电子毕业论文-无档电压电阻测量

2013 届本科毕业设计（论文）绪论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。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。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，完成了对电阻进行精确测量。2013 届本科毕业设计（论文）第一章：概述1.1 常用电压测量仪表1.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。2.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 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,还可以测量电阻。1.3.1 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1.3.2 原理分析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2013 届本科毕业设计（论文）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，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.1.3.3 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（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，2013 届本科毕业设计（论文）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。2013 届本科毕业设计（论文）123456ABCD654321D 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 8IC5741571.3.4 整机电路图2013 届本科毕业设计（论文）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2013 届本科毕业设计（论文）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。她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。2.1 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2.2 分压电路图 2.1 分压电路 图 2.2 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 2.1）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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 7-Mar-2003 Sheet of File: D:wqf99wqfddb.Ddb Drawn By:32184ICAD1D2R1R2件件件 UZIZminIZmaxUIb2013 届本科毕业设计（论文）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 2.2） 。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。2.3 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（如图 2.3） 。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 2.3 比较器电路）2.4 真有效值电路2.4.1 AD536真有效值直流转换芯片 图 2.3 比较器电路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 2013 届本科毕业设计（论文）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 2.4 AD536 内部原理图 图 2.5 AD536 外部调整电路工作原理：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-VSVIN1 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 R4R12013 届本科毕业设计（论文）1 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 的转换精度，对外部电路进行了调整。 （如图7）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。2013 届本科毕业设计（论文）（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。2.4.2 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。2.4.3 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()TtuduAvgu222RMSRSRMSRMSAvgVvgVV2013 届本科毕业设计（论文）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。2013 届本科毕业设计（论文）第三章 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。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 2013 届本科毕业设计（论文）图 3.1 A/D 转换原理图3.1.2 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（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* （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 （式二）ii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）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。21011tititTVdVRC 21ti ittVdT3012trttVEdRC 0132rEVtRC12i rTRC2013 届本科毕业设计（论文）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 ICL7135 引脚图及引脚功能(1)如右图 3.2 所示 ICL7135 的引脚图 (标有引脚名称)33.2 所示 ICL7135 的引脚图(2)ICL7135 的引脚符号及参数功能 （如下表 3.1）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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 13-Mar-2004 Sheet of File: E:protel 件件 MyDesign.ddb Drawn By:ICL71351234567891011121314 1516171819202122232425262728V-VREFAGNDINTOUTAZINBUFOUTREFCAP-REFCAP+INLOINHIV+D5B1B2 B4B8D4D3D2D1BUSYCLKPOLDGNDR/H/STOVERRANGUNDER2013 届本科毕业设计（论文）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.22 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，2013 届本科毕业设计（论文）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。3.2.2 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； 单一参考电压； 采用 BCD 码扫描输出； 能用闪烁显示的方式表示超量程状态； 具有六路输入/输出（I/O）辅助信号，可以与微控制器相连，进行复杂控制 具有自动量程的超量程和欠量程信号；2013 届本科毕业设计（论文） 允许差分输入； 具有极性自动判断功能和自动校零电路； 双电源供电； 准确度高： 0.005%1 个字； 输入漏电流低： 1PA； 分辨率高： 14 位； 零读数漂移低： 0.5uV/； 输入阻抗高： ；610 转换速度慢：3 次/S 噪声低： 15uV.3.2.3 ICL7135 与单片机接口（1）接口电路 （如下图所示）图 3.2 与单片机连接电路图如上图所示：用 P3.6 去控制 A/D 转换。如果置 P3.6=1 不变，则 ICL7135 连续进行 A/D 转换不会停止。如果用软件在 P3.6 输出一个正脉冲，则启动 A/D 转换，转换完一次便不再进行 A/D 转换，并不连续输出数据，把/STB 与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:VCC40/EA/VPP31P2.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28P3.2/INT012P3.3/INT113P1.45P1.56P1.67P1.78vss20P3.616P1.01P1.12P1.23P1.34RST/VPD 9RXT/P3.0 10RXT/P3.1 11XTAL218XTAL119T0/P3.414T0/P3.515P0.0 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 33P0.7 33/RT/P3.717/PSEN29ALE/PROG30AT89C51IC6/ST 26D1 20D2 19D3 18D4 17D5 12R/H 25V+11V-1B1 13B2 14B4 15B8 16POL 23VR 28OR 27VREF2CREF-7CREF+8IN+10IN-9INTOUT4AZ5BUFOUT6BUSY 21DGND24AGND3CLK22 ICL7135IC4K1K2件件件件100KR12C10.1ufWR1110KR1610KR136.8KCH80962VC30.47ufC41uf100kR15100kR14D10IN4148P2.0P2.1P2.2P2.3+ C510UFTXDRXD+5VX12MC720PC620PC20.1ufCLK +5V+5V-5V+5V+5VP1.4P1.5P1.6P1.74Y 123Y 92Y 71Y 4SEL14B3B2B1B3A2A1A4AG15VCC16GND8IC5741572013 届本科毕业设计（论文）P3.2（/INT0）相连，可实现/INT0 中断；在 A/D 转换期间，/STB 为高电平；在A/D 转换完毕后，在/STB 出现 5 个负脉冲，可以利用/STB 的下降沿请求中断。每个/STB 负脉冲出现之时正是相应的位驱动信号（D5-D1）中间，同时 B8-B1 是相应的 BCD 码。图中 D4-D1 未与单片机相连因为软件设计是连续 5 次中断，读出 5 个 BCD 码的方法。（2）74LS157 的功能实现数据通过 74LS157 读入单片机，74LS157 是四 2 选 1 数据选择多路开关、或称数据选择器，图腾柱输出。数据选择器在传送数据时，不保证信号不失真，只保证逻辑电平不变。因此数据选择器只可用来传送数字信号。多路模拟开关则不同，多路模拟开关的输出等于输入，可用来传送数字或模拟信号。 （如下表）输入 输出S /G 4A、 3A、2A、1A 4B、3B、2B、1B 4Y、3Y、2Y、1Y 1 0 0 0 00 01 0D4 D3 D2 D1 d4 d3 d2 d1D4 D3 D2 D1d4 d3 d2 d1表 3.2 74LS157 功能表由上表可得：当输出能控制端/G=1 时，输出脚 4Y-1Y 均为零；当/G=0 和数据选择控制输入端 S=0 时，输出 Y 等于 A 组输入，即 4Y、3Y 、2Y、1Y 分别等于 4A、3A、2A、1A；当/G=0、S=1 时，4Y、3Y、2Y、1Y 分别等于4B、3B、2B、1B。又如图 9 所示，ICL7135 进行 A/D 转换结束后输出/STB 负脉冲引起 AT89C51 中断，同时在第一个/STB 负脉冲时 D5 为高电平，因而使S=1，使 74LS157 的 B（ 4B、3B、2B、1B）=Y（4Y、3Y、2Y、1Y） 。AT89C51 读P1.3-P1.0 便读得 ICL7135 的 B8、B4、B2、B1 即读得千位、百位、十位、个位BCD 码。 注：图 9 中 R/H 相连的目的是由 AT89C51 启动 A/D 转换。3.2.4 ICL7135 的参数选择（1）钟频率 fck 的选择如果对输入模拟信号 Vx 的积分时间 TN 等于交流干扰信号的周期 TF 的整数倍，那么在 TN 内对干扰信号的积分等于零。也就是说，为了抑制周期为 TF(频率2013 届本科毕业设计（论文）为 fF)的干扰，应使 TN=KTF，K 是整数，K=1、2、，设 TN=N*TCK，TCK 为时钟周期，那么 N*TCK=K*TF。也可以表示为：fck=N*fF/K。其中 Fck 是为了抑制频率为 fF 的干扰信号对 A/D 转换结果的影响而加给双积分 ADC 的时钟频率。K 为正整数，N 随不同双积分 ADC 的型号而异。对于 ICL7135；N=10000、并且若取K=1、则 fck=10000fF。（2）积分电阻 RINT设满量程为：VFS，那么应取 RINT 为：RINT=VFS/20Ua；因为 ICL7135 的VFS=2V，则 RINT=100K。（3）积分电容 CINT设输入模拟信号 VX 为允许的最大值 VFS，在对模拟输入进行积分阶段的最后，积分器的输出为：VINT =N*TCKVFS/（RINTCINT ） ，VINT 应小于积分器输出的可能最大植 Vm（3.5V4V）,而且 TCK 是时钟周期，其频率为 fCK，因此应保证：N*VFS/（fCKRINTCINT）Vm；CINTN*VFS/（fCKRINTVm） 。由此可以得到：CINTN*20mA/（fCKVm） ，又因为对于 ICL7135 而言，N=10000，取 Vm=4V， fCK=5000KHZ，所以 CINT=0.1uF。（4）基准电压 VREF.对于 ICL7135，VREF=VFS/ 2，现取 VFS=2V，所以 VREF=1V。在图 9 中，用稳压为 2.0V 的电压经分压得到 1V 的基准电压，ICL7135 的基准电压为单端输入，其低电位应接 AGND。（5）CAZ 和 CREF调整电容 CAZ 主要要起隔直流作用. CREF 用于对基准电压滤波。这两个电容不可少，应取足够大的值，一般取 1uF。3.3 A/D 转换器的自动校零双积分式 A/D 转换器中的积分放大器与比较器的零点漂移，会引起转换误差。自动校零技术是在电路的工作过程中周期性的插入“零采样期” ，2013 届本科毕业设计（论文）利用采样/保持技术，记录电路的零点漂移值，然后用此值去抵消电路中的漂移电压，从而达到消除漂移影响，实现自动校正零点的目的。 （如右图 3.3）其中，VOS1、VOS2 分别为积分放大器和比较器的零点漂移电压，C0 为存储电容器在图 3.3（a）中为并联式校零电路。3.3.1 零采样期当 K1、K2 断开，K3、K4 接通，这时有：V01=-A1（VOS1-VO2） ；V02=-A2（V01-V02）其中：A1-积分放大器的增益； A2-比较器的增益；VOS1-积分放大器的零点漂移电压；VOS2-比较器的零点漂移电压；V01-积分放大器在零采样期的输出电压；V02-比较器在零采样期的输出电压；上面两个式子可以化为：由此可得：在零采样期，比较器的输出电压近似等于积分器的漂移电压+VOS2 并且此电压储存在 C 中。3.3.2 采样期当 K1 接通，K2、K3、K4 断开时，若积分器输出电压为负，则其输出电压从-VOS2 开始正向积分，当采样期结束，积分器的输出电压为：121202 12OSOSSOSAVAV10110 10 )TOSCiOSCtVVdRC（ ） （ 12212 10( )()TSOSOSOSitAA2013 届本科毕业设计（论文）由此可以看出，通过校零后，在 T1 期 VOS1 的影响基本消除。3.3.3 比较期当 K2 接通，K1、K3、K4 段开时，积分器从 VO1 开始对基准电压+Er 积分：当 V1=-VOS2 时，T2 期结束时：由上面各式化简可的：综上所述：通过两次积分后，比较器的漂移将被抵消。总之：A/D 转换是由 ICL7135 与单片机 AT89C51 组成的双积分式数模转换器；通过准备期，采样期和比较期三个过程来实现 A/D 转换系统；通过零采样期，采样期和比较期来实现 A/D 转换的自动校零，最终完成数模转化。它具有如下优点：（1） 对串模干扰的抑制特性好。因为双积分式 A/D 转换器只响应于输入电压的平均值，因此若在采样周期 T1内串入的噪声电压的平均值为零，那么串模干扰的电压将不会引起转换误差。（2） RC 积分时间常数、时钟周期 T0 的变化不会影响转换精度。 由于 RC 时间常数、时钟周期 T0 变化的影响在两次积分中互相抵消，故 RC及 T0 长期不稳定性对转换精度没有影响，即在双积分式 A/D 转换器中无需使用高精度的阻容元件和高精度的振荡器。但当他们的短期变化造成在采样和比较期10 10()trOSCtVEdRC 201 1110( )t OSrOSStVVdA01 210()trOStVERCA2201 201()TOS rOStVEVdRCA1 20 0()T Tit rtdRC2013 届本科毕业设计（论文）基准电压源自动切换电路标准测试电路8951单片机显示内的不一样时，则会影响精度。注：双积分式 A/D 转换器的缺点是速度慢，但并不影响仪表的正常工作。第四章 电阻测量根据测试精度的要求，将被测电阻分成五个量程。被测试电阻接于运算放大器的 A、B 的两端，R/V 转换电路将被测试电阻转换成直流电压，经真有效值电路送入 A/D 转换电路，将直流电压转换成数字量后输入到 AT89C51 单片机，单片机根据这一数字量判定量程是否合适，自动选择量程，然后测试电阻并显示所测电阻阻值。4.1 电阻测试的结构组成4.1.1 测量电路框图及结构其主要由 R/V 转换电路；A/D 转换电路；基准稳压源的自动切电路；89C51 单片机；标准测试电阻；真有效值测量电路共用六部分构成。 （如下图所示）图 4.1 电阻测试框图4.1.2 相关参数（峰值、平均值）2013 届本科毕业设计（论文）由整机电路图可知，稳压管 Di，电阻 R1i，R2i，电位器 Wi（i=15）和运算放大器