件实现数字计数显示功能，同时采用 MEGA8 单片机编程实现直流电压表量程的自动转换、自动校零、和液晶显示等功能。第一部分 系统方案一、总体方案设计与比较方案一： 运用三极管产生积分电路，并用继电器控制导通性，并用计数器计数转换，这种电路误差较大，不能自动转换量程。方案二：用运放 OP07 产生积分电路，同时运用单片机控制模拟开关，从而自动转换，自动调零，同时对输入电压经过分段落处理，也经过放大，比较，来调节其电压，最终通过单片机对电压进行转换并用液晶显示出来，最终达到积分式直流电压表的目的。这种方案积分性好，容易控制，自动化强，精确高。1、 总体电路构成本系统由输入放大与量程转换电路、双积分 A/D 转换电路、单片机计数控制电路、LCD 数字显示器构成。总体结构框图如图 1 所示。图 1 总体电路框图2、工作原理我们小组根据题目要求与发挥部分要求，选择方案二,电压比较器输入电压经过放大电路，比较电路，积分电路，最终把电压送入单片机进行处理，最终用液晶显示出来。灵活运用单片机控制模拟开关，利用单片机的自动调自动校零 程控放大 比较输出 单片机 显示积分电路输入电压电源4零，还有实现量程的自动转换的功能，然后，用液晶 LCD128*64 显示出来。二、各单元电路设计1、程控放大电路：完成输入信号的调理和量程（200mV，2V 或更多）的转换。2、自动校零电路：输入电压信号经过信号调理电路（程控放大等） 、双积分电路等处理，最后转化成时间信号，单片机将时间量化成数字信号输出。由于外界因素（如温度等）的影响，即使输入的电压信号等于 0，输出的数值也不等于 0，且数值随外界因素（如温度）的变化而变化，即零点漂移。实际测量值必须减除零点值才能反映真实的输入，完成自动校零功能。3、积分器电路：由运放组成，完成电压时间的转换。4、控制部分：我们现在利用单片机软件编程与模拟开关硬件控制 P13 将量程分为 200mv 到 2V 发挥部分的第 2 项要求，同时实现自到转换的功能。这达到发挥部分的第 7 个要求。通过液晶 LCD128*64 里面数据可以显示达到十进制 019999 的显示功能，这完成发挥部分的第 3 项。同时再用单片机P11 实现自动校零的功能。5、显示电路：完成人机对话。6、电源电路：为各电路提供电源。第二部分 理论分析与计算一、输入放大与量程自动转换电路输入电路的主要作用是提高输入阻抗和实现量程的转换。输入电路的核心是输入放大器和模拟开关 CD4066 组成的量程自动转换电路，如图 2 所示。TG1、TG2 是单片机控制的模拟开关，采用 CD4066 芯片，控制不同的增益。各种组合分析如下：(1)200mv 量程。TG2 导通，放大电路被接成电压串联负反馈放大器。放大倍数 Af及最大的输出电压 Uomx分别为：5图 2 输入放大与量程自动转换电路Uomx=200mV20=4V（2）2V 量程。TG1 导通，此时的电压放大倍数 Af及最大的输出电压Uomx分别为： Uomx=20020=4V由上述计算可见，输入 AD 转换器的规范电压为 0-4V，同时电路被接成了电压串联负反馈放大器形式，输入电阻高达 10000，完全达到题目的要求，电路输入端采用 RC 低通滤波电路抑制交流干扰。二、积分式 AD 转换器双积分电路是本系统的核心电路，由模拟开关、基准电压源、积分器和比较器构成。其电路原理框图如下图所示。61 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m be r R ev i sio nS iz eBD at e: 2 4-N ov -20 0 7 S he e t o f F ile : D :刘刘刘 b ao g ao .D d b D ra w n B y:V x-V re fRCU o1S 1S 2U o2图 3 积分式 AD 转换器的原理图图 3 是一个双积分式 AD 转换器的原理图。当 S1 打向 Vx 时，积分器对 Vx 进行固定时间（0T1）的正向积分，当 t=T1 时，积分器的输出电压为： 当 S1 打向-Vref 时，积分器从 t=T1 时开始对-Vref 进行反向积分。反向积分时间为 T2=t2-t1，由三要素法可知：所以 亦即 式（1）式(1)表明反向积分时间 T2 与输入的模拟信号值 Vx 成正比。当两次积分完成后，过零比较器输出电平 Uo2 跳变为低电平，通知单片机停止定时，计算反积分时间 T2。 其工作波形图如下图所示。71 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m b e r R e v i s io nS iz eBD a t e : 2 4 - N o v - 2 0 0 7 S h e e t o f F ile : D :刘 刘 刘 b a o g a o .D d b D ra w n B y :V x- V r e f000U o 1U o 2tttt 1 t 2T 1 T 2图 4 双积分式 AD 转换波形图三、计数器的设计题目基本要求测量分辨率为 1mV（2V 档），因此计数器至少要 11 位，发挥部分要求测量分辨率为 0.1mV（2V 档），计数器至少要 15 位，故本设计采用 MEG8 单片机实现控制和脉冲计数，构成 16 位计数器，内部采用 16MHZ 晶振，完全满足分辨率 15 位和转换速度 2 次/S 的要求。第三部分 电路与程序设计一、双积分 A/D 转换器模拟电路部分8图 5 双积分 A/D 转换器模拟电路部分二、 单片机控制、计数、显示部分电路采用 MEGA8 单片机实现对 CD4066 模拟开关的通断控制，从而实现量程自动转换、自动校零以及三斜积分 A/D 转换过程的控制；同时利用单片机编程实现 16 位高速计数功能。显示部分采用 LCD128*64 液晶显示器实现 A/D 转换数据和测量电压值的显示。单片机控制、计数器以及LCD 液晶显示电路如图 6、7 所示。9图 6 单片机控制、计数器电路 P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RST/VPD9 P3.0/RxD10P3.1/TxD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20 P2.0 21P2.1 22P2.223P2.3 24P2.4 25P2.526P2.6 27P2.7 28PSEN29ALE/PROG 30EA/Vpp 31P0.732P0.6 33P0.5 34P0.435P0.3 36P0.2 37P0.138P0.0 39VCC 4089S52JK-Y12MC7 22C8 225V5V5V 1234567891011121314151617181920LCD-DISENENRSRWCS1CS2RWRSCS1CS2GNDGNDGNDGNDVCCRSRWENDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2RESNCP0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7 P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7128X64液 晶 接 口10图 7 LCD128*64 液晶显示电路三、基准电压产生电路图 8 基准电压信号生成电路自行设计了一个从 0100mV 连续调节的模拟电压信号作为该系统的基准电压源，选用 TL431AA，其电压精度可以达到 0.5%；两组电压跟随器选用精密运放 OP07；可变电阻 RW101、RW103 选用多圈精密可变电阻；电位器 RW102 选用 10 圈线绕精密电位器。由 TL431 产生 2.50V 电压，经电位器 RW101 分压得到 100mV 电压送给第一组电压跟随器（由 IC101组成）输入端。第一组电压跟随器的输出由多圈精密电位器 RW102 进行分压，分压后的信号由第二组电压跟随器（由 U2 组成）输出 0-100mV的可调电压作为 A/D 转换电路的电压基准。 四、主程序流程（见附录一）11图 9 主程序流程图五、结论电路设计完成后，通过进行分辨率、测量误差以及转换速度测试，测试结果表明本设计达到了设计的基本和发挥部分的全部要求，并且具备自动校零和自动转换量程的功能。总 结本系统采用双积分式 A/D 转换器将输入的直流电压 ui转换成与 ui成正比的时间间隔，在此期间用 MEGA8 单片机计数器对恒定频率的时钟脉冲计数，计数结束时，计数器记录的数字量正比于输入的模拟电压，从而实现模拟量到数字量的转换。在设计过程中，因为使用普通器件，元器件较多，而且输入信号较弱容易受到干扰，所以力求硬件电路简单，努力从工艺上下功夫，并对某些电路进行创新。本系统达到了竞赛题目中的各项要求。同时，设计过程中遇到了许多困难，设计上还存在许多值得改进的地方。通过本次设计，我们深刻体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。参考文献：1.张军. AVR 单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社，2005 年122.曹建平. 智能化仪器原理及应用.西安电子科技大学出版社.2004年3.杨志忠. 数字电子技术. 高等教育出版社. 2000 年附录一：主程序流程1314附录二：元器件清单元件清单器件名规格（型号） 数量备注运算放大器OP07 2精密运算放大器可调电阻 10K 1 20 1 电阻200 1 47F/16v 3 电容100F/16v 2 二极管 1N4007 2 直流基准电压产生电路元件清单可调压稳压二极管TL431AA 1精度015.5%精密电位器 2.2K/2W1十圈线绕式运算放大器Op07 2精密运算放大器电压比较器LM311 2高速精密模拟开关CD4066 2 电容0.22uF 1 双积分A/D转换电路元件清单电阻1K 1 1620k 1 9k 1 电压比较器LM311 1 可调电阻 10K 4 单片机 MEGA8 1 100F 1 0.1F 1 电容22pF 2 电阻 10K 1 单片机部分电路元件清单晶振 16MHz 1 液晶WYM1602A1 显示电路元件清单可调电阻 1K1 CW7805 1 电源电路元件集成电路CW7905 1 17CW7812 1 CW7912 1 电阻 10 4 整流桥 RS307L 2 0.1F、8 清单电容1000F12