大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告積分式直流數(shù)字電壓表設(shè)計

1、2007全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告編 號： g 363 題 目： 積分式直流數(shù)字電壓表 學(xué) 校： 廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 參賽隊員姓名： 李 目錄一.摘要- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3二. 方案選擇與論證- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -42.1 設(shè)計要求- - - - - - -

2、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4 2.1.1基本要求- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -42.1.2發(fā)揮部分- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -42.2 總體設(shè)計方案- - - - - - -

3、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4 2.2.1系統(tǒng)基本方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5 2.2.2 v/f轉(zhuǎn)換方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -52.2.3 頻率測量方案- - - - - - - - - - -

4、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -52.2.4 控制器方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -62.2.5 顯示方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -6三、系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

5、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -63.1線性電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -63.2顯示電路設(shè)計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -83.3抗工頻干擾電路設(shè)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

6、 - - - - - - - - - - - -83.4自動校零電路設(shè)計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -9四、系統(tǒng)軟件設(shè)計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -104.1主流程圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

7、- - - - - - - - - - -11五、系統(tǒng)測試- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 125.1量程測試- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -125.2分辨率測試- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

8、 - - - - - - - - - - - - - - 125.3輸入電阻測試- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -125.4自動校零測試- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -125.5自動量程轉(zhuǎn)換測試- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

9、- - - - - - - - - - - - -13六、誤差分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13七、總結(jié) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -13參考文獻- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

10、 - - - - - - - - - - - - - - - - - -13附錄1主電路原理圖- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14附錄2主程序清單- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -15積分式直流數(shù)字電壓表設(shè)計報告摘 要本設(shè)計是基于stc89c52單片機開發(fā)平臺和自動控制原理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的一種高精度、智能化的數(shù)字電壓表系統(tǒng)。

11、該系統(tǒng)采用stc89c52單片機作為控制核心，由分立元件構(gòu)成雙積分式電壓/頻率轉(zhuǎn)換，作為a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)被測電壓的高精度(16位)數(shù)據(jù)采樣；使用比較器檢測輸入電壓的范圍，并實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換；同時具有顯示模式切換、led顯示等顯著優(yōu)點。整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)檢測, 數(shù)據(jù)處理, 數(shù)據(jù)顯示三大部分組成。系統(tǒng)的硬件與軟件配合起作用，數(shù)據(jù)精度滿足題目的要求。關(guān)鍵詞： 積分式，電壓/頻率轉(zhuǎn)換，電壓表abstract:this design is based on stc89c52 microcontroller development platform and automation on the b

12、asis of principles of a high-precision, intelligent digital voltage meter system. the system uses stc89c52 microcontroller core as a control, discrete components constitute a double integral - voltage / frequency conversion, as a / d converter data acquisition system, the measured voltage to achieve

13、 the high precision (16) data sampling; use comparators detection of the input voltage range, and the achievement of the range automatic conversion; at the same time display mode switch, led display, and other significant advantages. the entire system is data detection, data processing, data show th

14、at three major components. the system works with the hardware and software, data accuracy to meet the requirements of topics.key words: integral, voltage / frequency converter, voltage meter二.方案選擇與和論證2.1設(shè)計要求：2.1.1基本要求 ：（1）輸出電流范圍：200ma2000ma；（2）可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值給定值的1+10 ma；（3）具有“+”、“-”步進

15、調(diào)整功能，步進10ma；（4）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10v以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的1+10 ma； （5）紋波電流2ma；（6）自制電源。2.1.2發(fā)揮部分（1）輸出電流范圍為20ma2000ma，步進1ma；（2）設(shè)計、制作測量并顯示輸出電流的裝置 (可同時或交替顯示電流的給定值和實測值)，測量誤差的絕對值測量值的0.1+3個字；（3）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10v以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的0.1+1 ma；（4）紋波電流0.2ma；（5）其他。2.2總體設(shè)計方案2.2.1系統(tǒng)基本方案：系統(tǒng)可以劃分為模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化部分和控制部分。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化

16、部分包括：電壓放大和偏置，v/f轉(zhuǎn)換模塊，頻率測量模塊。控制部分包括：控制器模塊，顯示模塊。模塊框圖如圖 1所示。被測電壓 v/f轉(zhuǎn)換單片機控制器頻率測量顯示模塊圖 1 系統(tǒng)框圖為實現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設(shè)計方案并進行了論證，我們選取了較好的方案實現(xiàn)。2.2.2 v/f轉(zhuǎn)換電路方案方案一：采用集成型555定時器，可以很方便的與單片機實現(xiàn)接口通信，價格比較便宜且容易購買，外圍電路比較簡單，但其響應(yīng)速度較慢，適合用于一些要求不太高的場合。方案二：采用v/f轉(zhuǎn)換專用集成芯片lm331作為核心部件，輔以的外圍電路實現(xiàn)。lm331是美國ns公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電

17、壓轉(zhuǎn)換器、a/d轉(zhuǎn)換器、長時間積分器及其他相關(guān)器件。lm331采用了新的溫度補償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0v電源電壓下都有極高的精度。lm331的動態(tài)范圍寬，可達100db；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1hz時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位；外接電路相對簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成v/f變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。最佳溫度穩(wěn)定性為50ppm/，滿刻度量程為1hz100khz。方案三：采用v/f轉(zhuǎn)換專用集成芯片ad650 ，輔以的外圍電路即可實現(xiàn)。ad650是美國analog devices公司推出的高精度電壓頻率(v

18、/f)轉(zhuǎn)換器，它由積分器、比較器、精密電流源、單穩(wěn)多諧振蕩器和輸出晶體管組成。該電路在15v電源電壓下，功耗電流小于15ma，滿刻度為1mhz時其非線性度小于0.07。ad650既能用作電壓頻率轉(zhuǎn)換器，又可用作頻率電壓轉(zhuǎn)換器。ad650的滿刻度頻率高,可達1mhz；具有很低的非線性度：在10khz滿刻度時非線性度小于0.002，在l0khz滿刻度時非線性度小于0.005,在1mhz滿刻度時非線性度小于007。完全達到題目對精度和線性度的要求；最佳溫度穩(wěn)定性為150ppm/。v/f轉(zhuǎn)換作為此次設(shè)計的核心模塊，必須要有較高的滿刻度頻率響應(yīng)和較低的最佳溫度穩(wěn)定性。lm331具有較低的最佳溫度穩(wěn)定性，

19、但其滿刻度頻率只有100khz，數(shù)字分辨率只能達到12位；盡管ad650的最佳溫度穩(wěn)定性不如lm331，但其滿刻度頻率高，但非線性度也完全符合要求,不過其價格相對過于貴仰，而555定時器電路簡單,滿刻度500 khz而且本電路所應(yīng)用的場合不算太高,線性度也符合電路設(shè)計要求,綜上所述，我們選擇555定時器和op07運放作為v/f轉(zhuǎn)換的核心器件。2.2.3頻率測量方案對v/f變換后的頻率進行測量，由于頻率較高，一般在幾十k甚至上百khz，要實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測量頻率，必須要有良好的硬件響應(yīng)速度和良好的測量策略。方案一：用單片機的計數(shù)器對基準(zhǔn)時鐘源進行計數(shù)。然后通過計數(shù)的比值計算出被測信號的頻率。這種方

20、案節(jié)省硬件，用一片單片機實現(xiàn)計數(shù)，運算等工作。但是，由于單片機內(nèi)部的計數(shù)器所能計數(shù)的頻率有限。 方案二：用8253等專用硬件計數(shù)器配合邏輯電路設(shè)計一套硬件測量電路。此種電路如果能合理設(shè)計，能做到實時性好，測量準(zhǔn)確。但是設(shè)計起來較為麻煩，需要的硬件多，電路制作復(fù)雜，由于引腳太多搭焊和線路連接都比較繁瑣，調(diào)試起來很難發(fā)現(xiàn)問題所在。綜上所述，考慮到時間的緊迫性和本題目要求達到16位的高分辨率，計數(shù)器必須達到很高的響應(yīng)速度而且易于實現(xiàn)，但是本電路設(shè)計的頻率只要幾十k測量頻率 。所以我們選用方案一。2.2.4控制器方案本設(shè)計對運算控制器的響應(yīng)速度要求不是非常高，只是在與cpld通訊的時候要求有較高的響應(yīng)

21、速度，且可進行大量的數(shù)據(jù)運算。我們有兩種方案可供選擇：方案一：采用fgpa（現(xiàn)場可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。fgpa可實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用eda軟件仿真、在線調(diào)試，易于進行功能擴展，響應(yīng)速度快。但由于本設(shè)計對控制器的響應(yīng)速度要求不高，fgpa的高速處理優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于芯片集成度很高，成本偏高，同時由于引腳較多，電路板的布線比較復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。方案二：采用stc公司生產(chǎn)的89c52單片機。單片機算術(shù)運算能力強，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制功耗

22、小，技術(shù)比較成熟，成本較低，i/o口較多容易實現(xiàn)外擴，響應(yīng)速度完全達到系統(tǒng)要求。綜上所述，我們選擇方案二。2.2.5顯示方案在a/d轉(zhuǎn)換完畢后，系統(tǒng)需要對轉(zhuǎn)換結(jié)果有一個比較明了的顯示，我們考慮了以下幾種方案。方案一：使用液晶顯示屏顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。液晶顯示屏(lcd)具有輕薄短小，耗電量低，無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強和顯示形式靈活等優(yōu)點。只是編程工作量較大，控制其占用資源較多，但在本系統(tǒng)中對控制器的資源使用不多，完全可以使用。方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)碼管（led）對環(huán)境因素要求較低，顯示明亮，采用bcd編碼顯示數(shù)

23、字，程序編譯相對容易，資源占用少,軟件硬件設(shè)計簡單。 大多儀表、儀器都是用這種方式作為顯示。根據(jù)以上論述，我們采用方案二。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)3.1線性電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖2所示，電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路由一只運算放大器op07和一只555定時器等少量元件組成。ic1采用高精度高增益運算放大器組成差分輸入的積分電路，其圖2 電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路原理圖輸出控制加至ic2的觸發(fā)端，單穩(wěn)觸發(fā)電路的輸出又反饋至積分器的同相輸入端，改變積分的相位，使ic1輸出呈線性增長和線性下降的三角波變化。由于ic2的輸出脈沖方波反饋至ic1的同相端，當(dāng)ic1輸出放電至ic2的1/3vdd時，555置位，3腳輸出的高

24、電平又使ic1進行同相積分，va電壓呈線性增長，到ic2單穩(wěn)結(jié)束時，低電平作用至ic1的同相端，va呈線性下降，至1/3vdd時，再次觸發(fā)555，如此循環(huán)，形成一定頻率的振蕩脈沖。單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)時間。ic2輸出的脈寬與幅值對電壓/頻率的轉(zhuǎn)換靈敏度存在以下關(guān)系：積分電路的時間常數(shù)和有如下關(guān)系：表1 3.2 顯示電路設(shè)計圖3 顯示接口原理圖3.3 抗工頻干擾電路設(shè)計工頻的主要諧波成分是6次諧波6f=300hz，適當(dāng)選擇r、c的參數(shù)，就能將這個主要諧波成分濾除。雙t濾波器是屬于帶阻濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 工頻濾波對雙t濾波器的要求是對某一頻率信號（需要濾除的信號）的輸入，該電路發(fā)生諧振而不

25、能通過，而對其他頻率信號的輸入，則基本上可以通過，但在幅值上有所衰減。=0時為直流狀態(tài)，該濾波器串在電路中只相當(dāng)于一個2r電阻。當(dāng)=0時，濾波器處于諧振狀態(tài)，u00；當(dāng)時，電容器相當(dāng)短路，u0便輸出。等效電路如圖5所示 圖5 工頻濾波等效電路其中 z=2j+(j)/(r/c) z=2r+r/（）當(dāng)發(fā)生諧振時，諧振電壓不能通過，則需zz/(zz)=，即需 z+z=0，故得 2r2jrj0要滿足上述條件，需要實部、虛部為0，即 2r=0 2jrj=0由上兩式可得r=1，故謂振蕩頻率f為f=根據(jù)本電路的設(shè)計要求需要濾掉50 hz，我們選定c=30pf，可算出r=1003.4自動校零電路設(shè)計該電路是一

26、個具有動態(tài)校零的斬波器，圖中s1和s2為模擬開關(guān)。當(dāng)開關(guān)s1位于位置1時，電路處于工作狀態(tài)，信號由輸入端in加上，并經(jīng)a1放大（a1為反相比例運算電路）輸出。此時a2的輸入端因s2接至1點而斷開，所以a2不引入反饋。當(dāng)s1、s2分別置于2和2時，電路為自動校零狀態(tài)。此時a1的 圖6 自動校零電路 輸入端接地，若存在失調(diào)電壓，則vout10，即vout1為a2的輸入電壓，經(jīng)a2反相積分和r3、r4適當(dāng)分壓后實現(xiàn)自動校零。其工作過程簡述如下：若a1的反相輸入端的失調(diào)電壓為正值vi1，則vout1必為負(fù)值，經(jīng)a2反相積分后其輸入電壓v02必為正值，經(jīng)r3和r4適當(dāng)分壓后在a1的同相輸入端引入一個正電

27、壓，用以抵消vi1，從而實現(xiàn)自動校零。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計41主流程圖圖7 主程序流程圖校零檢測顯 示閃爍200mv量程處理2v量程處理ynyn輸入電壓2vy開始表2 測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)0.1mv實測數(shù)據(jù)0.1mv測量誤差%11100.01%32300.01%51500.01%72700.01%80800.00%90900.00%1001000.00%2012000.01%5015000.01%100010000.00%150115000.01%199920000.01%250125000.01%254225410.01%500150000.01%10003100000.02%10136101330

28、.020202%16489164880.010202%19962199580.02%20000199980.01%五、系統(tǒng)測試5.1量程測試在測量的過程中，由于我們手頭上的測量儀器只可以測量100mv至2v范圍的量程值，所以測量100mv以下的量程我們就在現(xiàn)有的儀器基礎(chǔ)上串聯(lián)一個10k的微調(diào)電阻來進行測試，用數(shù)字電壓表同單片機控制數(shù)碼管來對比顯示測量值，我們在測試過程中，根據(jù)實際測出的數(shù)值和通過單片機所測得的值的差的絕對值除以滿量程值就是測量誤差如表1所示。測量公式如下：誤差=100 實測數(shù)

29、據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較如圖8表所示圖8 實測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較根據(jù)實測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比，可以清晰得到其具有非常好的線性度，如圖9。 圖9 測試數(shù)據(jù)線性度5.2分辨率測試根據(jù)實際測試顯示與數(shù)字電壓表顯示的數(shù)據(jù)頻率在0.1 mv1 mv、1 mv200mv、200mv2v之間分別0、1、4個數(shù)字，已經(jīng)達到題目要求。5.3輸入電阻測試經(jīng)過用萬用表測試實際測得本電路設(shè)計的輸入阻抗大于1m歐姆。5.4自動校零測試本測試是單片機通過一定的時間間隔控制模擬開關(guān)的導(dǎo)通實現(xiàn)的，在電路工作情況下，當(dāng)無信號輸入時，數(shù)碼顯示也為零，有信號輸入時，會通過單片機控制不斷進行清零，從而實現(xiàn)自動校零功能。5.5自動量程轉(zhuǎn)換測試 本系統(tǒng)要求分兩個量程來顯示電壓值，可以分別輸入電壓小于200mv、大于200 mv來示量程，用數(shù)字電壓與數(shù)碼顯示來分析，通過實測滿足要求。六、誤差分析脈沖測量誤差的產(chǎn)生是由門電路延時是由門電路延時、門路整形和50ms的時間分辨率引起的。由表2、圖8、圖9可直觀地得出其測量誤差，如圖10。