G题《积分式直流数字电压表》解析.ppt

积分式直流数字电压表 2007年全国大学生电子设计竞赛试题G题 武汉职业技术学院 吴贻文 2008.07.10 积分式直流数字电压表(G题) 一. 题目要求 二. 题目分析及系统框图 三. 方案论证及设计 主要内容: 积分式直流数字电压表(G题) 一. 题目要求 1任务 在不采用专用A/D转换器芯片的 前提下，设计并制作积分型直流数字 电压表。 积分式直流数字电压表(G题) 2要求 一. 题目要求 (1)基本要求 测量范围：10mV2V； 量程：200mV，2V； 显示范围：十进制数01999； 测量分辨率：1mV（2V档）； 测量误差：0.55个字； 采样速率： 2次/秒； 输入电阻：1M； 具有抑制工频干扰功能。 积分式直流数字电压表(G题) (2)发挥部分 测量范围：1mV2V； 量程：200mV，2V； 显示范围：十进制数019999； 测量分辨率：0.1mV（2V档）； 2要求 一. 题目要求 测量误差：0.055个字； 具有自动校零功能； 具有自动量程转换功能； 其他。 积分式直流数字电压表(G题) 二. 题目分析及框图设计 1A/D转换电路分析 数字电压表的核心部分是A/D转换电路。 目前A/D转换电路形式有：逐次逼近型、并行比较型 、双积分等。 各种转换形式各有优缺点。 其中双积分的A/D具有精度高，抗干扰强等优点，但 速度慢，适合测量静态或准静态信号。 各类均有专用A/D转换器芯片。 题目明确的指出采用双积分A/D，且不能用专用A/D芯 片（例如7135等） 。 积分式直流数字电压表(G题) 二. 题目分析及框图设计 2系统框图 电 源 控制处理单元（MCU） 滤波电路 自动校零程控放大 小信号处理 积 分 器 显 示键 盘 输入 积分式直流数字电压表(G题) 二. 题目分析及框图设计 3系统框图组成 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。 自动校零电路：完成自动校零功能。 积分器电路：由运放组成，完成电压时间的转换。 控制部分：控制量程转换、自动校零和积分器的正常 工作，并完成人机对话功能。 键盘、显示电路：完成人机对话。 电源电路：为各电路提供电源。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 1程控放大器 根据题目要求我们将量程分成三档：20mV、200mV、2V,其中 200mV、2V为题目的要求，20mV为扩展量程。 当输入信号小于20mv时放大100倍，当输入信号大于20mV但小 于200mv时放大10倍，输入信号为200 mv2v时输入信号不放大， 这样处理后使各输入电压统一调理为02V。为防止自动量程转换 时的抖动，相邻挡应有一定的重叠区。 要求控制芯片根据采集值能对量程自动化切换，同时输入级要 求输入电阻1M。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 1程控放大器 方案一:采用同相放大器,如下图： S1、S2、S3三个开关由单 片机控制，分别完成放大1、10 、100的功能，S1、S2、S3的闭 合情况由单片机根据Vo的值自 动完成，能实现自动量程转换 功能；同时采用了同相放大器 ，输入阻抗RifRi（1AF） ,满足输入电阻1M。 此电路的缺点为：不能实 现差分输入，且抗共模干扰能 力还需加强。 积分式直流数字电压表(G题) 方案二:采用三运放构成的仪表放大器，如下图： S1、S2开关 由单片机控制，分 别完成放大1、10 、100的功能，能 实现自动量程转换 ，计算如下： 当S1闭合、 S2断开时： 放大倍数A1=1+2R1/RG1100(选择合适的RG1) 当S2闭合、S1断开时： 放大倍数A2=1+2R1/RG210 (选择合适的RG2) 当S1断开、S2断开时，放大倍数A3=1 此电路的输入电阻高、能实现差分输入，且抗共模干扰能力强 等优点。 积分式直流数字电压表(G题) 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 1程控放大器 方案三:采用专用仪表放大器芯片（如INA128等）。 此方案除具有方案二的优点外，还具有外围接线简单的优点， 但成本较高。 上述三种方案均能实现自动量程转换和满足输 入电阻1M的要求。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 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。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 2自动校零电路 方案一：手动零点调节： 每次适应时，先将输入手动短路，调节相应的电位器，使输出 等于0。此方案实时性差，当环境（温度等）发生变化时，需要重 新校零，且需要手动调节电位器，不满足题目的“自动校零”的要求 。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 2自动校零电路 方案二：设置一个单刀双掷开关（CMOS开关或继电器），由 单片机控制自动完成零值（开关处于位置3）和实际输入（开关处 于位置1）的测量。不需要手动调节定位器，能满足“自动校零”的 要求。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 2自动校零电路 方案二的零点采集时间可采用以下方式： 方式一：设置一个按键，在需要校零时按下按键,单片机检测 到按键时即进行校零,此方案不足之处在于校零时,需要人工按键,实 时性差。 方式二：定时采集零值，例如1分钟采集一次。 方式三：每次测量均采集一次零值，然后将每次实际测量值 减去每次测量零值，达到自动校零的效果，此方案最具有实时性。 方案二的方式一、方式二、方式三能完成题目的要求 。比较而言，方式三最优，但测量速度变慢。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 3抗工频干扰电路 方案一 ：采用双T滤波器对50Hz的工频信号进行陷波，能很 好抑制50Hz的工频干扰。但电路较为复杂，且对其它频率的信号无 抑制。 方案二 ：一方面由于是直流电压检测，可用RC低通滤波器进 行低通滤波，为加强效果，可采用23级RC串联；另一方面双积 分的积分时间设置成工频周期20ms的整数倍，在1个积分周期内， 可使周期性的50Hz干扰正负相互抵消，对积分的贡献为0，有效防 止了工频干扰。 方案二能较好的完成题目的要求。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 4小信号检测 题目要求能对1mV的信号进行检测,由于运放存在输入失调电压 和失调电流,可能造成输入1mV的信号电压通过调理电路后形成负的 电压送到双积分电路,这样双积分被测信号输入有正有负,可采用以 下方案处理： 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 4小信号检测 方案一:Vx积分后对Vo进行极性判断,再决定用Vref或-Vref将Vo 积分回零,此方案需要判断Vo极性来决定投放Vref还是-Vref。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 4小信号检测 方案二:将输入电压进行电平移动，叠加1个直流电平，使得1mV 2V的输入电压偏离零点较远，例如叠加1V直流电平后，输入变 成1mV+1V2V+1V在全量程范围形成正电压，这样只需要负电压 进行反向积分。 方案一、方案二均能完成题目的要求。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 5双积分电路 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。 到MCU 积分式直流数字电压表(G题) 其工作波形图如下图所示。 三. 方案论证及设计 5双积分电路 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 5双积分电路 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： 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 5双积分电路 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。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 5双积分电路 有关积分器几个个问题： 分辨率：题目要求显示范围为019999，测量分辨率：0.1mV （2V档）。要求单片机选择合理的定时分频系数，使得输入2V时 ，对应的T2的量化值20000，才能满足分辩率的要求。 S2的作用：每次积分前，S2闭合使积分电容放电，一段时间后 断开，使每次测量Vo均从0开始。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 5双积分电路 有关积分器几个个问题： 积分运放的选择：选择高精度、失调电压和电流小的运放，例 如OP27等。 积分电容的选择：积分电容应选择介质损耗小的，例如聚丙烯 电容，当然聚苯乙烯电容也能较好的工作。 积分式直流数字电压表(G题) 三. 方案论证及设计 6软件设计 (1)软件流程图如下图所示，主要完成各部分的控制和数字处理等。 积分式直流数字电压表(G题) 开始 定标键按下吗返回 选择量程 (20mV/200mV/2V) 显示提示：输入量程起点值 ，停5S后再按定标键 定标键按下吗 将量程起点对应的采集值存 储到EEPROM 显示提示：输入量程满点 (20mV或200mV或2V), 稳定5S后再按定标键 定标键再次按下吗 记忆量程满点的采集值存 储到EEPROM 结束 N Y N N Y Y (2) 键盘显示完成人机对话, 主要作用是完成软件的自动定标。 软件自动定标流程图如下: 积分式直流数字电压表(G题) 采集值-起点采集值 显示电压-起点电压 满点采集值-起点采集值 满点电压-起点电压 =