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,小信号处理,积 分 器,显 示,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1mV2V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),(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),(3) 工程量转换的公式如下