大学生电子设计竞赛设计报告积分式直流数字电压表设计

1、2007全国大学生电子设计竞赛设计报告编 号： g 363 题 目： 积分式直流数字电压表 学 校： 广东交通职业技术学院 参赛队员姓名： 李 目录一.摘要- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3二. 方案选择与论证- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -42.1 设计要求- - - - - - -

2、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4 2.1.1基本要求- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -42.1.2发挥部分- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -42.2 总体设计方案- - - - - - -

3、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -4 2.2.1系统基本方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5 2.2.2 v/f转换方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -52.2.3 频率测量方案- - - - - - - - - - -

4、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -52.2.4 控制器方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -62.2.5 显示方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -6三、系统硬件设计与实现- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

5、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -63.1线性电压/频率转换电路设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -63.2显示电路设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -83.3抗工频干扰电路设- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

6、 - - - - - - - - - - - -83.4自动校零电路设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -9四、系统软件设计- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -104.1主流程图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

7、- - - - - - - - - - -11五、系统测试- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 125.1量程测试- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -125.2分辨率测试- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

8、 - - - - - - - - - - - - - - 125.3输入电阻测试- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -125.4自动校零测试- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -125.5自动量程转换测试- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

9、- - - - - - - - - - - - -13六、误差分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13七、总结 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -13参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

10、 - - - - - - - - - - - - - - - - - -13附录1主电路原理图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14附录2主程序清单- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -15积分式直流数字电压表设计报告摘 要本设计是基于stc89c52单片机开发平台和自动控制原理的基础上实现的一种高精度、智能化的数字电压表系统。

11、该系统采用stc89c52单片机作为控制核心，由分立元件构成双积分式电压/频率转换，作为a/d转换数据采集系统，实现被测电压的高精度(16位)数据采样；使用比较器检测输入电压的范围，并实现量程的自动转换；同时具有显示模式切换、led显示等显著优点。整个系统由数据检测, 数据处理, 数据显示三大部分组成。系统的硬件与软件配合起作用，数据精度满足题目的要求。关键词： 积分式，电压/频率转换，电压表abstract:this design is based on stc89c52 microcontroller development platform and automation on the b

12、asis of principles of a high-precision, intelligent digital voltage meter system. the system uses stc89c52 microcontroller core as a control, discrete components constitute a double integral - voltage / frequency conversion, as a / d converter data acquisition system, the measured voltage to achieve

13、 the high precision (16) data sampling; use comparators detection of the input voltage range, and the achievement of the range automatic conversion; at the same time display mode switch, led display, and other significant advantages. the entire system is data detection, data processing, data show th

14、at three major components. the system works with the hardware and software, data accuracy to meet the requirements of topics.key words: integral, voltage / frequency converter, voltage meter二.方案选择与和论证2.1设计要求：2.1.1基本要求 ：（1）输出电流范围：200ma2000ma；（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的1+10 ma；（3）具有“+”、“-”步进

15、调整功能，步进10ma；（4）改变负载电阻，输出电压在10v以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1+10 ma； （5）纹波电流2ma；（6）自制电源。2.1.2发挥部分（1）输出电流范围为20ma2000ma，步进1ma；（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字；（3）改变负载电阻，输出电压在10v以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1 ma；（4）纹波电流0.2ma；（5）其他。2.2总体设计方案2.2.1系统基本方案：系统可以划分为模拟-数字转化部分和控制部分。模拟-数字转化

16、部分包括：电压放大和偏置，v/f转换模块，频率测量模块。控制部分包括：控制器模块，显示模块。模块框图如图 1所示。被测电压 v/f转换单片机控制器频率测量显示模块图 1 系统框图为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证，我们选取了较好的方案实现。2.2.2 v/f转换电路方案方案一：采用集成型555定时器，可以很方便的与单片机实现接口通信，价格比较便宜且容易购买，外围电路比较简单，但其响应速度较慢，适合用于一些要求不太高的场合。方案二：采用v/f转换专用集成芯片lm331作为核心部件，辅以的外围电路实现。lm331是美国ns公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电

17、压转换器、a/d转换器、长时间积分器及其他相关器件。lm331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0v电源电压下都有极高的精度。lm331的动态范围宽，可达100db；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路相对简单，只需接入几个外部元件就可方便构成v/f变换电路，并且容易保证转换精度。最佳温度稳定性为50ppm/，满刻度量程为1hz100khz。方案三：采用v/f转换专用集成芯片ad650 ，辅以的外围电路即可实现。ad650是美国analog devices公司推出的高精度电压频率(v

18、/f)转换器，它由积分器、比较器、精密电流源、单稳多谐振荡器和输出晶体管组成。该电路在15v电源电压下，功耗电流小于15ma，满刻度为1mhz时其非线性度小于0.07。ad650既能用作电压频率转换器，又可用作频率电压转换器。ad650的满刻度频率高,可达1mhz；具有很低的非线性度：在10khz满刻度时非线性度小于0.002，在l0khz满刻度时非线性度小于0.005,在1mhz满刻度时非线性度小于007。完全达到题目对精度和线性度的要求；最佳温度稳定性为150ppm/。v/f转换作为此次设计的核心模块，必须要有较高的满刻度频率响应和较低的最佳温度稳定性。lm331具有较低的最佳温度稳定性，

19、但其满刻度频率只有100khz，数字分辨率只能达到12位；尽管ad650的最佳温度稳定性不如lm331，但其满刻度频率高，但非线性度也完全符合要求,不过其价格相对过于贵仰，而555定时器电路简单,满刻度500 khz而且本电路所应用的场合不算太高,线性度也符合电路设计要求,综上所述，我们选择555定时器和op07运放作为v/f转换的核心器件。2.2.3频率测量方案对v/f变换后的频率进行测量，由于频率较高，一般在几十k甚至上百khz，要实现快速准确的测量频率，必须要有良好的硬件响应速度和良好的测量策略。方案一：用单片机的计数器对基准时钟源进行计数。然后通过计数的比值计算出被测信号的频率。这种方

20、案节省硬件，用一片单片机实现计数，运算等工作。但是，由于单片机内部的计数器所能计数的频率有限。 方案二：用8253等专用硬件计数器配合逻辑电路设计一套硬件测量电路。此种电路如果能合理设计，能做到实时性好，测量准确。但是设计起来较为麻烦，需要的硬件多，电路制作复杂，由于引脚太多搭焊和线路连接都比较繁琐，调试起来很难发现问题所在。综上所述，考虑到时间的紧迫性和本题目要求达到16位的高分辨率，计数器必须达到很高的响应速度而且易于实现，但是本电路设计的频率只要几十k测量频率 。所以我们选用方案一。2.2.4控制器方案本设计对运算控制器的响应速度要求不是非常高，只是在与cpld通讯的时候要求有较高的响应

21、速度，且可进行大量的数据运算。我们有两种方案可供选择：方案一：采用fgpa（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。fgpa可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用eda软件仿真、在线调试，易于进行功能扩展，响应速度快。但由于本设计对控制器的响应速度要求不高，fgpa的高速处理优势得不到充分体现，并且由于芯片集成度很高，成本偏高，同时由于引脚较多，电路板的布线比较复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用stc公司生产的89c52单片机。单片机算术运算能力强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制功耗

22、小，技术比较成熟，成本较低，i/o口较多容易实现外扩，响应速度完全达到系统要求。综上所述，我们选择方案二。2.2.5显示方案在a/d转换完毕后，系统需要对转换结果有一个比较明了的显示，我们考虑了以下几种方案。方案一：使用液晶显示屏显示转换结果。液晶显示屏(lcd)具有轻薄短小，耗电量低，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强和显示形式灵活等优点。只是编程工作量较大，控制其占用资源较多，但在本系统中对控制器的资源使用不多，完全可以使用。方案二：使用传统的数码管显示转换结果。数码管（led）对环境因素要求较低，显示明亮，采用bcd编码显示数

23、字，程序编译相对容易，资源占用少,软件硬件设计简单。 大多仪表、仪器都是用这种方式作为显示。根据以上论述，我们采用方案二。三、系统硬件设计与实现3.1线性电压/频率转换电路设计如图2所示，电压/频率转换电路由一只运算放大器op07和一只555定时器等少量元件组成。ic1采用高精度高增益运算放大器组成差分输入的积分电路，其图2 电压/频率转换电路原理图输出控制加至ic2的触发端，单稳触发电路的输出又反馈至积分器的同相输入端，改变积分的相位，使ic1输出呈线性增长和线性下降的三角波变化。由于ic2的输出脉冲方波反馈至ic1的同相端，当ic1输出放电至ic2的1/3vdd时，555置位，3脚输出的高

24、电平又使ic1进行同相积分，va电压呈线性增长，到ic2单稳结束时，低电平作用至ic1的同相端，va呈线性下降，至1/3vdd时，再次触发555，如此循环，形成一定频率的振荡脉冲。单稳态电路的暂稳时间。ic2输出的脉宽与幅值对电压/频率的转换灵敏度存在以下关系：积分电路的时间常数和有如下关系：表1 3.2 显示电路设计图3 显示接口原理图3.3 抗工频干扰电路设计工频的主要谐波成分是6次谐波6f=300hz，适当选择r、c的参数，就能将这个主要谐波成分滤除。双t滤波器是属于带阻滤波器，其结构如图4所示。图4 工频滤波对双t滤波器的要求是对某一频率信号（需要滤除的信号）的输入，该电路发生谐振而不

25、能通过，而对其他频率信号的输入，则基本上可以通过，但在幅值上有所衰减。=0时为直流状态，该滤波器串在电路中只相当于一个2r电阻。当=0时，滤波器处于谐振状态，u00；当时，电容器相当短路，u0便输出。等效电路如图5所示 图5 工频滤波等效电路其中 z=2j+(j)/(r/c) z=2r+r/（）当发生谐振时，谐振电压不能通过，则需zz/(zz)=，即需 z+z=0，故得 2r2jrj0要满足上述条件，需要实部、虚部为0，即 2r=0 2jrj=0由上两式可得r=1，故谓振荡频率f为f=根据本电路的设计要求需要滤掉50 hz，我们选定c=30pf，可算出r=1003.4自动校零电路设计该电路是一

26、个具有动态校零的斩波器，图中s1和s2为模拟开关。当开关s1位于位置1时，电路处于工作状态，信号由输入端in加上，并经a1放大（a1为反相比例运算电路）输出。此时a2的输入端因s2接至1点而断开，所以a2不引入反馈。当s1、s2分别置于2和2时，电路为自动校零状态。此时a1的 图6 自动校零电路 输入端接地，若存在失调电压，则vout10，即vout1为a2的输入电压，经a2反相积分和r3、r4适当分压后实现自动校零。其工作过程简述如下：若a1的反相输入端的失调电压为正值vi1，则vout1必为负值，经a2反相积分后其输入电压v02必为正值，经r3和r4适当分压后在a1的同相输入端引入一个正电

27、压，用以抵消vi1，从而实现自动校零。四、系统软件设计41主流程图图7 主程序流程图校零检测显 示闪烁200mv量程处理2v量程处理ynyn输入电压2vy开始表2 测试数据标准数据0.1mv实测数据0.1mv测量误差%11100.01%32300.01%51500.01%72700.01%80800.00%90900.00%1001000.00%2012000.01%5015000.01%100010000.00%150115000.01%199920000.01%250125000.01%254225410.01%500150000.01%10003100000.02%10136101330

28、.020202%16489164880.010202%19962199580.02%20000199980.01%五、系统测试5.1量程测试在测量的过程中，由于我们手头上的测量仪器只可以测量100mv至2v范围的量程值，所以测量100mv以下的量程我们就在现有的仪器基础上串联一个10k的微调电阻来进行测试，用数字电压表同单片机控制数码管来对比显示测量值，我们在测试过程中，根据实际测出的数值和通过单片机所测得的值的差的绝对值除以满量程值就是测量误差如表1所示。测量公式如下：误差=100 实测数

29、据与标准数据的比较如图8表所示图8 实测数据与标准数据的比较根据实测数据与标准数据对比，可以清晰得到其具有非常好的线性度，如图9。 图9 测试数据线性度5.2分辨率测试根据实际测试显示与数字电压表显示的数据频率在0.1 mv1 mv、1 mv200mv、200mv2v之间分别0、1、4个数字，已经达到题目要求。5.3输入电阻测试经过用万用表测试实际测得本电路设计的输入阻抗大于1m欧姆。5.4自动校零测试本测试是单片机通过一定的时间间隔控制模拟开关的导通实现的，在电路工作情况下，当无信号输入时，数码显示也为零，有信号输入时，会通过单片机控制不断进行清零，从而实现自动校零功能。5.5自动量程转换测试 本系统要求分两个量程来显示电压值，可以分别输入电压小于200mv、大于200 mv来示量程，用数字电压与数码显示来分析，通过实测满足要求。六、误差分析脉冲测量误差的产生是由门电路延时是由门电路延时、门路整形和50ms的时间分辨率引起的。由表2、图8、图9可直观地得出其测量误差，如图10。