积分式数字电压表单片机论文

1、目录目录摘摘 要要 1 1一、系统方案论证一、系统方案论证 2 21、芯片选择模块 22、数码管工作方式模块 23、双积分 DVM 电路方式模块 2二、二、系统设计与总体分析系统设计与总体分析 3 31、总体设计 32、各模块实现原理 32.1 LED 数码管驱动电路模块32.2 双积分 DVM 电路3三、理论分析与计算三、理论分析与计算 4 41、准备阶段（T0-T1）42、采样阶段（T1-T2）53、比较阶段 （T2-T3）5四、软件设计四、软件设计 6 6五、系统测试五、系统测试 6 61、测试使用的仪器 62、指标测试和测试结果 63、测试结果分析 6参考文献参考文献 7 7附附 录录

2、 8 8 . . . 1 / 12摘 要本设计采用单片机（89S52 芯片）为系统的控制核心。整个设计采用了模块化的设计思想，包括直流稳压电源模块、LED 数码管显示模块、自动校零电路模块、采样电路模块、测量电路模块。程序设计采用汇编语言编程实现，控制电子开关的闭合与断开，通过双积分式 DVM 电路实现电路的自动校零、电路采样与输入信号的测量，从而输出较准确的电压值。本系统采用高精密电阻和高精度电容器件，较好地扩宽了电压测量围，降低了测量误差；在双积分式 DVM 电路的前一级采用双排阻，有效地抑制工频干扰，提高了测量精度，达到了较高的性能指标。关键词：高精密电阻，高精度电容，双积分式 DVM，

3、电子开关，双排阻 . . . 2 / 12一、系统方案论证本系统采用 89S52 芯片控制 4066 芯片电子开关的闭合与断开，对整个系统进行零校准、采样积分、比较测量电压，达到题目要求的电压测量围、测量分辨率、测量误差、采样速率和输入较大的阻抗，同时抑制了工频干扰。以数码管的形式显示出精度高、准确性好的电压值。因此系统分为以下几个模块：89S52芯片LED数码管显示双积分DVM电路+15V+5VUx直流稳压电源+8V图 1.1 系统方框图1 1、芯片选择模块、芯片选择模块方案一：89S52 单片机是一种高性能 8 位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器 CPU、存储器、寄存器、I/O

4、接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机。方案二：C8051F005 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与 80S52 兼容的微控制器的核，与 MCS-51 指令集完全兼容。除了具有标准 80S52 的数字外设部件之外，片还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设与功能部件。方案选择：方案二中 C8051F005 芯片系统部结构复杂，不易控制，芯片成本高，对于本系统而言利用率低，方案一 89S52 芯片简单易控制，成本低，性能稳定故采用方案一。2 2、数码管工作方式模块、数码管工作方式模块 方案一：采用静态驱动法原理。利用移位寄存器将串行信号转换为并行信号驱

5、动数码管时，输出一次显示数据后，所有数码管可以一直保持显示。只有需要改变显示容时才重新发送一次显示数据。 方案二：采用动态驱动法原理。采用这种方法时每只数码管轮流显示各自的字符。由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于 1/16S时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。 方案选择：方案一减少 CPU 端口驱动，数码管显示数据稳定可靠，方案二需要 CUP提供较多的 I/O 口驱动位码、段码，对于芯片要求较高，因此采用方案一驱动原理。3 3、双积分、双积分 DVMDVM 电路方式模块电路方式模块 方案一：基本式积分电路。基本式积分电路转换过程中需进行两次积分运算，一次对被测电压

6、，在采样时间进行“定时间”积分；另一次是对基准电压进行反向“定电压”积分，直到积分器恢复原状，反向恢复时间与被测电压成正比，其转换原理方框图如附图 1 所示。 方案二：三相积分式。三相积分式电路中每一测量周期需经自动校零、采样、比较三个阶段，当开关 K3、K4闭合时积分电路进行零校准，断开 K3、K4闭合 K2电路进行 . . . 3 / 12采样处理，断开 K2闭合 K1电路进行比较测量电压，同时与单片机相连输出精确电压值。三相积分式转换原理图如附图 2 所示。 方案选择：方案一对所用元器件没有苛刻的要求，而且可以实现高精度转换，因此是一种应用最广泛的方式。但是方案一积分器所用的运算放大器零

7、点偏移和漂移、积分电容的介质吸附效应与漏电阻等会引起转换误差。而方案二增加了“自动校零”功能，与基本型相比，可以补偿积分器和检零器零点偏移的影响，有效地减小转换误差。因此本设计采用方案二。二、系统设计与总体分析1 1、总体设计、总体设计 本系统采用单片机作为数据处理与控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析与信号的处理和变换，利用数码管静态显示电路输出数字显示的方案。系统的总体原理图如附图 3所示。2 2、各模块实各模块实现原理现原理2.1 LED 数码管驱动电路模块LED数码管静态驱动，利用移位寄存器将串行信号转换为并行信号，89S52单片机可用本身的静态端口或扩展I/O端口

8、直接与LED电路连接，也可利用本身的串行端口TXD和RXD与LED电路连接。由于TXD、RXD可运行在工作方式0，这样可以方便地连接移位电路，锁存信号将移位寄存器中的容锁存到锁存器中，并通过驱动电路驱动发光二极管，数码管显示输出数据。电路原理图如附图4所示。2.2 双积分 DVM 电路本系统采用双积分式电路，同时配用 270双排阻，此种方式有效地抑制了工频干扰，提高了系统测量数据精度。双积分 DVM 电路原理图如附图 3。2.2.12.2.1 自动校零模块实现原理自动校零模块实现原理自动校零阶段 K1、K2断开，K3、K4接通，积分器输入端接地，与检零器组成闭合电路，在此阶段，可将积分放大器

9、K1和检零器（实为电压比较器）K2的零点漂移（或偏移）分别记忆在校零电容 Caz 和积分电容 C 上，使此后的采样和比较阶段，积分器和检零器输出电压的变化都不受漂移电压的影响。本阶段持续时间以 T0表示。2.2.22.2.2 采样阶段模块实现原理采样阶段模块实现原理采样阶段 K2接通，K1、K3、K4断开，测量电压接入电路，进行固定时间 T1的积分。2.2.32.2.3 比较（测量）模块实现原理比较（测量）模块实现原理 比较阶段 K1接通，K2、K3、K4断开，接入与测量电压相反极性的基准电压，使放电电压恢复到自校零阶段的电压值，持续时间以 T2表示。三、理论分析与计算双积分式 DVM 由积分

10、器、比较器、逻辑控制电路、主门、计数显示电路与电子开关等部分组成，其工作过程可分为三个阶段：准备阶段、采样阶段和比较阶段。电路 . . . 4 / 12基本原理框图如图 3.1 所示，其工作波形图如图 3.2 所示。K1K2K3A1-+0+0RC零比较器逻辑电路计数显示主门输入电路U0时钟图 3.1 双积分式 DVM 工作原理框图计数器计数器UomUn-Ux采样定时积分比较定值积分零比较器N1N2t0t1t2t3t3T1T2计数器计数器计数器 T extT extT extT extK1K2K3、K4 K1K3K2图 3.2 DVM 的工作波形1 1、准备阶段（、准备阶段（t t0 0-t-t

11、1 1） 这一阶段由逻辑控制电路首先将 K3接通，K1、K2断开，积分器输出电压 U0=0。2 2、采样阶段（、采样阶段（t t1 1-t-t2 2）这一阶段对被测电压进行定时积分。在 t1时刻，逻辑控制电路发出采样指令将电子开关 K1接通，同时断开 K4，接入被测电压 Ux，积分器作正向积分，其输出电压 U0大于零并线性增加。比较器输出低电平，逻辑控制电路将主门打开，计算器开始计算。当经过预定的积分时间 T1，到 t2时刻，计数器计得 N1个脉冲时，计算器溢出并复位，进位脉冲使逻辑控制电路输出一个比较指令，将 K1断开，采样阶段结束。若输入的被测直流电压 Ux不受干扰的影响，且输入电路的传输

12、系数为 1，积分器输出电压为 Uom = （1）UxRCTdtUxRCtt1)(121式（1）中 T1 定时积分时间，T1 = t2-t1 . . . 5 / 12 可见，Uom 正比于 Ux。若被测电压 Ux受到串模电压 usm 的干扰，即加到积分器的输入电压为 U x = (Ux+usm) ，此时 Uom = （2）RC1xURCTdtxUtt121由此式可知，Uom与成正比。即正比于输入电压的平均值。这样，串模干扰电压Ux由于取平均值而大大减小了它对测量结果的影响，从而提高了积分式 DVM 的抗干扰能力。3 3、比较阶段、比较阶段 （t t2 2-t-t3 3）这一阶段对基准电压进行定值

13、反向积分。在 t2时刻，计数器溢出（清零） ，K1断开，K2合上，接入正极性的标准电压 UN。积分器开始反向积分，计数器从 0 开始重新计数。到 t3时刻，UO线性下降至 0，零比较器从低电平变为高电平。主门关闭，计数停止，并将此次得计数结果 N2以十进制数显示出来。同时，K4接通，重复上述过程，开始新的测试周期。在 t3 时刻，积分器的输出电压为0 = Uom （3）NttomNURCTUdtURC2321将（1）式代入（3）式可得T2= 或 Ux= （4）xNUUT1NUTT12若取 T0为时钟周期。则 T1=N1T0，T2=N2T0 将 T1、T2代入（4）式得 Ux= （5）21NNU

14、N即计数器上的数值直接表示被测电压大小。四、软件设计本系统的软件设计主要包括：开关控制、中断处理、定时计数器等模块，软件流程图如附图 5 所示。五、系统测试1 1、测试使用的仪器、测试使用的仪器五位半真有效值数字台式万用表（型号 UT805）示波器（型号 GOS-620）2 2、指标测试和测试结果、指标测试和测试结果 . . . 6 / 12表 测试结果项目基本要求发挥部分要求实测指标测量围10mV-2V10mV-2V量程200m，2V2V测量分辨率1mV(2V 档)1mV(2V 档)测量误差0.5%5 个字0.5%5 个字采样速率2 次/秒2 次/秒输入电阻1M1M性能抑制工频干扰功能自动调

15、零功能、自动转换量程功能功能都已实现3 3、测试结果分析、测试结果分析测量方法：取一路输入信号送入本系统双积分式 DVM 输入极，LED 数码管显示输入信号的电压值，同时用五位半真有效值数字台式万用表监测输入信号的电压值，用示波器观察双积分 DVM 的工作波形，通过对两组数据的比较，检测本系统积分式直流数字电压表的性能参数。测量数据如下表所示。表 1 测量电压数据记录UxUU140 mV40.02mV40.030.05%80 mV79.98mV79.980.025%120 mV120.1mV120.140.083%160 mV159.9mV159.870.063%400 mV400.2mV40

16、0.10.05%800 mV0.8001V0.80040.013%1.2V1.197V1.19660.025%1.6V1.601V1.60080.063%Ux：真有效值数字台式万用表显示电压数值U： LED 数码管显示电压值U1：被测电压值：测量相对误差 由上表数据可得，双积分式 DVM 电路采样过程中，由于采样时间以与部晶振频率之间存在一定的误差，因此造成最终显示电压的精度下降，产生系统误差。参考文献1 岫崑、邈、吴秀珍.电子测量仪器科学技术，1986 2 宋启峰. 电子测量技术大学，2000 3 徐开友、王成珍、王保均、牛秀卿.低频电子线路大学， 2001 4 何宏.单片机原理与接口技术.

17、国防工业，20065 忠国、刚.单片机应用技能实训.人民邮电，2006 . . . 7 / 12附附 录录附图 1.基本式积分电路转换原理方框图检零器闸门时钟脉冲源积分器CRK1K2K3附图 2.三相积分式转换原理图UxUNCRK1K2K3-+U1U2+-CazK4附图 3.系统的总体原理图 . . . 8 / 1232674IC2OP-07RR1RR2RR3RR4RR5RR6RR7RR8R14200KC141uFC151uFC2334C1334C16 104+8V1213K2AIC5435K1CR16200K896K3D111012k4B567IC4BLF353BR1751023184IC4

18、ALF353AR27510R19R32510KR25100KC12470uFC339uFR41.5KR510KR315.1KQ29013+5V12U1A740656U1C740634U1B740689UIDINT0R7R8R9R112MR122MR132MP1.1P1.5P1.2UxK1K2K3K4K1K2K3K4INT0P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RTSET9RXD P3.0 10TXD P3.1 11INT0 P3.2 12INT1 P3.3 13T0 P3.4 14T1 P3.5 15WR P3.6 16RD P3.7 17XTAL2 18XTAL1 19AT89S52GND 20EA/ADD 31ALE/PROG 30PESN 29VCC40+5VGNDC1C2C3R1GNDVCC1234XIANSHIINT0K4K5K6K7双积分电路 . . . 9 / 12附图 4.LED 数码管驱动电路原理图+5VP3.3TXD RXD89S52ABCLK74LS164Qh Qg Qf Qe Qd Qc Qb Qa