电压电阻测量仪表毕业设计

河南机电高等专科学校毕业论文1河南机电高等专科学校毕 业 设 计 论 文论文题目：电 压 电 阻 测 量 仪系 部： 电子通信工程系 专 业： 应用电子技术 班 级： 2003 级应电 035 班学生姓名： 赵 占 齐 学 号： 0342536 指导教师： 于 圣 学 2006 年 5 月 10 日河南机电高等专科学校毕业论文2摘要无档电压电阻测量仪是为了弥补常用电压、电阻测量仪器的不足之处，最终实现测量的准确性和自动化。一般的电压表或电阻表都是单一性的，而且测量范围小，准确率低，测量过程也比较烦琐。由于要估测一下测量值，所以经常会出现过量程或欠量程的现象，这样会损坏仪表。而此仪表会克服以上缺点，使电压、电阻测量变得简单、准确。本设计共分五部分：电源电路、档位判别电路、真有效值电路、A/D 转换电路和显示电路。其中电源采用15V 和5V 电源供电；A/D 转换电路和档位判别电路都是通过 ICL7135 模数转换器与 CPU 相连来完成的；真有效值是利用 AD536真有效值转换芯片来实现的；显示电路主要由五个共阳极数码管和 74LS164 组成的静态显示。关键词： 真有效值 峰值 平均值 采样期 比较期河南机电高等专科学校毕业论文3ABSTRACTThe olotage resistance automatic measuring instrument is for make up the commonly used voltage or measure measure of measure tesistance apparatus deficiency , finally realizes the survey accuracy and the automation. Hecommon votemter ortheampere meter all are unitary, moreover the survey scope small is low.the survey process quite is also troublesome, because must estimate the observedvalue,therefore frequently can appear the meaduringrange or owe the measuringrange the phenomenon,like this also can deamage the measuring appliance.Above but this instrument can overcome the shortcoming,causes to measure the quantitative change simple,is accurate.The supposes sum to divides into five major parts:power circuit,files position distinctioin electric circuit,really virtual value electriccircuit, A/D switching circuit and display circuit.power source uses 15V and 5V power source supply;A/Dswitching circuit and the files position distinction electriccircuit all is connected though the ICL7135 A/D converter and CPU completes;Really virtual value is realizes using the AD536 really virtual value direct current transformation chip;The display circuitmainly is composed by frive altogether anodews numerical codes tube and 74LS164.Key worlds: Real virtual value ,Peak value ,Average,Sampling time ,Compare time河南机电高等专科学校毕业论文4目录中文摘要-英文摘要-绪论-1第一章 概述1.1 常用电压测量仪表-21.2 常用电阻测量仪表-21.3 电压电阻测量仪表-21.3.1 系统框图-21.3.2 原理分析-31.3.3 工作流程-31.3.4 整机电路图-4第二章 89C51 单片机2.1 单片机的发展历史及基本结构-82.2 89C51 单片机的外围电路、功能及应用-10第三章 电压测量3.1 测量电路特点及结构组成-123.2 分压电路-123.3 档位判别电路-133.4 真有效值电路-143.4.1 AD536-真有效值直流转换芯片-143.4.2 交流电压转换-平均值、有效值及峰值-163.4.3 TRMS-真有效值-16第四章 A/D 转换4.1 双积分式数模转换原理及系统流程-184.1.1 双积分式 A/D 转换器的原理图-184.1.2 A/D 转换的系统过程-194.2 双积分 A/D 转换器 ICL7135-204.2.1 ICL7135 引脚图及引脚功能-204.2.2 ICL7135 的性能指标-224.2.3 ICL7135 与单片机接口-224.2.4 ICL7135 的参数选择-244.3 A/D 转换器的自动校零-25河南机电高等专科学校毕业论文54.3.1 零采样期-264.3.2 采样期-264.3.3 比较期-27第五章 电阻测量5.1 测量电路框图及结构组成-285.1.1 测量电路框图及结构-285.1.2 相关参数-285.2 R/V 转换电路-295.2.1 峰值-295.2.2 平均值-295.2.3 波形因数-305.2.4 波峰因数-315.3 自动档位选择电路-31第六章 总结-32致谢-33参考文献-34附录-35河南机电高等专科学校毕业论文6绪论随着大规模集成电路的发展，组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、存储器、定时器、中断控制器、以及许多特殊功能单元，如： A/D、D/A 转换器、高输入输出部件、DAM、浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上，构成一完整的微型计算机单片机。由于它具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、使用方便等特点，因此特别使用于工业控制或与控制有关的数据处理系统，愈来愈广泛的应用于自动控制、智能化仪器仪表数据采集等各个领域。MCS-51 系列单片机是一种可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的微处理器，该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造。由于将多功能 8 位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，MCS-51 是一种适合于高速控制场合的高性能的微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。在仪器仪表过程控制等领域应用极为广泛。随着现代社会的信息化进程， 虚拟仪器的出现是电子测量仪器领域的一场革命，它提出与传统电子测量仪器完全不同的概念，即“软件即是仪器” ，改变了传统仪器的概念，模式和结构，用户完全可以自定义仪器。虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力。可以预见，现在电子测量仪器一定会向数字化、智能化、高速综合方向发展。本设计采用 MCS-51 系列单片机及外围电路，成功的设计出无档、智能的电压电阻测量仪，可以自动判定交直流电压，并根据其大小选择合适的档位,还可以自选量程测量电阻值，并将测得的精确数值显示出来。河南机电高等专科学校毕业论文7第一章 概述1.1 常用电压测量仪表普通的电压表分为直流电压表和交流电压表。即像万用表那样可以测量交直流电压，但需要手动调选合适量程的档位，这样很不方便，而且测量交流电压时也会产生比较大的误差。普通电压表需要手动换档，因为小量程不能测量大电压，而使用大量程测量小电压时会产生很大的误差。1.2 常用电阻测量仪表普通电阻测量仪器也同样存在像使用万用表测量电阻时的手动调档问题。1.3 无挡电压电阻测量仪表本设计可以自动判定交直流电压并根据其大小选择合适的档位,还可以自选量程测量电阻值。1.3.1 系统框图 河南机电高等专科学校毕业论文8图 1.1 系统框图1.3.2 原理分析当 K 断开时、表示要对电压进行测量.当 K 断开、K1闭合时、经 1:1 分压的数据和经真有效值电路送至处理单元并显示，进而选择合适的量程；当 K 断开时、K2闭合时，经 1:10 分压的数据和经真有效值电路送至处理单元并显示；当 K 断开时、K3闭合时，经 1:100 分压的数据和经真有效值电路送至处理单元并显示；当 K 断开时、K4闭合时，经 1:1000 分压的数据和经真有效值电路送至处理单元并显示；电阻测量的档位选择是通过单片机对模拟开关（CD4051）的控制来实现的，即 切 断 K1、K2、K3 、K4，然后闭合 K，进行电阻的测量。当 K1、K2、K3、K4断开、K 闭合时，进行电阻测量，完成对电阻的精确测量，并显示测量数据.1.3.3 工作流程（1）电压测量:首先被测电压信号由测量端进入分压电路。然后通过电压比较后自动选档。由集成电路 AD536A 产生真有效值。然后由 A/D 转换器件 ICL7135进行模数转化。最后由显示电路显示出测量结果。如整机电路图所示：接通电源后，仪器进入待机状态，通过 K1、K2 键的切换来确定所测量的物理量。当单片机检测到 K1 键被按下，则表示要对电压进行测量，此时单片机 AT98C51 清零 P3.7 即切断电阻测量线路的电源。同时置位P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 中的一位，选择某一量程，置位 P3.6 启动 A/D 转换，单片机 AT89C51 读取 A/D 转换数值，来判别是否超或欠量程，如果超或欠量程，CPU 会通过控制端口的控制位来完成档位的切换。选择适当的档位进行精确测量。河南机电高等专科学校毕业论文9否则，把转换数据通过串行 I/O 口发送并显示，输出测量结果。（2）电阻测量：当单片机检测到 K2 键被按下，则表示要对电阻进行测量，CPU 切断 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 控制的 K1、K2 、K3 、K4同时置位 P3.4，清零 P2.3，接通电阻测量电路，同时通过置位 P2.2、P2.1、P2.0 来选择合适的测量档位，对电阻进行精确的测量。1.3.4 整机电路图河南机电高等专科学校毕业论文10图 a 转换与选择电路图 b 信号采样电路河南机电高等专科学校毕业论文11图 c 显示电路河南机电高等专科学校毕业论文12图 d 电源电路图 e 定频发生电路图 1.2 整机电路图河南机电高等专科学校毕业论文13第二章 89C51 单片机单片机的发展改变了人们的生活方式，使人们的生活得到很大的提高；单片机应用于生产的各个方面，使生产的方式也得到了很大的改变。2.1 单片机的发展历史及基本结构本系统采用 89C51 系统的单片机（该单片机的详细结构我会在下面予以详细介绍） ，在这里，我先介绍一下单片机的发展，使我们对单片机有一个整体了解。什么是单片机呢，其实单片机就是将中央处理器、存储器、串/并行输入输出接口、定时器/计数器、中断控制器，以及许多特殊功能单元，如：A/D、D/A转换器、高速输入输出部件等集成在一块半导体晶体芯片上，而构成的一完整的微型计算机。单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。它的发展到目前为止大致可分为三个阶段：第一个阶段是单片机的初级阶段，初期的单片机因工艺限制功能比较简单。第二阶段是低性能单片机，以 INTEL 公司的 MCS48 系列单片机为代表。第三阶段是高性能单片机，单片机以高性价比而受到市场的欢迎。现在单片机向微型化低功耗，高速化，集成资源更多，性价比更优等方面发展。下面介绍一下单片机的内部情况。首先介绍单片机的核心：中央处理器(CPU)：CPU 包括运算器，控制器和寄存器三个主要部分。运算器也称算术逻辑运算单元；控制器由指令寄存器，指令译码器和控制器电路组成。运算器主要实现对操作数的算术运算、逻辑运算和位操作。主要包括算术逻辑运算部件（ALU） 、累加器 A、B、寄存器、缓存器、程序状态寄存器及十进制调整电路等。算术逻辑单元 ALU 是计算机必不可少的数据处理单元之一，累加器 A是 CPU 中最繁忙、使用频度最高的一个特殊功能寄存器，简称为 ACC 或 A 寄存器。B 寄存器是寄存器在乘法和除法中作为 ALU 的输入之一。控制器是控制计算机系统各种操作的部件，它包括时钟发生器、定时控制逻辑、复位电路、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、程序计数器 PC、程序地址寄存器等。程序计数器 PC 是一个独立的计数寄存器，存放下一条将要从程序内存中取出指令的地址。河南机电高等专科学校毕业论文14MCS51 内存与存储空间：MCS51 系列单片机的内存采用的是哈佛结构，即将程序内存和数据存储器截然分开，程序内存和数据存储具有各自独立的寻址方式、寻址空间和控制系统。程序内存（片内）：MCS51 的程序内存是用来存放经过调试正确的应用程序和表格之类的固定数据。空间为 64KB，其地址指针为 16 位的程序计数器 PC，16 位的地址总线有P0 和 P2 口提供，构成存储体时，要求程序内存的地址空间是连续、统一的。数据存储器：数据存储器由随机内存 RAM 构成，用来存放运算中的数据、中间结果及最终结果。表 2.1 数据存储器MCS51 单片机内部 RAM 的空间为 256B，但实际提供给用户使用的 RAM 容量随型号不同而不同，有的为 128B，有的为 256B。RAM 中不同的地址区从功能和用途可分为以下几个区域：工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区和堆栈区。片外数据存储器：片外数据存储器是指在 CPU 外部用来存放数据的区域，由于位于 CPU 片外，所以使用的必须通过扩展电路将内存与 CPU 相连。访问这一存储区域时，只能采用寄存器间接寻址的方式， 间址寄存器使用寄存器 R1、R0 或数据指针寄存器DPTR。当 R1 或 R0 作为间址寄存器使用时，P2 端口数据锁存器内容不变，P0 口将 R1 或 R0 的内容作为地址输出，当使用 DPTR 作为间址寄存器时由于 DPTR 是 16位的寄存器，所以最大的寻址范围为 64KB。并行接口：PO 口为准双向 I/O 口,由于输入单片机的信号都是高低电平,也就是要么是 0,要么是 1,当输入的电压高于电路的导通电压时将高电平(1)写入 P0 口的锁存器,则对应连接在 Q 上的场效应管截止，该位的输出内部的上拉电阻将引脚拉成高电平，输出将底电平（0）写入锁存器，则对应连接在 Q 非 上的场效应管截止，该位的输出内部的上拉电阻将引脚拉成高电平，输出 1 将低电平（0）写入锁存器，则数据缓冲器区（ 30H7FH）位寻址区（20H2FH）工作寄存器区 3（R0 R7） （18H 1FH）工作寄存器区 2（R0R7） （10H17H）工作寄存器区 1（R0 R7） （08H 0FH）工作寄存器区 0（R0R7） （00H07H）河南机电高等专科学校毕业论文15对应连接在 Q 非上的场效应管导通，该位的引脚输出低电平（0）输入时，锁存器必须置“1” ，如果输出场效应管截止，此时该引脚的内部上拉电阻拉成高电平，也可以由外部电路拉成低电平，同时，引脚的状态由外界的输出设备输出状态决定。CPU 读 P0 引脚的状态时，实际上就是读外部的输入信号。P1、P2、P3 口与 P0 相差不大，这里就不再一一介绍。2.2 89C51 单片机的外围电路、功能及应用单片机的外围电路大多数是不用使用者自己去设计的，只要使用者熟悉它的功能和作用就可以了。下面先介绍一下 MCS51 时钟电路。时钟电路分两部分，一个是内部时钟电路，一个是外部时钟电路由于有两个时钟电路，因此当使用者应用该芯片时，根据自己的电路的时钟频率要求可以选择用内部的还是外部的时钟电路 。下面将根据数据的信息，简单介绍一下内部和外部的时钟电路。内部时钟电路：大多数 MCS51 内部有一个用于构成震荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1 和 XTAL2 分别为放大器的输入、输出端，该放大器作为反馈组件与晶体震荡器一起构成自激震荡器。在后面的电路中将用到此电路。单片机可为外设或其它设备提供时钟信号,尽管很多资料介绍了不少方法,但实际工程中, 在单片机开始工作前，外部电路一样要完成复位，以保证 CPU 有效的对外部电路进行初始化编程。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m be r R ev i sio nS iz eBD at e: 1 3-Ju n -2 0 04 S he e t o f F ile : G :业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 k x d .d db D ra w n B y:C 03 0p fC 13 0p fY 1C R Y ST A LXTAL2XTAL1图 2.1 MCS51 的内部时钟电路外部时钟方式：MCS51 内部时钟由外部震荡器提供时，对外部震荡器的信号没有特殊要求，一般为 0.512MHZ 的方波。 河南机电高等专科学校毕业论文161 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m be r R ev i sio nS iz eBD at e: 1 6-Ju n -2 0 04 S he e t o f F ile : G :业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 业 M y D e si gn .d dbD ra w n B y:1 2A7 4L S 1 4Y C 03 0p fC 13 0p fG N DX A T L2X T A L1当时钟信号输出，实际中是直接从 XTAL2 引脚取出信号，从 XTAL1 引脚输出波形需要整形和放大，74LS14 集成片。如图 2.2 所示：图 2.2 信号输出电路当使用内部时钟方式时,单片机可为外设或其它设备提供时钟信号,尽管很多资料介绍了不少方法,但实际工程中,最简单易行且效果良好的方法是从 XTAL2 引脚取出信号。由于晶振起振后,XTAL2 引脚上已经可以输出 03V 的正弦波,该波形直接取用显然是不合理的,因为驱动不强和波形不是方波 ,所以用施密特触发器(74LS14)整形后使用，信号经过 74LS14 后信号输出为方波，驱动能力也提高了。复位电路：计算机在启动运行前需要复位，此外，在系统工作异常等特殊情况下也可以人为地使系统复位。复位是由外电路实现的，按功能可以分为以下两种方式。一种是上电自动复位：对于 89C51 单片机，只要在 RST 复位端接一个电容至VCC 和一个电阻至 VSS 即可。另一种是系统复位：在实际的单片机应用系统设计中，若有外部扩展的 I/O 接口电路与 CPU 一样需要复位，这时，需要一个系统的同步复位信号。在单片机开始工作前，外部电路一样要完成复位，以保证 CPU 有效的对外部电路进行初始化编程。图 2.3 是采用独立的各自的复位电路分别调整 RC 参数，保证 CPU 与外部电路的同步复位。河南机电高等专科学校毕业论文17图 2.3 独立系统复位电路第三章 电 压 测 量电压的测量分为直流电压测量和交流电压测量。所以选用真有效值电路测量，才可以同时进行，而且误差最小。为此我们采用 AD 公司的真有效值转换芯片：AD536；5V 电源供电；电压显示范围 0.00011.9999V,电压输出范围01.9999V。它有两个被测电压输入端口，表头上显示的是被测电压的毫伏值，如果输入为 10000MV，则对应显示 10000。由于本电路以自动为主，所以采用单片机 AT89C51 来实现。3.1 电压测量电路的特点及结构特点：1.使小分压电路的（1：1）电路承受高电压的输入；2.使 Kn，Kn （n=1，2，3，4）的吸合与被测电压所要求的档位一致；3.使交直流电压实现真有效值的转换。结构：1. 分压电路2. 档位判别电路3. 真有效值电路3.2 分压电路河南机电高等专科学校毕业论文18图 图 3.1 分压电路 图 3.2 稳定管的伏安特性 1因为高电压经过小分压比电路时输出过高的电压会损坏器件，所以要采用分压电路（图 3.1）来进行稳压保护。其中 D1，D2 为 3.6V 稳压管，其作用是保证下级的输入端电压不超过 5V，D1，D2 分别稳定正负电压。分压后绝对值低于 2V 的交流或直流电压进行正常分压并输出至下一级，分压后大于 2V 的电压则不必输出，当大于稳压管的反向击穿电压时，稳压管发挥作用。2R1，R2 除了起分压作用外，R1 还有限流的作用。这可由稳压管的伏安特性曲线得知（图 3.2） 。因为稳压管的工作条件有两条：必须工作在反向击穿状态；稳压管的工作电流要在稳压电流和允许的最大电流之间。当 R1，R2 发生变化时，稳压管中的电流发生变化，但在一定的范围内其两端的电压变化很小，从而起到稳定输出电压的作用。R1 的选择应该尽量使电路处在保护状态时的稳压管工作在 b 点，即稳压管的稳压区内，使稳定输出电压 U0 基本稳定，即U0UZ。3综上所述，稳压管是利用调节流过自身的电流的大小（端电压基本不变）来满足过载电流的改变，并和限流电阻器配合将电流的变换转化成电压的变化，来适应被测电压的波动。从而起到保护电路器件的作用。3.3 档位判别电路因为被测交直流电压经四路分压后分四路输出，而这四个档位分别是01.999，1.999919.999，19.999199.99，199.991999.9。档位判别电路就是用来在这四个档位里给被测电压选择一个合适的测量档位。为了实现档位判别可以采用比较器电路（如右图） 。但同时要有译码电路来将比较信号转换成控制信号，从而完成档位选择，但在选档的同时也会使小数点的位置改变。而在电路中有 ICL7135AD 转换器，由于它本身就具有过量程和欠量程的输出端，所以通过和CPU 连接，对过 量程、欠量程的检测来切换档位，并通过编程来实现对小数点位R4R3R2R1 A1+ C1D1河南机电高等专科学校毕业论文19置的切换。这是最方便实际的方法。 （如右图比较器电路）3.4 真有效值电路3.4.1 AD536真有效值直流转换芯片本仪表在交流转化直流的过程中选用美国 AD 公司生产的专用于真有效值直流转换的单片集成电路 AD536A。因为本仪表要求有很高的精度要求，所以要有好的直流转换电路，而 AD536A 集成电路可直接计算出任何包含直流的交流分量的复杂输入波形的真有效值，并将其转换成直流信号，输入交流与直流电压间也满足线形关系，而且不必考虑其波形参数及失真的大小。（1）AD536 的内部原理图及外部调整电路内部原理图：绝对值电路（Absolute Value） ；电流镜（Current Mirror） ；平方/除法器（Squarer/Divider） ；缓冲器（Buffer） 。如下图所示:图 3.4 AD536 内部原理图 图 3.5 AD536 外部调整电路工作原理：输入的直流或交流电压 VIN 由绝对值电路的 A1，A2 转换成单级性电输流 I1 去驱动平方/除法器，该平方/除法器完成的功能可表示为：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 14-Mar-2004 Sheet of File: E:业业业业 业业业 s.ddb Drawn By:ARSOLUTEVALUESOUARERDIVIDERCURRENTMIRROR+-1091476+VS1345CAVVOUT-VSVIN1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 14-Mar-2004 Sheet of File: E:业业业业 业业业 s.ddb Drawn By:ARSOLUTEVALUESOUARERDIVIDERCURRENTMIRROR+-1091476+VS1345CAVVOUT-VSVIN+vs-vsR2R3 R4R1河南机电高等专科学校毕业论文20。其中出电流 I4 可通过有 R1 和外接电容 Cav 构成的低通滤波器来2413/II驱动电流镜。如果 R1 和 Cav 电路的时间常数与输入信号的最大周期相比足够大，I4 将被有效的平均，电流镜将反馈一个电流 I3（I3=AvgI4）给平方/除法器已完成隐含的有效值的计算，即：Iout=2I4（电流镜产生的输出电流值） 。该 Iout 可以被直接应用，也可以通过 R2 转换成电压并被 A4 缓冲以提供一个低阻抗的电压输出。AD536A 的转换功能可表示为：Vout=2R2*Irms=Vinrms。对数由 Q3 的发射级引出，该点的电压与logVin 成正比，可以用射级跟随器 Q5 来缓冲并平移该电压，因此当外部给 Q5 的射级电流（Iref）约等于 I3 时，其对数输出电压为零。标准连接：在精度的有效值测量时，只需外接一个电容来设置平均时间常数即可。利用该电路可以测输入的直流或交流信号的有效值。在输出为低频信号时有误差，当 Cav 为 4uf 时，其附加的平均误差在 10Hz 时为1%，在高频输入时的误差要根据具体情况来定。如果输入不是直流，需要在输入端 Vin 接一个无级电容，如果 AD536A 的供电中含有高频波形，则可用两个 0.1uf 瓷片电容分别将正负电源端接地，并且瓷片电容应离 AD536 尽量近些。外部调整：为了提高 AD536A 的转换精确度，对外部电路进行了有效调整。其中 R4 为调整补偿，应注意的是在补偿调整电路中，在 9 脚上串联一个 365电阻。在脚 1 接 R1 电阻可使比例因素增大 1.5%，比例矫正的范围是1.5%，调整过程如下： 将 1 脚接地，调整 R4 使 6 脚的输出电压为零，或者当 VIN 输入为最小时，调整 R4 使其有相应的输出。从 1 脚输入直流或经校准的交流信号（频率最好为 1KHz） ，然后调整R1， 使 6 脚有相应的正确输出。500V 的直流输入应有 500V 的直流输出。一个峰值为1.0000V 的正弦波应当有 0.7070V 的直流输出。外部调整的最大优点是尽量减小信号宽度范围的情况下优化芯片的性能。AD536A 内部调整的有效输出范围为 07V。（2）AD536 的基本参数 高精度激光校正的最大误差：0.2%（AD536Ak） 0.5%（AD536Aj） ； 高频响应：450KHz 带宽时的输出电压有效值大 100mV2mHz 带宽时的输出电压有效值大于 1V 误差为1%是的信号峰值因素为 7 河南机电高等专科学校毕业论文211 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 7-Mar-2003 Sheet of File: D:wqf99wqfddb.Ddb Drawn By:VIN1NC2-VS3CAV4db5BUFOUT6BUIN7 Iout 8RL 9COM 10NC 11NC 12NC 13+VS 14AD536业业业业业 有效值输出范围： 07V； 对数输出范围： 60Db； 低公耗： 1.2mA 静态电流； 采用单路或双路电源供电工作； 工作温度： -55 +125（AD536As）0+70（ AD536Aj/k） ； 采用 14 脚密封陶瓷 DIP 或 70100 封装。右图 2.6 为 14 脚 DIP 封装的引脚排列。（3）AD536 芯片的特点：准确性高，灵敏度好，测量速度快，频率特性好，输入阻抗高，输出阻抗低，电源范围宽及公耗低。（4）在输出为低频信号时有误差，当 Cav 为 4uf 时，其附加的平均误差在10Hz 时为1%，在高频输入时的误差要根据具体情况来定。3.4.2 交流电压转换平均值，有效值及峰值 要将交直流电压在数字表头上显示出来，首先要将交流电压部分转换成相应的直流电压，完成交流到直流的转换。交流电压的三个特征量：平均值，有效值和峰值。本仪器采用了真有效值电路。 3.4.3 TRMS真有效值 真有效值是“真正有效值”之意，英文缩写为“TRMS” ，也称为方均根值或均方根值，它等效于电阻负载上产生同样热量的直流电压。对于被测交流，则在分压后进入表头前进行真有效值转换。欲求 AC 电压信号的精密测量，通常是先把 AC 信号转换成 DC 信号。然后河南机电高等专科学校毕业论文22再输入到 A/D 变换器中，通过数字化测量求的准确结果。就 AC 电压信号而言了，实现 AC/DC 的转换方案最主要的是真有效值转换。交流有效值的定义式为：近似公式为：分析上式可知，借助于电路时，输入电压 U 进行“平方取平均值开平方”运算，就能获得交流电压的有效值。若将上式两边平方，且令：得到有效值的另一表达式：其中 Avg 表示取平均值，表示对 U 依次进行“取绝对值平方/除法取平均值”运算 ，也可得到交流有效值。此公式更有实用价值由于完成：U 2/VRMS 两步运算与分步运算相比，运算器的动态范围大大减小，便于设计电路，又保证了准确度指标。真有效值转换的一个共同问题是变换特性的非线形误差，对于一个理想的交直流电压变换器，我们希望输入交流电压 Ui 直流输出电压 B0 成线形关系，既是有：Ui=KE0。真有效值仪表的核心是 Trns/DC 转换器。次类转换器以往都是由分压元件和运算放大器构成，不仅电路复杂，调试困难，准确度低，而且成本比较高。而单片真有效值/真有效值转换器的集成度高，功能完善，且外围电路简单，可靠性高。 总而言之，本设计电路采用了单片真有效值/直流转换器，单片 A/D 转换器，单片机和数字显示器来构成测试仪表。其最大的特点就是能够实时测量各种交流信号的有效值，而不必考虑其波形参数及失真大小；还运用了分压电路来保护电子元件；使用了 ICL7135AD 芯片通过编程来实现自动选挡。最终测量出电压值，这是传统平均值仪表所无法比拟的。201()TRMS tVud2RS22201()TtuduAvgu222RMSRSRMSRMSuAvguuVvgVV河南机电高等专科学校毕业论文23第四章 A/D 转 换 器根据要求该设计电路采用双积分 A/D 转换器件 ICL7135。双积分式 A/D 转换电路由模拟电路和数字电路两部分组成：模拟电路部分由基准电压Er 和Er 、模拟开关 K1K4、积分器和比较器等组成；数字电路部分由控制逻辑电路、时钟发生器、计数器和显示器等组成。 4.1 双积分式数模转换原理及系统过程4.1.1 双积分式 A/D 转换器的原理图 河南机电高等专科学校毕业论文24图 4.1 A/D 转换原理图4.1.2 A/D 转换的系统过程（1）准备期：当 K4 接通，积分器的输入为零，输出也为零，即积分器处在保持状态，同时使计数器置零，整个电路处于休止状态。（2）采样期：即第一积分期，在 t=t1 时，断开 K4，接通 K1，积分输入电压 Vi 积分。经固定时间 T1 后，在 t=t1 时刻把 K1 断开，此时积分器的输出电压为：其中其中:21011tititTVdVRC 21ti ittVdT河南机电高等专科学校毕业论文25（3）比较期：即第二积分期，从 t=t2 开始进入比较期。此时 K1 断开，K2 或 K3接通（取决于输入电压的极性） ，把与输入电压极性相反的基准电压接入积分器，于是积分器向反方向积分，输出从 V01 逐渐趋向于零。设 t=t3 时刻，积分器输出电压为零，比较器检测到过零点，并输出一个跳变信号，经控制逻辑电路，使积分器停止积分。由此可得：令 t3-t2=T2，则上式可变为: 由此可得：T 2=T1 /Er* iV根据式一可以看出，T 2 与 成正比关系，实现 VT 转换。时间 T1、T 2 可用i周期为 T0 的时钟来测量，即：T 1=N1T0；T 2=N2T0 代入上式后可得：N 2=N1/Er*g =H ii也可表示为： =Er/N1*N2=eN2 iV其中：e刻度系数，表明一个数字代表多少伏电压H转换系数，表明每伏输入电压被转换成多少个数字（字/伏）由式二、三可以看出，数字量 N2 与输入电压的平均值成正比，实现了 A/D 转换。4.2 双积分 A/D 转换器-ICL7135ICL7135 是美国 Intersil 公司的产品，是目前国内市场上广泛流行的单片集成 4 位半双积分 A/D 转换器。4.2.1 ICL7135 引脚图及引脚功能(1)如右图所示 ICL7135 的引12i rTERC1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 13-Mar-2004 Sheet of File: E:protel 业业MyDesign.ddb Drawn By:ICL71351234567891011121314 1516171819202122232425262728V-VREFAGNDINTOUTAZINBUFOUTREFCAP-REFCAP+INLOINHIV+D5B1B2 B4B8D4D3D2D1BUSYCLKPOLDGNDR/H/STOVERRANGUNDER3012trttEd0132rVtRC河南机电高等专科学校毕业论文26脚图 (标有引脚名称)(2)ICL7135 的引脚符号及参数功能 （如下表 4.1）引脚 符号 功能1 V- 负电源输入端，典型值为-5V（以 DGND 为参考点） 。2 VREF 参考电压输入端，典型值为 1V，参考电压的精度和稳定度将直接影响转换精度，以 AGND 为基准，VREF=VFS /2，VFS 为满量程，若 VFS=2V 则 VREF=1V.3 AGND 模拟地，是 VREF 和模拟输入的基准点4 INTOUT 积分输出端，外接积分电容 CINT 一般取CINT=0.1UF-0.47UF5 AZIN 自调零输入端，接自动稳零电容 CZ，CZ 应足够大以便减小干扰的影响，一般可取 CREF=1UF且选优质电容6 BUFOUT 缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT，RINT=VFS/20Ua78REFCAP-REFCAP+外接参考电容引脚，CREF 应足够大这样可以忽略寄生电容，一般可选 CREF=1UF；且选优质电容9 INLO 差分信号输入负端单端输入时、INLO 可于模拟地 AGND 相连.10 INHI 信号输入高端.11 V+ 正电源输入端。典型值为+5V.12.17.18.19.20 D5，D4，D3，D2，D1BCD 码数据的位选通信号输入端，分别选通万、千、百、十、个位13-16 B1，B2，B3，B4BCD 码数据输出线21 BUSY 转换状态标志输出端。积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）BUSY 输出高电平.河南机电高等专科学校毕业论文2722 CLK 时钟输入端。双极性模式；最高时钟频率为125KHZ，转换速度为 3 次/秒；单极性模式；最高频率为 1MHZ，这时的转换速度为 25 次/秒。23 POL 极性输出端。当输入为正时，POL 极性输出为高电平；输入信号为负时，POL 极性输出为低电平。24 DGND 数字地，是 V+和 V-的基准点25 R/H 启动转换/保持控制端。该端接高电平时，ICL7135 为自动连续转换状态，每隔 40002 个时钟周期完成一次 A/D 转换；该端为低电平时，A/D 转换结束后保持转换结果，输入一个正脉冲后（大于 300ns）,重新启动 ICL7135 开始另一次转换26 /ST 数据输出选通脉冲输出端。该脉冲宽度为时钟脉冲宽度的 1/2。一次 A/D 转换结束后，该端输出 5 个负脉冲，分别选通高位到低位的 BCD 码数据输出，可利用该信号把数打入到并行接口中供 CPU 读取，这点在和微控制器接口时非常重要.27 OVERRANGE 过量程标志输出端。当输入信号读数超过转换记数范围时；该引脚输出高电平。28 UNDER 欠量程标志输出端，当输入信号读数小于 9或更小时，该端输出高电平。4.2.2 ICL7135 的性能指标ICL7135 具有 4 位半的精度（相当于 14 位二进制数） 、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描 BCD 码输出、自动量程控制信号输出、价格河南机电高等专科学校毕业论文28低等优点；其内部没有时钟电路，必须外接；须外接基准电压，单端输入；基准电压为满量程的 1/2，ICL 的输出不是三态的，不可与总线相连；ICL7135 每次转换完毕立即输出新的转换结果，不需特别控制。而且 ICL 有专门的极性显示、过量程、欠量程显示脚。 CMOS 集成电路； 双积分变换技术； 采用 BCD 码扫描输出； 单一参考电压； 具有六路输入/输出（I/O）辅助信号，可以与微控制器相连进行复杂； 能用闪烁显示的方式表示超量程状态； 具有自动量程的超量程和欠量