电子毕业论文-电压电阻测量仪

2013 届本科毕业设计（论文）摘要常用电压、电阻测量仪器都是单一性的，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。而我们的设计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，用单片机 89C2051 对输入信号进行有效处理，可以自动判定交直流电压并根据其大小选择合适的档位,最终实现测量的准确性和自动化。本设计不需要手动调档，这样就很方便，而且测量交流电压时也不会产生比较大的误差；同时还可以测量电阻。我们以单片机 89C2051 与 A/D 转换器ICL7135 为核心，采用运算放大器 0P07 对输入信号进行有效处理，经处理后的信号直接送入 A/D 转换器进行转换，再运用单片机的运算处理功能与显示电路直接得到被测电压的数值。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， 平均值， 采样期， 误差，抗干扰能力1ABSTRACTThe volotage resistance automatic measuring instrument is for make up the commonly used voltage or measure of tesistance apparatus deficiency , finally realizes the survey accuracy and the automation.Thecommon votemter or the ampere meter all are unitary,moreover the survey scope small,accurate rate is low.The survey process quite is also troublesome,because must estimate the observed value,therefore frequently can appear the meaduring range 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.This 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 time2目录摘要.I绪论. .1第一章 概述.31.1 常用电压测量仪表.31.2 常用电阻测量仪表.31.3. 电压测量的基本要求.31.4 无挡电压电阻测量仪表.4第二章 电压测量.92.1 主要技术指标.92.2 电压测量电路的特点及结构.112.3 分压电路.112.4 档位判别电路.122.5 真有效值电路.12第三章 A/D 转 换 器.173.1 双积分式数模转换原理及系统过程.173.2 双积分 A/D 转换器-ICL7135.193.3 A/D 转换器的自动校零.25第四章 电阻测量.284.1 电阻测试的结构组成.284.2 R/V 转换电路.294.3 自动档位选择电路.31第五章系统调试及分析.325.1 调试.325.2 误差分析.335.3 测试任务.33结束语/展望. .34致 谢.35参考文献.36附录. .373绪论工程科学技术在推动人类文明的进步中一直起着发动机作用。随着知识经济时代的到来，科学技术突飞猛进，国际竞争日 趋激烈。特别是随着经济全球化发展和我国加入 WTO，世界制造将逐步向我国转移。有人认为，我国将成为世界的“制造中心” 。有鉴与此，工程技术的发展因此面临着新的机遇和挑战。伴随着 4C 技术，即计算机（COMPUTER） 、控制器（CONTROLLER） 、通信（COMMUNICATION） 、和 CRT 显示器技术的发展，特别是其中的微处理器技术和集成电路技术的飞速发展以及市场竞争和用户需求的呼唤，过程控制系统由 50 多年的基地式气动控制仪表系统 PCS（PNEUMATIC CONTORL SYSTEM）第一代过程控制系统，经历了电动单元组合式模拟仪表控制系统 ACS（ANALOGOUSLONTROL CONTROL SYSTEM）的第二代过程控制系统，集中式数字控制系统 CCS（COMPUTER CONTROL SYSTEM）的第三代过程控制系统和集散式系统 DCS（DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）的第四代过程控制系统而发展至今天的第五代过程控制系统现场总线控制系统 FCS（FIELDBUS CONTROL SYSTEM）对于现场总线控制系统这项跨世纪的自控新技术的出现，赞誉它为自控技术的新纪元或者 21 世纪领域的主题都是不过分的，本设计就是基于单片机控制总线系统来对电压电阻测量进行系统控制的。 随着电子技术的飞速发展，在人们生活水平大幅度提高的同时，电子仪器已经在人们中间得到了很大普及。在市场经济的今天，竞争已经趋于白热化，许多商家面对如此激烈的竞争，客户满意成为许多商家的发展趋势，售后服务做的可以说已经是相当完善，可以说客户不用再为普通仪器损坏而烦恼，但对于一些出了三包期限，而又离城镇较远的地区，一旦所购买的仪器出了什么故障，就很难维修，加之现在一些商家为了金钱，不顾消费者的利益，不重产品质量，导致许多产品刚买回来就出现故障，这样的现象随处可见，而商家对此的态度大多是给一个客户服务中心的电话，让你自己联系，维修很不方便。而这些电器又有维修价值，扔了实在可惜，维修自然就落到了电子爱好者的身上。对于一些老的技术员来说，由于他们经验丰富，仅凭一块万用表可能就足够了，但对于一些初学者，面对今天电子产品的集成化和高频化，仅凭一块万用表往往觉得很难下手，如果能拥有一些现代化的仪器仪表来辅助维修工作，恐怕情况就会好很多了。现在市场上卖的一些仪器大多是针对学校、医院、企业等一些大型购买仪器用的，而且价格确实不菲，所以爱好者往往是想买但却买不起，针对这一现象，我们就要想4办法自己动手来做一些自己的仪器，既实用，价格又不是太高。本系统的软件设计采用模块化设计的方法，整个程序包括主程序、数据采集程序、数据处理程序、串行通讯程序、定时器中断程序、LED 显示程序。所有的程序均采用 C 语言编写，可以很方便地调试和下载程序代码。限于篇幅，本文只给出主程序的流程图，系统的主程序主要完成 8951 单片机系统的初始化、设置系统时钟和中断字，调用键盘处理程序，根据不同的按键转入相应的服务程序，完成不同的功能，如数据的采集与处理、串行通信以及历史记录的查询。其中串行通讯子程序不仅可以将单片机存储的数据传送到 PC 机进行处理分析，用户也可以根据情况从 PC 机上设置待测数据多少以及测试时间的长短等。5第一章 概述电压测量是电子测量的基础，基本的电压测量仪器是电压表。电压表、示波器、计数器是电子测量的三大仪器。1.1 常用电压测量仪表1.按指示方式可分为模拟式和数字式两大类。模拟式电压表是以指针的形式显示测量结果；数字式电压表是目前较先进的表，它是以数字的形式显示测量结果。2.普通的电压表分为直流电压表和交流电压表。即使像万用表那样可以同时测量交直流电压，但也需要手动调档，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。3.普通电压表需要手动换档，因为小量程不能测量大电压，而大用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常用电压表的某些不足,这里就不一一介绍了。1.3. 电压测量的基本要求1.3.1.频率范围宽被测电压的频率范围自零赫兹到数百兆赫兹，大致分为直流、低频、视频、高频和超高频等。所用电压表必须具有足够宽的频率范围。1.3.2.量程宽被测量电压的量值范围很宽，小到几纳伏，大到几百伏，甚至几千伏至几万6伏。测量之前，应对被测量电压有大概的估计，所用电压表应具有相当宽的量程或具有针对性。测量小信号电压时应选用高灵敏度电压表，测量高电压时应选用绝缘度高的电压表来测量。1.3.3 输入阻抗高测量电压时，电压表等效为输入电阻 Ri 和输入电容 Ci 的并联，其输入阻抗（Ri/Ci）是被测电路的额外负载。为了使被测电路的工作状态尽量少受影响，电压表应具有足够高的输入阻抗，即 Ri 应尽量大、Ci 应尽量小。1.3.4.抗干扰能力强测量工作一般是受各种干扰的情况下进行的。当利用电压表进行高灵敏度测量时，干扰会引入明显的测量误差，这就要求电压表具有较强的抗干扰能力。必要时，应采取一些抗干扰措施，如良好地、使用短的测试线、进行屏蔽等，以减小干扰的影响。1.3.5.测量精确度高直流电压的测量可获得较高的测量精确度，例如直流数字电压表一般可达到10-410-7 量级；交流电压表的测量精确度可达 10-210-4 量级。在测量精确度要求不高时，可选用测量精确度在（13）%左右的电压表。1.4 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, 即使像万用表那样可以同时测量电压，但不需要手动调档，这样就很方便，而且测量交流电压时也不会产生比较大的误差；同时还可以测量电阻。这样就剩去了好多不必要的麻烦。 1.4.1 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；7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，图中的自动切换电路是由 CD4051 构成的.CD4051 是单 8 路模拟开关。如框图所示当检测到键盘要进行电阻测量时，CPU 会控制先切断所有的电压档位选择开关、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、CPUAT89C51 根据转换数字，去控制自动切换电路（CD4051）选择合适的档位，完成对电阻的精确测量，并显示测量数据.注: 五个模拟开关控制着对电压测量还是对电阻测量，而且还控制着电压测量时的档位选择.1.4.2 系统框图档位控制 V+ 1： 1000 K41： 100 K3 V- 1：10 K2 1：1 K1 K 控 制RR图 1.1 仪表的测量系统框图1.4.3 工作流程A/D转换电路真 有效 值电 路CPU 显示键盘基 准电 压 源自动切换电路标准测试电阻测 试电 路8（1）电压测量:首先被测电压信号由测量端进入分压电路（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） 。然后通过电压比较后自动选档（分别为：1.9999V，19.999V，199.99V，1999.9V） 。由集成电路 AD536A 产生真有效值（它能够准确测量各种交流信号的真有效值，而不必考虑其波形参数及失真的大小） 。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。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：测量过程如电压测量。如整机电路图所示图：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。9123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSize B Date:18-Mar-2004Sheet of File:E:件件件件件件件s.ddbDrawn By:VCC40 /EA/VPP31P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728P3.2/INT012P3.3/INT113P1.45P1.56P1.67P1.78vss 20P3.616P1.01P1.12P1.23P1.34RST/VPD9RXT/P3.010RXT/P3.111XTAL218XTAL119T0/P3.414T0/P3.515P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.733/RT/P3.717/PSEN29ALE/PROG30AT89C51IC6/ST26D120D219D318D417D512R/H25V+11 V- 1B113B214B415B816POL23VR28OR27VREF2CREF-7CREF+8IN+10IN-9INTOUT4AZ5BUFOUT6BUSY21DGND 24AGND 3CLK22ICL7135IC4NC11NC12NC13BUFOUT6COM10RL9+VS14CAV4 NC2VIN1DB5BIN7IOUT8-VS 3AD536 IC3K1 K2 K3 K41356121234891011VDD14VSS 7CD4066IC1K K K K1356121234891011VDD14VSS 7CD4066IC2O/I3INH6A011 A110A29I/O0 13I/O1 14I/O2 15I/O3 12I/O4 13I/O5 5I/O6 2I/O7 4GND8VDD164051IC7K1K2 件件件件100K R17C10.1ufWR1110KR16 10KR18 6.8KCH8096 2V 365R10 750KR16R9 50050KC30.47uf C4 1uf 100kR20100kR19D10 4148P2.0P2.1P2.2P2.3+C5 10UFTXDRXD+5VX12MC720PC620PC20.1ufA B C DE P1.4 P1.5P1.6 P1.7P2.3CLK+5V+5V -5V+5V+5V+5V4UF+5V -5VP1.4P1.5P1.6P1.7W1W2W3W4W5326IC8A741326IC9A741326IC10A741326IC11A741326IC12A741R11R12R13R14R15R18R19R20R21R22326IC13AOP07R17+5V+5V D1 D2 D3 D4 D5R21R22R23R24R25R31600R326kR3360kR34 600kR35 6000kR36EP2.4P2.0 P2.1P2.2321IC14A321IC15A321IC16A321IC17AR1R2R3R4R5 R6R7R8ZD1 ZD2ZD3 ZD4ZD5 ZD6ZD7 ZD8ABCD40694069R26 1MR27 1MC8 510PCLK fcp=125kHz-5VJIJ2件件件件件件件件4Y123Y92Y71Y4SEL14B3B2B1B 3A2A1A4A G 15VCC16 GND 8IC5 741571.4.4 整机电路图10图 1.2 整机电路图第二章 电压测量123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSize BDate:15-Mar-2004Sheet ofFile:E:件件件件件件件s.ddbDrawn By:Q03 Q14Q25 Q36Q410 Q511Q612 Q713A 1B 2CLK 8/MR 9vcc14GND774LS164Q03 Q14Q25 Q36Q410 Q511Q612 Q713A 1B 2CLK 8/MR 9vcc14GND774LS164Q03 Q14Q25 Q36Q410 Q511Q612 Q713A 1B 2CLK 8/MR 9vcc14GND774LS164Q03 Q14Q25 Q36Q410 Q511Q612 Q713A 1B 2CLK 8/MR 9vcc14GND774LS164Q03 Q14Q25 Q36Q410 Q511Q612 Q713A 1B 2CLK 8/MR 9vcc14GND774LS164abfcg deDPYLEDgn1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g DP8LED1abfcg deDPYLEDgn1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g DP8LED2abfcg deDPYLEDgn1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g DP8LED3abfcg deDPYLEDgn1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g DP8LED4abfcg deDPYLEDgn1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g DP8LED5LD1LD2LD3LD4+5+5V+5V+5V+5V+5V+5VRXDTXD1234BR21234BR1Vin1GND 3+5V27805Vin3GND1-5V27905Vin1GND 2+18V37815Vin3GND1-18V27915C92200u/25vC102200u/25vC112200u/50vC122200u/50vC13220u/16vC14220u/16vC15100u/50vC16100u/50vC17 103 C18 103C19 103 C20 103 C23 103 C24 103C22 103C21 103TRANS5AC220V1AFUSE11AFUSE2L1 L2 L3 L4+5V -5V +15V-15V显显显显显显显显11方案论证与比较方案（1）：电压表测试法 电压表包括模拟与数字两种，如果用模拟电压表来测试一个小信号，其误差必然很大，精度不高；数字电压表虽然具有精度高，输入阻抗大，功能多等优点，但设计电路复杂，难度大，何况设计出以后，精度也不一定可靠。方案（2）：利用高精度的转换器与单片机相配合，对输入信号进行处理，此方案具有设计简单，原理清晰，精度高，易实现等优点。对输入的小信号我们采取运算放大之后再转换的方案。本设计只要原器件选择的准确，所测出的数值就具有很高的精确度。与模拟式电压表相比，数字电压表具有精确度高、测速快、抗干扰能力强和便于实现电压测量智能化与自动化等优点，应用比较广泛。但由于数字电压表不能较直观测到交变电压的变化情况，所以不能完全替代模拟式电压表。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；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。如下图 2.1 为系统框图图 2.1 系统框图2.1 主要技术指标2.1.1 电压测量范围（1）量程数字电压表一般有好几个量程，量程的改变通常由电压表的步进衰减器与放大器的适当配合来实现。信号未经衰减和放大器放大的量程称基本量程，基本量程模拟输入 运算放大控制电路A/D 转换 单片机处理显示电路12误差小。（2）显示位数电压显示范围 0.00011.9999V,电压输出范围 01.9999V。（3）超量程能力超量程能力是指数字电压表在一个量程上所能测量的最大电压超出量程值的能力，是数字电压表的一个重要指标。数字电压表有无超量程能力，要根据它的量程分档情况以及能够显示的最大数字情况来决定，其计算式如下：超量程能力=（能测量出的最大电压-量程值）/量程值*100%2.1.2 分辨力分辨力及灵敏度，是指数字电压表能够反映出的被测电压最小变化值，实际上就等于量程最右边数字的一个单位，即末尾的“1”表示出的电压值。不同量程的分辨力不同，最小量程的分辨力最高。通常以最小量程的分辨力作为数字电压表的分辨力。2.1.3 测量误差数字电压表的测量误差通常以它的固有误差或工作误差来表示，属于允许误差。2.1.4 输入电阻和输入零电流数字电压表的输入电阻一般不小于 10M，最高的可达到 1G，一般情况下基本量程的输入电阻最高。2.1.5 抗干扰能力抗干扰能力通常用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表示，干扰抑制比的数值越大，表示数字电压表抗干扰能力越强。2.1.6 测量速度测量速度是指在单位时间内，以规定的准确度完成的最大测量次数，或完成单次测量所用的时间。132.2 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2.3 分压电路图 2.2 分压电路 图 2.3 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 2.2）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 2.3） 。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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 7-Mar-2003 Sheet of File: D:wqf99wqfddb.Ddb Drawn By:32184ICAD1D2R1R2件件件 UZIZminIZmaxUIb14U0UZ。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。2.4 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（如图 2.4） 。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置的切换。这是最方便实际的方法。 （如图 2.4 比较器电路）图 2.4 比较器电路2.5 真有效值电路2.5.1 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 2 3 4 5 6 A B C D 6 5 4 3 2 1 D C B A Title Numb RevisiSizB Dat 7-Mar-20 Sheet Fil D:wqf99wqfd Drawn 3 2 1 8 4 A 1.2v VCC V- 1 V+ 3 ADJ 2 LM385Z-1.2 15（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） 。工作原理：输入的支流或交流电压 V2n 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：。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2413II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的话，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。如下图 2.5 所示:图图 2.5 AD536 内部原理图标准连接：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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber Re visionSizeBDa te: 14-Mar-2004 She et of File: E:件 件 件 件 件 件 件 s.ddb Dra wn By:ARSOLUTEVALUESOUARERDIVIDERCURRENTMIRROR+-1091476+VS1345CAVVOUT-VSVIN+vs-vsR2R3 R4R1161 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件件件件件将正负电源端接地，并且瓷片电容应离 AD536 尽量近些。外部调整：为了提高 AD536A 的转换精度，对外部电路进行了调整。 （如图2.6）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。图 2.6 AD536 外部调整电路（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于 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 有效值输出范围： 07V； 对数输出范围： 60Db； 低功耗： 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。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 14-Mar-2004 Sheet of File: E:件件件件 件件件 s.ddb Drawn By:ARSOLUTEVALUESOUARERDIVIDERCURRENTMIRROR+-1091476+VS1345CAVVOUT-VSVIN17上图 2.7 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，电源范围宽及功耗低。2.5.2 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。2.5.3 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：201()TRMS tVud2RS22201()TtuduAvgu18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。222RMSRSRMSRMSuAvguuVvgVV19第三章 A/D 转 换 器电压表的核心是 A/D 变换器，应用比较广泛的是双积分式 A/D 变换器以及逐行比较式 A/D 变换器。双积分 A/D 变换器的工作过程分为准备、取样、和比较三个过程，其原理图如下图 3.1 原理图所示，3.1 双积分式数模转换原理及系统过程3.1.1 双积分式 A/D 转换器的原理图 图 3.1 A/D 转换原理图203.1.2 A/D 转换的系统过程1.准备阶段：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. 采样阶段：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3. 比较阶段：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* （式一）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可用周期i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 （式二）iVi也可表示为： =Er/N1*N2=eN2 （式三）iV其中：e刻度系数，表明一个数字代表多少伏电压（字/伏）H转换系数，表明每伏输入电压被转换成多少个数字（字/伏）21011tititTVdVRC 21ti ittVdT3012trttVEdRC 0132rEVtRC12i rT21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。3.2 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。3.2.1 A/D 转换电路 图 3.2ICL7135 的典型应用本设计使用 ICL7135 的典型应用，具体接法如图（3.2）所示，7135 是四位半的双积分 A/D 转换芯片，可以转换输出（+，）2000 个数字量，有 STB 选通控制的 BCD 码输出，与微机接口十分方便，ICL7135 具有精度高（相当与 14 位A/D 转换） ，价格低的优点，其转换速度与频率有关，每个转换周期有：自校准，正向积分，反向积分和过零检测四个阶段组成；工作时钟频率为 125KHZ，由于7135 对时钟的要求不是很高，所以本电路采用了外接时钟法，原理图 3.3 如下：图 3.3 外接时钟原理图双积分式 A/D 变换器即双斜式 A/D 变换器，属于 V-T 型积分式 A/D 变换器。它将直流电压与基准电压的比较通过两次积分变换为两个时间段的比较，并由此1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 29-Jul-2003 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator.EDAXchunshengSheet2.DDBDrawn By:C71ufC31ufC2 0.47ufR13100kR12100kC80.1ufD4IN4148R15100k+V 11-V 1REF 2INTO 4ANIN 5BUFFO 6REFC+ 8D512 REFC- 7INHI 10DGND 24INLO 9AC 3R/H25 POL23BUSY21 LOW28HIGH27 STRO26CLK22 D120D219 D318 D4 17B816 B415B214 B113U27135IN1VCC-VCCF=0.45RC1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 29-Jul-2003 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator.EDAXchunshengSheet2.DDBDrawn By:R1010K R1136K1 2U3ACD40693 4U3BCD4069C610NFA5IN122将模拟电压变换为其输入电压的平均值成正比的时间段，时间段的长短则由计数器来测定，计数器所得的计数值即 A/D 变换的结果。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。3.2.2 ICL7135 引脚图及引脚功能(1)如下图 3.4 所示 ICL7135 的引脚图 (标有引脚名称)图 3.4 ICL7135 的引脚(2)ICL7135 的引脚符号及参数功能 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-0.47UF1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 13-Mar-2