数字式交流毫伏表说明书.doc

毕业设计说明书数字式交流毫伏表电路的设计专业电气工程及其自动化学生姓名姜 晓 天班级BM电气082学号0851402211指导教师成 开 友完成日期2012年5月22日数字式交流毫伏表电路的设计摘 要：当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路(VLSIC)以及许多具有特定功能的专用集成电路。本文设计的电路分为模拟和数字两个部分，具有量程自动转换功能。输入信号经过输入通道进入放大器部分，经过放大后，由AC/DC转换电路转换为与交流电压有效值相等的直流电压。该直流电压经过V/F转换电路输出相应的频率量，然后计数器部分在秒脉冲的控制下进行技术测量，最后显示出读数，从而完成电压的测量。本文所设计的数字式交流毫伏表的显著特点是测量范围宽，可测范围在500V以下，最大分辨率为0.01mV，且可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。电压表还具有在一定测量范围内自动选择量程的功能，从而可以快速，方便，准确地测量电压。关键词：A/D转换；V/F转换；量程自动转换；计数器Digital AC millivoltmeter circuit designAbstract: Todays society is the digital society , the society of a wide range of applications of digital integrated circuits . Digital integrated circuits constantly upgrading . By the early tubes, transistors , small - scale integrated circuits developed to ultra - LSI ( VLSIC ) as well as many ASIC has a specific function .In this paper, the design of the circuit is divided into analog and digital two parts , with a range automatic conversion . After the input channel , the input signal into the amplifier section, after amplification by AC / DC converter circuit to convert the DC voltage equal to the AC voltage rms . The output frequency of the DC voltage conversion circuit through the V / F , then the counter part of the second pulse control techniques to measure , and finally show the reading , thus completing the measurement of the voltage .Designed digital AC millivoltmeter notable feature is the wide measuring range can be measured in the range below 500V , the maximum resolution of 0.01mV , and can realize automatic range conversion , simple operation, easy to use . The voltmeter also has automatically selected range in a certain measuring range of functions , which can be fast , convenient and accurate measurement of voltage . Key Words: A / D converter ; V / F conversion ; automatic conversion range ; counter目 录1.概 述12. 设计总体方案23.模拟部分设计23.1 输入通道的设计23.2 反相放大器的设计33.3 A/D 转换部分的设计44.量程自动转换电路的设计64.1 模拟比较器64.2 量程寄存器84.3 量程开关104.4 译码器115. 数字部分155.1 V/F转换器AD650155.2 计数器74LS90175.3 锁存器74LS273185.4 秒脉冲发生器195.4 控制电路216. 译码显示部分237. 电源部分248. 结束语26致 谢28附 录29附录1：程序清单30附录2：设计图纸31附录3：元器件目录表32数字式交流毫伏表电路的设计1.概 述 在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中，电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更需要测量弱电的电压，所以毫伏电压表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读书准确方便、精度高、误差小、灵敏度和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式交流毫伏表就是基于这种需求而发展起来的。 随着电子技术的不断发展，电子仪器的发展也是令人瞩目的。总的来说，电子仪器有两个方向的发展趋势：一是向多功能、多参数、高精度。高速度方面发展，另一个是向实用化、小型化、数字化、廉价的通用或单一用途方向发展。对于数字式电压表来说，一方面趋向于合并于数字式万用表中，另一方面趋向于使用方便、小型廉价的单一用途电压表。数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的量(输入电压)转换成不连续、离散的数字化形式并加以显示的仪表。作为现代电子测量中最基础与核心的一种测量仪器，对其测量精度和功能要求也越来越高。由于电压测量范围广，特别是在微电压、高电压及待测信号强弱相差极大情况下，既要保证弱信号测量精度又要兼顾强信号的测量范围，传统的手动转换量程的电压表在测量技术上有一定难度：同时，若量程选择不当，不但会造成测量精度下降甚至损坏仪表。本文所研制的数字式交流毫伏表的显著特点是测量范围宽，可测范围在500V以下，最大分辨率为0.01mV，且可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。改电压表还具有在一定测量范围内自动选择量程的功能，从而可以快速。方便。准确地测量电压。2. 设计总体方案输入电压信号 经过输入通道进入放大器部分，经过放大之后，由AC/DC转换电路转换为与交流电压有效值相等的直流电压。该直流电压经过V/F转换电路输出相应的频率量，然后计数器部分在秒脉冲的控制下进行技术测量，最后显示出读数，从而完成电压的测试。量程自动转换控制电路根据AC/DC转换电路输出的直流电压值决定反相放大器的放大倍数。这样，可以根据输入电压 的大小改变放大器的放大倍数，从而使AC/DC转换电路输出的直流电压值符合V/F转换电路的输入电压范围。这也是量程自动转换的实质。3.模拟部分设计3.1 输入通道的设计本电压表的输入通道分为高压（500V5V）输入通道和低压（5V以下）输入通道两个通道之间的切换采用人工手动切换，其原理图如下所示。由图可见，输入通道由衰减器和跟随器两部分组成。低压（5V以下）输入直接进入由运算放大器构成的跟随器，而高压（500V5V）输入经由衰减器衰减后进入跟随器。衰减器基本分为电阻式和电容式两种。实际电路中，为了改善电路的性能，常采用阻容混合式衰减器，阻容串联或阻容并联均可。在本仪表中为了消除电阻对地的杂散电容及分布电容的影响，采用阻尼并联式衰减器，为了使衰减器的衰减倍数不应为电压幅值和频率的变化而变化，阻尼值应满足以下条件：（C1+C2）/C1=(R1+R2)/R2；即C1R1=C2R2。该电压表需要衰减100倍的衰减器，故有（C1+C2）/C1=(R1+R2)/R2=100；且R1+R2为高压输入通道内阻。由此可以确定电阻，电容的值。输入通道是利用跟随器来提高输入阻抗的，信号从运放的同相端输入，其理想的阻抗为无穷大，实际为几十兆欧。跟随器的输入与输入波形相同且相位一致，使信号无畸变的送入测量电路。3.2 反相放大器的设计当较小的被测电压信号送入测量电路时，为了更精确的测量它，必须将信号放大。这里采用反相放大器，其电路图如下所示。由反相放大器放大倍数的幅值Au=Uo/Ui=Rf/R可知，当R=1K欧姆时，根据KA1，KA2的通断，Rf分别取1K,10K,100K欧时，则放大倍数分别为1倍，10倍，100倍。而量程自动转换正是利用输入电压的值控制继电器KA1，KA2的通断，从而调整放大倍数进行准确测量的。3.3 A/D 转换部分的设计在测量交流信号时，交直流转换是一个非常重要的环节，交直流电压的转换一般由整流电路和滤波电路构成。整流电路一般有无源和有源两种。其中，无源整流电路由于二极管的非线性和死区的存在影响测量精度。而有源电路则可以消除二极管的非线性和死区的影响。因此，本仪表采用了有源全波整流，其电路图如下所示。当输入信号Ui处于正半周时，D2截止，Uo1为虚地，Uo1=0；当Ui处于负半周时，D1截止，D2导通，形成负反馈。此时Uo1=（R2Ui）/R1，且二极管的非线性和死区不会影响输出。Uo1的波形为半波整流波形。U2和R3到R5构成反相加法器，若取R4=2R3，则输出Uo2=R3(Uo1+Ui/2)/R3，即正弦波同半波整流波形相加，形成全波整流输出。电容C的作用是滤除高频干扰。R1=R2R5=2R3得Ui=Uo滤波电路一般也分为有源滤波和无源滤波。为了提高精度，本仪表采用了二阶有源低通滤波器，其电路图如下所示。对于输入的全波整流信号，低通滤波器的作用是滤除其中的交流成分，只让直流成分通过。因此，将低通滤波器的截止频率定位2Hz。4.量程自动转换电路的设计量程自动转换是实现精密仪器自动测量的重要组成部分，也是本仪表的核心控制部分。本仪表采用的是模拟比较法量程自动转换。模拟比较法量程自动转换电路是由模拟比较器，量程寄存器，量程开关和译码器组成，其原理框图如图所示。4.1 模拟比较器模拟比较器的作用主要是衡量输入信号是否处于预定的电压范围内。当U1高于超出基准时，则能输出进位脉冲CP+，当U1低于不足基准时，则能输出退位脉冲CP-。模拟比较器有两个比较器和两个或门组成，比较器由LM311构成，超出基准预定为5V，不足基准预定为0.5V。LM311结构如图。 本电路中，如果输入信号超过5V，则比较器LM311（1）输出低电平，脉冲CP通过或门输出CP+；当Ui低于0.5V时，则比较器LM311（2）输出低电平，脉冲CP通过或门输出CP-，当U1处于5V-0.5V之间时，则两比较器均输出高电平，此时既没有CP+也没有CP-输出。LM311有一个控制端S，当S为高电平时，比较器处于工作状态；当S为低电平时，比较器处于禁止状态，此时比较器输出高电平。因此，当禁进或禁返信号传送过来以后，比较器将处于禁止状态，由禁进或禁返信号来控制CP+或CP-的输出。由于低压输入通道有运算放大器组成的电压跟随器，受该电压跟随器的限制，其输入电压有效值最高不得大于5V。因此，仪表的基本量程定位5V-500mV，故比较器上下限电压相应为5V和0.5V。根据比较器上下限电压，可将仪表的量程划分为五档。其中，高压部分两档，低压部分分三档，即 高压部分：500V50V 50V5V 低压部分：5V500mV 500mV50mV 50mV以下量程、放大倍数Au与继电器KA1、KA2状态的对应关系如下图。 量程AuKA2KA15V500mV110500mV50mV100150mV以下100004.2 量程寄存器量程寄存器是量程自动转换的核心部分，它的输入信号为CP+和CP-，而它的输出则控制量程的转换。量程的转换可以表示为继电器状态的不同组合，本设计中，选用74LS193作为量程寄存器。74LS193真值表74LS193引脚图74LS193逻辑符号74LS193为异步二进制计数器，这里只利用它的加、减计数和Qa、Qb两个输出。根据其功能，当CP+有脉冲输出，CP-为高电平时，其输出Qa、Qb进行二进制计数；当CP+为高电平，CP-为脉冲输入时，其输出Qa、Qb进行二进制减数；当CP+、CP-同为高电平时，其输出Qa、Qb保持不变。比较器输入量与寄存器的关系如下表所示。输入电压与量程寄存器的关系UiCP+CP-量程转换计数方式5VCP1升量程加计数0.5V1CP降量程减计数0.5-5V11不变不计数4.3 量程开关 量程的切换是通过量程开关来实现的，本仪表的量程开关是继电器KA1、KA2。通过继电器KA1、KA2可以使放大器的放大倍数发生变化，从而实现量程的转换。从74LS193输出的控制信号Qa、Qb为数字信号，为了用该信号控制继电器的通断，采用如图所示驱动电路。由于继电器KA至于要断开、闭合一条线路，所以只需单触点继电器即可，这里选HG4100型。HG4100原理图如下。4.4 译码器译码器的作用主要是根据量程的控制信号指示量程的位置，因此又称作量程指示器。由于本表为数字显示，因此量程指示就体现为显示单位和小数点的变化。换句话说就是译码器的输出决定了显示器的单位和小数点的变化。 由于高、低压量程的切换是手动的，因此只要用一位数字信号来表示这一个变化当使用低压量程时，信号Qc为低电平；当使用高压量程时，信号Qc为高电平。 本仪表的显示为四位BCD码，单位可以采用V和mV两种。量程和显示的关系如表所示。量程4位BCD显示单位500V-50V4999V50V-5V4999V5V-500mV4999mV500mv-50mV4999mV50mV以下4999mV 单位和小数点均可以用数字信号的高低电平驱动发光二极管来显示。当数字信号为高电平时，发光二极管亮；当数字信号为低电平时，发光二极管熄灭。因此，单位和小数点的亮与熄灭可以用二进制数0和1来表示，可得逻辑真值表如下图。量程 译码器输入 译码器输出QcQbQaS1S2S3S4500V-50V110011050V-5V10110115V-500mV0100001500mv-50mV001010150mV以下0001001 同时，译码器还需要输出禁返、禁进信号。当量程切换到最高档400V-50V或5V-500mV时，若直流输出仍高于超出基准，则必须产生禁进信号。同样，当量程处于最低档50V-5V及50mV以下时，若直流输出仍低于不足基准，则必须产生禁返信号。因此，可以得到以下真值表。量程QcQbQc禁进S5 禁返 S6500V-50V1101150V-5V101015V-500mV01010500mv-50mV0010050mV以下0000174LS138引脚图如下三线-八线译码器74LS138功能表如下 无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1，芯片处于不工作状态，要么只有一个低电平0，其余七个输出引脚全为高电平1，如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。当附加控制门的输出为高电平（S=1）时，可由逻辑图写出此处采用三线-八线译码器74LS138和与非门74LS00来产生信号S1-S6。5. 数字部分5.1 V/F转换器AD650TD650 是高精度、高频型单片集成电压频率（V/F）和频率电压（F/V）变换电路。TD650可构成廉价高分辨率低速A/D 转换器、远距离隔离信号传输电路、锁相环电路、调制解调电路、精密步进马达速度控制电路、窄带滤波电路；在F/V 模式下，可构成精密转速表、FM 解调电路等。TD650工作特点1) 工作频率高， V/F 变换工作频率可达1MHz2) 非常低的非线性度：满度输出频率为10KHz 时，非线性度典型值：0.002%满度输出频率为100KHz 时，非线性度典型值：0.005%满度输出频率为1MHz 时，非线性度典型值：0.07%3) 输出失调可调节为零4) 频率输出与CMOS 或TTL 兼容5) 输入电压范围大，输出方式可以是单极性、双极性或差动输入电压6) 外围电路简单，既可做V/F 变换，又可做F/V 变换7) 具有独立的数字地与模拟地，很容易与标准逻辑电路或光电耦合器接口管脚接法及功能框图本电路中，采用AD650构成的单极性正输入电压V/F 转换电路。电路图如下。5.2 计数器74LS9074LS90是十进制计数器，本电路是由4个主从触发器和用作除2计数器及计数周期长度为除5的3位2进制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置9输入。为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B输入同QA输出连接，输入计数脉冲可加到输入A上，此时输出就如相映的功能表上所要求的那样。74LS90可以获得对称的十分频计数，办法是将QD输出接到A输入端，并把输入计数脉冲加到B 输入端，在QA 输出端处产生对称的十分频方波。74LS90引脚图如下真值表如下 （H=高电平 L=低电平 =不定）该表采用四位BCD码，采用十进制计数，BCD输出顺序见下图5.3 锁存器74LS27374LS273是8位数据/地址锁存器，且是带有清除端的8D触发器，只有在清楚端CLR为高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。本电路如果不加74L273锁存器，那么输出结果会一直往数码管里送。由于计数器一直在工作，所以数码管上面一直显示数字，并且数字快速闪动，无法观测测量数据。为了解决这个问题，可通过锁存器锁存信号，实现计数时数码管不显示，计数停止后数码管再显示计数器的计数结果的功能。74LS273引脚图如下(1).1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位；(2).当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。5.4 秒脉冲发生器 本表中，由于要对被测信号在单位时间内不断地进行采样，所以就需要有能不断的产生持续时间为1S的标准时间信号，产生这种信号的电路就是秒脉冲发生器。时间标准关系到测量准确度，所以秒脉冲发生器都采用晶体振荡器，经过若干次分解后得到1S的标准时间信号。 在设计中，我们选取晶振和CD4060产生脉冲。CD4060是14位二进制串行计数分频器。由两部分组成，一部分为14级分频器，另一部分是振荡器。分频器是由T触发器组成的14位二进制串行计数器，在时钟脉冲的下降沿的作用下进行增量计数，且所有输入端和输出端都有缓冲级。振荡器由外接电阻和电容构成RC振荡器，也可通过外接晶体构成高精度晶体振荡器。其引脚图如下：CD4060引脚功能表如下引脚名称引脚功能Q4-Q10 Q12-Q1414级计数器的输出CR公共清零端VDD正电源Vss负电源CP1时钟输入端CP0时钟输出端CP0反反相时钟输出端为了保证时钟信号的精确性，本设计中选用如下晶体振荡器。其中，晶振的频率是32768Hz。两个电容C1、C2是频率校正电容，由于CD4060最大只能实现214=16384级分频，且晶振频率为32768Hz，则由CD4060的13脚输出的脉冲频率是2Hz，而我们需要的正负脉冲持续时间均为1S的0.5Hz脉冲，因此还需要一个芯片实现分频。我们选用74LS160构成4分频电路，如图所示。用74LS160构成四分频电路的实质就是用它构成4进制计数器，即在Q3、Q2、Q1、Q0=0100时，计数器复位即可实现。为此我们将Q2端接与非门7400后送到复位端MR，最后由Q1端输出脉冲。5.4 控制电路控制电路的作用是产生锁存保持信号，使1S内的计数结果显示一段时间，接下来输出清零脉冲，使计数器的原纪录书记清零，准备下次计数。控制电路产生的锁存信号在1S计数结束后，即0.5Hz正半周期结束后下降沿产生。清零信号应在锁存信号产生后产生。在设计中，选用单稳态电路74LS123实现，用0.5Hz脉冲直接作为单稳态电路的外触发信号。74LS123是可重复触发的单稳态多谐振振荡器，由高电平或低电平进行脉冲触发，且触发得到的脉冲宽度可调。引脚图见下图。功能表如下根据该表对控制电路的要求，具体的设计电路如下6. 译码显示部分译码电路是把计数器输出的BCD码表示的10进制数转换成驱动数码管显示的信号，以获得数字显示。CD4511是一个用于驱动共阴极LED显示器的BCD码七段译码器，特点如下：具有BCD转换，消隐和锁存控制。七段译码以及驱动功能的CMOS电路能提供较大的上拉电流，可直接驱动LED显示器。CD4511的引脚图如下。LT：做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出abcdefg=1111111，使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。当LT=1，则正常解码。BI：空白输入控制，当BI=0 (LT 为1 时) 则不论DCBA输入为何，其输出abcdefg皆为0，即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制，仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的混乱。LE：数据栓锁智能控制；在CD4511 中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。当LE=0 时(LT=1 且 BI=1)，DCBA 数据会被送入IC 的缓存器中保存，以供译码器译码；当LE=1 时，则IC 中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0 时的数据供译码器译码。换句话说当LE=1 时，不论DCBA 的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg 仍保留原来在LE 由0转为1以前的资料。具体设计如下7. 电源部分 为了得到平稳的电源信号，必须经过整流电路。常用的整流电路有全波整流滤波，桥式整流滤波，被压整流滤波电路。全波整流的电源利用率高，纹波成分小，但二极管单管承受的反向峰值压比半波整流高一倍，变压器T需要中心抽头。倍压整流电路只能在负载较轻的情况下工作，负载输出电压会降低。这种因负载电流增大影响输出电压下降的情况越明显。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器有中心抽头和二极管承受反向电压大的缺点。但多用了两只二极管。在半导体器件发展快，成本较低的今天，此缺点并不突出，而且桥式整流电路输出电压高，纹波电压较小，整流管所承受的最大反向电压较低，效率较高，因此选用桥式整流电路。至于稳压部分，我们选用三端固定式稳压器可达到要求。具体设计如下8. 结束语2012年3月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的无从下手，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。经历了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于快要结束。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。经过这段时间的努力，毕业论文-数字式交流毫伏表电路的设计基本完成。在做设计的过程中，遇到的难题也很多，经过和同学的讨论和向老师的请教获得了让自己满意的答案。有了许多的体会和感触。第一，在电路原理的设计中，要有一个明确的线路，信号从输入通道进入经过反向放大器放大后，经过AC/DC转换成相应的直流电压，再经C/F转换器转换成与电压相等的频率量，经过计数器的计数后显示在LED上。紧紧抓住这一根线，一步一步的设计下去，会有一个很明确的思路，不会应为课题太庞大而有无从下手的感觉。第二，在绘制电路图的过程中，把已经生疏的Protel 99SE从新学习了一次，对各种元件的位置和元件封装的修改也更加熟练。第三，在一个课题中，要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，重要的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行