数字电压表的设计毕业设计1

1、学号：毕业设计 题 目：数字电压表的设计 作 者 届 别 2013 院 部物理与电子学院专 业电子科学与技术 指导老师 职 称副教授 完成时间 2013.05 i 摘 要 在工农业，科研和教学中，数字电压表是不可或缺的仪器，以前的电压测量 工具为传统的指针式电压表，这种电压表操作繁琐，稳定性较差，特别地，测量 精度不够高，不能满足日星月异的现代电子测量需求。在这种情况下，数字电压 表应运而生。本课题设计的数字电压表是以 a/d 转换器为核心。对 ad 转换电路， 译码电路和显示电路等进行分模块设计。最后设计出的数字电压表具有正负电压 极性，过量程显示、小数点显示,基本

2、量程换档等等指标和功能。 本课题所设计的数字电压表，其硬件系统所有的电子元器件较少，易于调节， 造价低廉，实践表明，此方案可行。 关键词关键词：数字电压表；a/d转换器；硬件系统 ii abstract in agriculture and industry, research and teaching, voltage meter is a necessity. the voltage measurement tools that used previously are traditional pointer voltage meter. it is characterized by coc

3、kamamie manipulation, poorer stability. especially, the measurement accuracy is not that high, which cant meet the demand of modern electronic measurement that changing quickly. under the circumstances. the digital voltage emerged as the times require. the a/d converter is the core processor of dvm

4、in this thesis。this thesis did design to ad switching circuit, decoding circuit and display circuit by module design. it is with the positive and negative voltage polarity, over range show，decimal show indicators and basic range shift function. the dvm designed here, have less components in the hard

5、ware system, easier testing and lower cost，after theoretical research, this program will work. keyword: dvm；a/d converter；the hardware system 1 目目 录录 摘 要-i abstract-ii 第一章绪 论-2 1.1 引言 -2 1.2 数字电压表国内外发展概况 -2 1.3 课题的目的和意义 -2 1.4 课题各章节的安排 -2 第二章 数字电压表概述-4 2.1 数字电压表的组成原理 -4 2.2 数字电压表的主要工作特性 -5 2.2.1 测量范

6、围 -5 2.2.2 分辨率 -5 2.2.3 测量误差和测量速率 -6 2.2.4 输入电流与输入阻抗 -6 2.2.5 响应时间和抗干扰能力 -7 2.3 设计指标 -8 第三章 数字电压表硬件部分的设计-9 3.1 a/d 转换电路设计部分 -9 3.1.1 a/d 转换器的选择和 a/d 转换电路工作原理-9 3.1.2 a/d 转换器 cc14433 的性能特点-11 3.2 译码电路设计部分 -12 3.2.1 译码电路工作原理 -12 3.2.2 bcd 码七段译码驱动器 cc4511 -14 3.3 显示电路设计部分 -15 3.3.1 显示电路工作原理介绍 -15 3.3.2

7、 七路达林顿晶体管列阵 mc1413 -16 3.4. 超量程设计 -17 3.5 总体电路设计 -19 第四章 数字电压表的干扰及防护设计-21 4.1 数字电压表的干扰介绍 -21 4.1.1 串模干扰 -21 4.1.2 共模干扰 -22 4.2 干扰的抑制-23 4.2.1 对串模干扰的抑制-23 4.2.2 共模干扰的抑制 -24 参考文献-28 总结与展望-29 致 谢-30 2 第一章绪 论 1.1 引言 数字电压表,英文名称是 digital voltmeter,即 dvm。是一种利用 a/d 转换原 理使被测电压转换为数字量。最终显示电压的大小是数字量的一种精密的电子测 量仪

8、器。数字电压表主要构成器件是模数转换器。与以前的指针式电压表相比较， 数字电压表主要具有功能多样性的突出优势。而且数字电压表还具有高精确度、 很强的抗干扰能力和具有一定拓展性等优点。并且可以与个人电脑实行实时通信。 目前数字电压表已经较多的应用于工业方面的自动化仪表、电工电子元器件的测 量、自动测量测试领域。数字电压表为现代化的发展作出了巨大贡献。 1.2 数字电压表国内外发展概况 数字电压表是一种智能化仪表，在最近几十年间得到巨大的发展，其核心器 件已从早期的中小规模电路发张到大规模的电路，目前国际以数字-模拟条图双 显示数字电压表为流行款式。伴随着信息时代的到来，计算机技术的发展，电压 表

9、从以前的传统单一的测量电压转换到智能化的方向发展，即把电压表与计算机 有机的结合起来，组成智能化数字电压表。目前已取得了令人兴奋的进展，发展 潜力十分巨大，数字电压表正以广泛应用新技术，新工艺，新材料为突破口，不 断开发新产品，并使其功能越来越多，操作越来越简单。 1.3 课题的目的和意义 随着工农业的发展与现代科技的需要，测量仪器特别是精密测量仪器越来越 得到广泛的应用，而作为精密仪器之一的数字电压表也成为了推动社会发展的不 可或缺的一种工具，数字电压表与传统的电压表相比，最突出的特点是测量精度 高，能满足现代精准测量的需求，其次还有量程宽，显示位数多，分辨率高，易 于实现自动化等特点。因此

10、，设计出一个以数模转换器为核心的数字电压表是具 有现实实际意义的。 1.4 课题各章节的安排 第一章系统地阐述了目前国内外数字电压表的总体发展情况。数字电压表的 应用与发展。为何要设计数字电压表这一问题的提出。 3 第二章介绍了数字电压表的组成，包括对测量范围、输入电流与输入阻抗、 和抗干扰能力等工作特性作了介绍。 第三章阐述了数字电压表硬件部分的设计，其中包含了电子元器件的选择， 特别地，对 cc14433 芯片的特点作了重点介绍，此外还对硬件部分的工作原理 和功能作了介绍。其中包括 a/d 转换电路，电压显示电路等。 第四章为抗干扰的设计，其中包含了硬件和软件部分的抗干扰设计。 4 第二章

11、 数字电压表概述 2.1 数字电压表的组成原理 数字电压表（dvm）运用了 a/d 转换原理，将作为模拟量的测量电压转换 成离散量（即数字量） ，最后采用数字形式把测量结果显示出来的一种电子测量 仪器。一台典型的直流数字电压表主要由输入电路，模数转换器，显示部分，以 及电源电路等几部分组成。如图 2.1 所示。因此一台数字电压表除供电电源外， 主要有模拟和数字两大部分组成。 输入电路a/d转换器计数器显示器 控制逻辑电路 电源电路 图 2.1 直流数字电压表的基本方框图 由图可知，被测电压作为模拟信号首先被 a/d 转换单元采集并量化，再对 转换的结果进行标度变换，这样便得到了被测电压的数值，

12、然后把所得数据由 soi 串行数据接口输出到驱动显示单元，驱动显示单元对该平均值完成译码，最 后驱动译码管显示。 a/d 转换器是数字电压表的核心，由于在数字电压表中使用的 a/d 转换器的 功能是把被测电压转换为与之成比列的数字量，因而是一个电压-数字（v/d）转 换器。因为电压是一个最基本的电量，且许多物理量都能方便地转换成电压，因 此电压-数字转换时一种最基本，最常用的 a/d 转换方式。因为事先电压-数字转 换的原理和方案有许多种，因而相应地也有各种不同类型的数字电压表。 数字电压表与指针式电压表相比。具有速度较快，数字显示读数准确，结构 简单、精度高、抗干扰能力强等特点，它的数字输出

13、可由打印机记录，也可送入 计算机进行数据处理。它与计算机及其他数字测量仪器，扫描仪、绘图仪，计时 器等外围设备配合可以构成各种各样的自动测试系统，目前，数字电压表广泛用 于电压的测量和校准。直流数字电压表是数字电压表中最常用的一种。在直流表 5 的基础上，适当加入各种输入转换装置，便可以构成能测交流电压的交流数字电 压表。 2.2 数字电压表的主要工作特性 2.2.1 测量范围 测量范围是指能测的最小电压到最大电压之间的这一范围。除此之外，还应 写明量程的选择方式（如手动、自动和遥控等） 。 1) 量程：扩大量程主要借助于电阻分压和输入放大器。我们把没有通过衰 减或者放大的量程定义为基本量程。

14、基本量程也是测量误差最小的量程，例如 ds-14 的量程分为 500v,50v,5v,0.5v 等四档，其中 5v 为基本量程（没有经过放 大和衰减，直接加到 a/d 转换器） 。本设计中的基本量程为 2v。 2) 位数：位数是表示数字电压表性能的一个基本参量。数字电压表位数是 以完整的显示位数（能显示 09 的 10 个数码的显示位）的多少来决定的，因此 最大显示为 9999、11999 和 19999 的数字电压表均有四位完整显示位。 3) 超量程能力：超量程能力是数字电压表的一个重要的性能指标。超量程 能力能在被测量超过允许最大值时保证测量结果的精度和分辨率。例如，当满量 程时 10v

15、的数字电压表时，其输入电压从 9.999v 变成 10.000v 时，如果数字电 压表没有超量程能力，则必须转换用 100v 量程档，从而得到“10.00v”的显示结 果，这样会丢失 0.001v 的信息。在通常情况下，把最大量程是 9999 的叫做 4 位 数字电压表。最大显示为 19999 的称为 4.5 位数字电压表，最大显示为 39999 或 者 59999 的叫做 3.75 位数字电压表。除此之外，也经常用百分数来表示超量程 能力，例如 3 位（约为 1000）有 100的超量程能力。 2.2.2 分辨率 分辨率是数字电压表能够显示的被测电压的最小变化值。显然，在不同的量 程上，数字

16、电压表的分辨率是不同的。在最小量程上的分辨率对应的便是最高的 分辨率，我们常把最高分辨率作为数字电压表的分辨率指标，例如，ds-14 型电 压表的最小量程档为 0.5v，末位跳一个字所需要的平均电压为 10v，故称 ds- 14 型电压表的分辨率为 10v，在某些时候也用百分比来表示，例如 3.5 位的分 辨率是 0.05。 因为分辨率与数字电压表中的 a/d 的位数有关，位数越少，则分辨率就越 低，所以有时候称具有多少位的分辨率。例如，称 8 位 a/d 的分辨率便是 8 位， 6 同时，分辨率越高，被测电压越小，电压表越灵敏，所以有的时候又把分辨率称 为灵敏度。 2.2.3 测量误差和测量

17、速率 数字电压表的固有误差用绝对误差表示，其表示方式是; (2.1)( mx ubuau 式中，为被测电压的指示值，为该量程的满度值，a 为误差的相对项 x u m u 系数，b 为误差的固定系数。 上式的右边第一项与读数成正比，称为读数误差，第二项为不随读数变 x u 化而变化的固定误差项，称为满度误差。读数误差包含刻度系数，即转换系数和 非线性等因素产生的误差。满度误差包括偏移，量化等产生的误差。由于满度误 差不随读数而变，所以可用 n 个字（d）的误差表示，即： （2.2）)(duau x 任一读数的先对误差为： （2.3）)( x m x u u ba u u 由式（2.3）可见，随读

18、数减小而增加，所以在测量最小电压时，用较 x u 小的量程档比较合适，以提高测量精度，这个结果与模拟电压表是一样的。 测量速率是指测量一次所需要的时间，它是由数字电压表中采用的模数转换 器的转换速率来决定的，模数转换器可以在外部或者内部的启动信号触发下工作， 数字电压表内部有一个取样速率发生器，也称为触发振荡器。用来提供内触发信 号，改变信号的重复频率，就能改变测量速率。 2.2.4 输入电流与输入阻抗 目前，多数数字电压表的输入级用场效应管组成。当为小量程的时候，其输 入阻抗可高达至少m，当为大量程的时候 (如 1000v、10000v 等)，由于使 4 10 用了分压器的缘故，输入阻抗通常

19、是 10m。 数字电压表的输入等效电路时不能只有一个简单的无源电阻来表示，必须 i r 用图 2.2 所示的有源网络来等效。这时由于数字电压表采用场效应管作为输入级 时，管中有漏电流建立一个附加的电压（在 20时，通常为 10pa 以下） ，这 0 i 个电流将通过被测信号源，从而在被测信号源内阻上建立一个附加电压， s r 0 i s r 7 如图 5.3，这个电压将会与被测电压叠加，会引起测量误差。由于被测源不 x u s r 同，的值也不同，因此的影响不能够用调零的办法来消除，为了减小其 0 i s r 0 i 影响，必须减小的数值，例如 ds-14 型电压表规定 时，0.通过过零比较器

20、翻转，闸门打开，输出由低电平跳转 a v 1 t a v 2 a 到高电平。脉冲 cp 对计数器作用，使其从 0 开始计数，记过设定时间=- 1 t 2 t 11 以后产生溢出脉冲，在逻辑控制电路作用下换接基准电压,此时定时积分 1 t 0 s r v 结束，最高电压= vxt1/rc(=vxn1/rcfo)，然后基准电压被第 2 积分定值积 max v 分，当 t=时，基准电压被积分器反向积分，它的输出电压呈线性下降， 2 t 1 a a v 为 0 时，比较器第二次翻转，输出由高电平跳转到低电平，闸门关闭，计 a v 2 a 数停止，定值积分结束。输出为-vreft/rc，进行定值积分的时

21、间为 t2=t3- max v t2=n2/f 。所以可以得出结论 vrefn2/n1,cc14433 芯片将 a/d 转换功能和 x v 计数电路集成在一起。 经综合分析，所以本课题中选择的是 a/d 转换器为 cc14433 芯片。 3.1.2 a/d 转换器 cc14433 的性能特点 cc14433 是 cmos 双积分式 3位 a/d 转换器。它是将模拟电路和数字电路 的多个 mos 晶体管集成在一个芯片上，它有 24 只引脚，采用双列直插式的办法， 引脚功能如图 3.3 所示 cc14433 vddq3q2q1q0dsids2ds3ds4or eoc vss vagvrvxr1r1

22、 /c1c1c01c02ducp1cp0vef 123456789101112 131415161718192021222324 图 3.3 cc14433 芯片引脚图 引脚功能说明: vag(1 脚)：被测电压 vx 和基准电压 vr 的参考地。 vr(2 脚)：外接基准电压（2v 或 200mv）输入端。 vx(3 脚)：被测电压输入端。 r1（4 脚）、r1/c1(5 脚)、c1(6 脚)：外接积分阻容元件端。 c1=0.1f(聚酯薄膜电容器)，r1=470k（2v 量程）。 r1=27 k（200mv 量程）。 c01（7 脚）、c02（8 脚)：外接失调补偿电容端，典型值 0.1f。

23、 12 du（9 脚）：实时显示控制输入端。若 eoc（14 脚）端连接，则每次 a/d 转换均显示。 cp1(10 脚)、cp0(11 脚)：时钟振荡外接电阻端，典型值为 470k。 vee（12 脚）：电路的电源最负端，接5v. vss(13 脚)：除 cp 外所有输入端的低电平基准（通常与 1 脚连接）。 eoc（14 脚）：转换周期结束标记输出端，每次当 a/d 转换周期结束的时 候，eoc 输出一个正脉冲，其宽度为时钟周期的一半。 (15 脚)：当 vx 的绝对值大于 vr 时， 输出为低电平。oror ds4-ds1(16-19 脚)：多路选通脉冲输入端，ds1对应于千位，ds2对

24、应于百 位、ds3对应于十位，ds4对应于个位。 q0-q3（20-23 脚）：bcd 码数据输出端，ds2,ds1，ds4 在选通脉冲的期 间，输出三位完整的十进制数，当 ds1选通脉冲的这段时间，输出千位 0 或者 1 及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。 cc14433 具有自动极性转换和自动调 0 等功能，可以测量正或者负电压值。 当 cp1、cp0均接入 470k 的电阻时，时钟频率大约为 66khz,进行 a/d 转换 的频率为 4，它的使用方便快捷。能与单片机和其它数字系统兼容，在数字万用 表，数字温度计，数字面板表，数字量具和遥测和遥控系统有较广泛的应用。 3.2 译码电路

25、设计部分 3.2.1 译码电路工作原理 七段译码器显示原理如图 3.4 所示。译码器的真值表见表 1。a，b，c，d 为 四位二进制输入信号。a,b,c,d,e,f,g 为译码输出.通过拨号开关改变输入二进制码. 则输出数码管上显示相应的数值。 13 a b c d e f g a b c d e f g 按拨号 开关 接数码 板接口 七段译码器译码器驱动数码管对应电路 图 3.4 译码器逻辑图 表 1 译码器的真值表 输入输出 数值 abcdabcdefg 000001111110 100010110000 2001 11101101 300111111001 401000110011 50

26、1011011 011 601101011111 701111110000 810001111111 910011111011 4 个数码管如果按照传统的数码管驱动方式，即静态扫描方式。则需要 4 个 七段译码器进行驱动，这样既浪费资源，有时电路工作也不可靠。所以现在最常 见的数码管驱动电路已经不用上述的静态扫描方式了，而是采用动态扫描显示的 方式。这种方式只需一个译码器就可以实现电路正常、可靠的工作，这样大大节 省资源。动态数码扫描显示方式是利用了人眼的视觉暂留效应，把 4 个数码管按 一定顺序，从左至右或从右至左，进行点亮，当点亮的频率，即扫描频率不大时。 14 我们看到的是数码管一个个的

27、点亮。然而，当点亮频率足够大时，我们看到的不 再是一个一个的点亮，而是全部同时显示。点亮与传统方式得到的视觉效果，完 全一样。因此我们只要给数码管这样一个扫描频率，那么就可以实现两个以上 的数码管同时点亮。而这个频率我们可以通过一个计数器来产生。只要计数频率 足够大，就可以实现我们的要求。事实上，因为数码管点亮不是瞬间就可以的。 它也需要一定的时间，该时间与数码管的选择有关系。为了折中这一对矛盾，设 计中一般可将计数频率选择在 100hz 左右肯定可以满足上述两个要求。所示的是 4 位数码扫描显示电路，其中每个数码管的 8 个段 h、g、f、e、d、c、b、a、h 是小数点，都分别连在一起。4

28、 个数码管分别由 8 个选通信号 k1、k2、 k4 来 选择。被选通的数码管显示数据，其余关闭。如在某一时刻，k3 为高电平，其 余选通信号为低电平，这时仅 k3 对应的数码管显示来自段信号端的数据，而其 它 3 个数码管呈现关闭状态。根据这种电路状况，如果希望在 4 个数码管显示 希望的数据，就必须使得 4 个选通信号 k1、k2 k4 分别被单独选通，并在 此同时在段信号输入口加上希望在该对应数码管上显示的数据，于是随着选通信 号的扫变就能实现扫描显示的目的。 实验参考扫描显示程序中 clk 是扫描时钟， sg 为 7 段控制信号，由高位至低位分别接 g、f、e、d、c、b、a 7 个段

29、。bt 是位选控制信号。 a g k1k2k3k4 图 3.5 4 位数码管电路图 15 a b c d e f g a b c d e f g 千百十个 cc4511 f g a b c d e 1007 dd v b c a bi le d ss v 译码驱动 lt 4只led共阴极数码管 小数点选择开关 3k 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 100100 9013 “1” 图 3.6 译码器与 led 数码管连接图 3.2.2 bcd 码七段译码驱动器 cc4511 bcd 码七段译码驱动器型号有共阴极的 cc4511，74ls48

30、和共阳极的 74ls47，本课题中是用的是共阴极的 cc4511bcd 码锁存/七段译码/驱动器。驱 动共阴极数码管。图 3.7 为其引脚图。 cc4511 12345678 910111213141516 vccfgabcde vssabcdleltbi 图 3.7 cc451 引脚排列 引脚功能： a,b,c,d:bcd 码输入端； a,b,c,d,e,f,g:译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极 led 管； :测试输入端，为“0”时，译码输出都为“1”；ltlt :消隐输入端，为“0”时，译码输出都为“1”；bibi le：锁定端，le 是“1”时，译码器维持在锁定（保持）的状态

31、，译码输出 16 维持在 le=0 时的数值，le=0 时，正常译码。 3.3 显示电路设计部分 3.3.1 显示电路工作原理介绍 位选信号 d,d,d,d通过位选开关 mc1413 分别控制着千位，百位， 1 s 2 s 3 s 4 s 十位，个位上的 4 只 led 数码管的公共阴极。即它们分别与位选开关 mc1413 的 1,2,3,4 脚相连接，16，15,14,13 脚则分别控制着 4 只 led 数码管的千，百， 十，个位。数字信号经七段译码管 cc4511 译码后，驱动 4 只 led 数码管各段 阳极。这样就能把 a/d 转换器按时间的顺序输出的数据以动态扫描的形式在四 只数码

32、管上一次显示出来。显示电路工作原理如图 3.8 . a b c d e f g a b c d e f g 千百十个 mc1413(uln2003) 9 10 111213141516 12345678 +5v 4只led共阴极数码管 位选开关 图 3.8 显示电路原理图 3.3.2 七路达林顿晶体管列阵 mc1413 mc1413 是由摩托罗拉公司研发反向驱动器，可以对以前要由标准缓冲器来 处理的数据直接进行处理。它结构是 npn 型 darlington 复合晶体管，具有很大 17 的输入阻抗和电流增益，对 mos 或者 cmos 输出的信号能够直接接受，并把电 压信号转换成足够大的电流信

33、号用来驱动各种负载，此电路中含有 7 个集电极开 路反向器，即 oc 门。它运用了具有 16 引脚的双列直插式封装，每一驱动输出 端都接有一个抑制二极管，其主要作用是用来释放电感负载能量。其具有很高的 工作电压、很大的工作电流耐高压的优点。其引脚排列如图 3.9。 1 1 1 1 1 1 1 v01 v07 vcc vi1 vi7 gnd 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 图 3.9 mc1413 引脚排列 3.4. 超量程设计 通过 cc14433 芯片中的超量程信号的使用，可以用其来对双向移位寄or 存器的移位的方向进行控制。ds1，ds2，eo

34、c,q0组成了移位脉冲 cp。其自动量 程转换电路如图 3.10 所示： 当信号超过数字电压表的最大量程显示时=0,这时候 cc14433 在位选通or 信号 ds1的输出 q0=1，此时产生一个移位脉冲送到移位寄存器，使移位寄存器 产生一个位移，由于 s0=0，s1=0，所以使 74ls194 向右移开升量程。同理，测 量信号大于当前量时，=0，q0=1，使得 s2=0，s1=1，这便使得 74ls194 向or 左移降量程。 18 74ls194 vcccr 0 d 1 d 2 d 3 d 1 s 0 sgnd cp sl d 0 q 1 q 2 q 3 q =1=1=1=1 1 & mc

35、14433 74ls74 or ds1 ds2eoc 0 q 1rd 1q 1sd 1cp vcc 图 3.10 量程转换电路 现在通过换档来实现量程扩大，原理图如 3.11 所示。在基准电源前，即外 部可以串联 9m,900k,90k,9k,900，100 不同电阻，以改变扩大倍率，进而改 变量程的大小。 mc1 403 9m 900k 90k 9k 900 100 1m s 图 3.11 扩大量程原理图 如果需要使用 200v 的电压，则需要在 200mv 的基础上要扩大 1000 倍，由公式 扩大倍率=/。即总电阻是负载电阻的 1000 倍，由图 3.11 所示可以把接 总 r 负 r

36、总 r 为 10m,负载电阻是 10k，量程便扩大了 1000 倍，同理可知，最后可以有 200mv, 2v, 20v, 200v, 1000v 等 5 个不同的量程档位。 19 3.5 总体电路设计 电压是一种模拟量，但数字电压表却是以数字形式显示的，数字却是一种离 散量。因此，数字电压表要实现数字测量必然需要一种能把模拟量转换为数字量 的转换器，这种转换器叫模数转换器，即 a/d 转换器，这样才能实现对模拟量 的数字化测量。它首先将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然 后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数 字量。实际上，电压表的数字化就是指通过

37、 a/d 转换后把连续模拟的电压量变 为不连续的离散的数字量并显示出来，在设计过程中，按照图 2.1 把电路分成 a/d 转换单元、数据处理输出单元、驱动单元和显示单元四个模块分别设计。数 字电压表总体设计电路图如 3.12 所示。 a b c d e f g a b c d e f g 千百十个 cc4511 f g a b c d e 1007 dd v b c a bi le d ss v 译码驱动 lt mc1413(uln2003) 9 10 111213141516 12345678 +5v cc14433 dd v 3 q 2 q 1 q 0 q 1s d 2s d 3s d 4

38、s d or eoc ss v ag v r v x v 1 r 11 / cr 1 c 01 c 02 c du 1 cp 2 cp ee v 4只led共阴极数码管 小数点选择开关 位选开关 mc1403 10k 基准 电源 1 2 3 +5v -5v 1k 10k 1k 0.01f 47k 470k 470k 470k 0.1f a/d转换器 +5v 3k 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -5v 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 100100

39、9013 “1” 图 3.12 三位半直流数字电压表线路图 在计算机中的数字几乎都是采用十六进制的，而人们中日积月累的固定思维 中更偏向于使用十进制。所以在设计过程中要把十六进制数转换为十进制数并加 以显示，在设计过程中选用的是 cc14433，其具有低功耗，工作稳定的优点。此 外，数字电压表的输出采用的是 4 位数码管显示，所以在设计的过程中要保证数 字输出与数码管的接口良好。数据显示用 8 段数码管，为使亮度适中，使用寿命 较长，需要用单片机进行动态扫描的方式驱动。 设计电路图如图 3.5 所示，经模数转换后的被测直流电压以动态扫描的形 x v 式输出，q0q1q2q3为数字量输出端，它上

40、面的熟悉信号（8421 码）以时间先后 的顺序输出，通过位选开关 mc1413,d,d,d,d分别控制着千位，百位， 1 s 2 s 3 s 4 s 20 十位和个位上的四只 led 数码管的公共阴极.七段译码器 cc4511 对数字信号进 行译码工作后，便开始驱动四只数码管的各段阳极。这样就把数模转换器按时间 的顺序输出的数据以扫描方式在四只 led 数码管上予以显示出来，由于选通频 率较高的缘故，工作时从高位到低位以每位每次大概 300s 的速度循环显示， 所以一个四位数的周期是 1.2ms,所以我们能够清晰的看到四位数码管同时显示三 位半十进制数字量。 当参考电压为 2v 时，满量程显示

41、 1.999v，为 200mv 时，其满量程是 r v r v 199.9mv,可用选择开关来对千位和十位 led 数码管 h 笔经限流电阻来实现相对应 的对小数点的显示的进行控制。此时，数字电压表能测的电压范围为- 2.000v+2.000v，不能满足日常测量需要，现在则需要扩大量程。 因为最高位显示时只有 b,c 两根线与 led 数码管的 b,c 脚相连，所以最高位 （即千位）只显示 1 或者不显示，用千位的 g 笔端来宣示模拟量的负值而不显示 正值，也就是说，g 段是通过 cc14433 的 q2端 npn 晶体管 9013 来控制的。课 题中使用 cmos bcd 七段译码/驱动器

42、cc4511。 21 第四章 数字电压表的干扰及防护设计 4.1 数字电压表的干扰介绍 数字电压表在用于测量时，存在着各种各样的干扰。在实验室或者工厂车间， 用数字电压表进行测量时，我们应考虑干扰源的作用，因为其对测量结果会产生 很大的影响，影响实验结果或者影响生产的进行甚至于精通电子科技的人，在用 数字电压表进行测量时，有时候都难于发现出微伏量级的直流电压误差，所以不 仅要求数字电压表有较好的抗干扰能力，而且在测量过程中，必须解决抗干扰的 一系列问题。否则，即使仪表的分辨率再高，也很难把被测信号从干扰中正确测 量出来，综上所述，对数字电压表的砍干扰设计就显得十分有必要。对数字电压 表来说，除

43、被测电压外，任何能改变仪表输入端电压的源都叫做干扰源。 4.1.1 串模干扰 串模干扰也称常模干扰，是指干扰有效地与信号源及数字电压表输入端串联 在一起，即它与待测信号重迭在一起而同时被测量而引起干扰。 比较常见的串模干扰形式是简单的交流声，即迭加在直流信号上的 50hz 交 流噪声，可以看做是电源中所固有的干扰，如直流电源中的纹波。另一种是空间 磁场中引线感应所引起的，如图 5.1 所示，它们的效果是相同的。 dvm = （a）电源干扰示意图 dvm = 信 号 源 （b)外界干扰示意图 图 4.1 串模干扰原理图 因为引入了串模干扰，当它超过了数字电压表的抑制能力的最大限度值时， 仪表显示

44、将出现跳字的现象，从而产生测量误差。 用串模抑制比 smr 来表示对串模干扰的抑制能力，它是串模干扰的最大值 与指示值产生的最大误差之比，并用数字来表示，即：usm sm u 22 （db） (4.1) sm sm u u smr lg20 4.1.2 共模干扰 共模干扰是同时加在数字电压表高端和低端输入端引线上的干扰，本课题中 是直流电压干扰。其数值一般在 1v 左右，示意图如下图 8.2 dvm = (a）干扰示意图 ux h l = h l ux rx rn1 rn2 ucm rcm zi dvm icm1 icm2 (b)外界干扰示意图 图 4.2 共模干扰原理图 为了说明共模干扰电压

45、对数字,电压表的影响，其有关参数标在了上图上， 其中导线电阻为 rn1,rn2，接地间的电阻为rcm 。 由于共模电压 ucm产生共模电流 icm1,icm2,并在 rn1,rn2上产生电压降，所以在 仪表的输入端口 h,l 同时造成干扰电压，因为同时作用于 h,l 端，所以我们称之 为共模干扰，但是如果因为 ucm造成的两个干扰电压相同的话，则对测量结果五 影响，也即起不了干扰作用，但现实生活中并非如此，因为 h 支路 zi很大，所 以 icm1远远小于 icm2，这样在 rn1,rn2产生的压降 ucmh 和 ucml 不相等，也就是 说，有一个电压ucmhucml 加在 h,l 之间，换

46、言之，即共模电压 ucm cm u 形成了一个串模电压，对数字电压表的测量带来误差。 一般用共模抑制比 cmr 来表示数字电压表对共模干扰的抑制能力，它是共 模干扰电压峰值与指示值产生的最大误差电压ucm之比，并用对数表示，即: (db ) (4.2) cm cm u u cmr lg20 23 4.2 干扰的抑制 4.2.1 对串模干扰的抑制 对于串模干扰，积分式仪表在总结的结论上都有这样的一个特点，当积分时 间与干扰信号的周期的整数倍相等时，有无穷大的干扰抑制能力，基于工频干扰 是最主要的串模干扰信号，所以积分表的周期均区委工频周期的整数倍，在理论 上，这样就赋予了积分表对工频干扰能力就有

47、无穷大。 当被测直流电压上加上一个串模干扰时，在一段积分时间 x u)sin(tus 内的平均值为：。其中,是干dttuutu s t x )sin(/1 0 平均 tf/22 扰电压的角频率，是其相位角与的差值就是干扰源引起的测量误差。 x u 平均 u = = （4.3） 平均 u x u 2 )2( sin 2 sin 2 tt t us 显然 t t ut t u ss sin 2 sin 2 max 由于干扰电压的相位是不能控制的，所以必须要考虑当 sin(1 时达到最大值。12/ )2t max 所以当积分时间 t 是干扰信号的整数倍时，sin(t/)=0,则 smr。 一般在积分

48、表中周期 t 是不变的，但由于工频电源稳定性不好，与周期 t 之间就发生了一定的偏离，这时候除串模抑制比 smr 会减小。当工频出现 1 偏离时，就有 1的串模干扰不能够被平均掉从而会引起测量结果误差，这时的 抑制能力由无限大减小到 40db,当工频偏离 4时，使得数字电压表对共频道干 扰抑制被限制到 30db 而不符合技术指标。 就积分仪表而言：积分时间 t 不变时，若积分仪表具有越高干扰频率（即 越小） ，则串模抑制比 smr 就越大，干扰信号周期固定时，采样周期 t 越大， 则串模抑制比越大，当 t 为的整数倍时，此时有 sin(t/) =0，则串模抑制比 为无穷大，即完全平均串模干扰，

49、不引进测量误差。 总而言之，要加强对工品干扰的抑制，可以对仪表自身进行改进，为了提高 串模干扰的抑制能力，采用的办法如下几种：采用时间始点同步法，市电同步二 次采样法和频率自动跟踪法。如在实际电路中，借助于锁相技术设计一个频率自 动跟踪系统，使得钟频能随着工频电源频率的变化而变化，在电源 48hz51hz 的变化范围内具有良好的跟踪性能，最终可使 smr 获得很大的提高，具有显著 效果。 24 4.2.2 共模干扰的抑制 若数字电压表的的输入电路中是采用的单端对地输入的接法，也就是机壳与 低输入端连接在一起，当是这种情况时，直接串联被测信号和共模电压然后进入 数字电压表，这时共模干扰便会变成串

50、模干扰，这对测量影响最大，因为共模干 扰的影响是通过由它引起一个串模干扰而产生的误差，所以为了减小共模干扰， 就必须减少由它引起的串模干扰。 若果把数字电压表的低端不与地接在一起，而且数字电压表与地是不导电的， 我们通常称这种方法为浮浮地输入技术，它将会减少大量的共模电流，如图 4.3 的浮地输入的情况。电路低端一般称为输入电路模拟，它与接大地之间的机壳也 是不导电的，为模拟地与机壳的绝缘电阻，我们一般通过减小共模电流的方 e r 法来减小共模干扰电压。 = 模拟地 机壳 zi cere 漏阻 100v rcm rn1 rn2 ux h l icm2 icm1 图 4.3 数字仪表浮地保护技术

51、原理图 浮值以后可以使共模电流减小，但由于 l 端对机壳的阻抗比 h 端的小很多， 所以公态电流的主要成分流入低端，很少量的流入高端，若高端引线电阻 rn1小 于低端引线电阻 rn2,这时因为引线电阻的不均衡会引起很大的误差，所以在测试 cmr 时要接上标准值为 1k 的非平衡电阻，即 l 端引线电阻是 1k。在上图 8.3 中有浮地保护后的典型数据： mre100krn1 2 vrn100 3 由于引线电阻比漏阻小很多，所以决定电流的大小，共态电流为： e r 2cm i = (4.4) 2cm ia v 7 9 10 10 100 在低端引线上产生的压降为： 25 (4.5)vucm 47

52、 10100010 (4.6) 6 10 cm cm u u dbcmr12010lg20 6 6 10 引线电阻 漏阻 而漏阻比 从上面的式子可以推断出，漏阻的值完全决定了共态抑制系数的大小，如果 ，则共态电流0，此时将不会产生误差。除了漏阻外，在仪表电 e r 2cm i 路和机壳间还存在分布电容（h 端的分布比 l 端小很多，因此 h 端没有标出 e c 来） ，其值可达 1000pf，在频率为 50hz,容抗为 3m 时，可以忽略并联漏阻， e r 仍旧取（有效值）,.vucm100krn1 2 则交流共态电流的有效值： aicm 5 2 103 . 3 l 端引线压降,mvucm33

53、dbcmr70 我们注意到有效值 33mv,其峰值为 47mv,若仪表没有抑制串态干扰的能力， 也没有滤波器，则可能显示出最大的 47mv 的最大误差，由此可以看出交流共模 抑制比要比直流共模抑制比低许多。 在上述的各参数中，在结构上，不能完全避免漏阻引线和电阻，所以还有待 改进，也不能有效的提高抑制能力。若减小输入引线上电流的大小，使电流从引 线电阻上旁路掉，这时抑制能力会得到显著改善。目前采用的一种比较广泛的保 护技术是得到改进后的浮地保护技术，如图 4.4 所示 = 模拟地 内屏蔽 机壳 h l g ie2 icm1 icm2 rn2 ux ucm rcm zi re1 re2 ce1

54、ce3 26 图 4.4 双层浮地保护技术原理图 这种方法是除了利用机壳作一层屏蔽外，还在机壳内把整个输入电路装在一 个屏蔽盒里面使其与主机壳形成完全绝缘，内屏蔽盒与模拟地也是形成绝缘的。 为了形成一个屏蔽保护端子 g，可以在内屏蔽单独的引出一根线。它和 h 端，l 端一起组成三端子连接形式的仪表。 由图 8.4 可见，经过保护端 g 和漏阻或者电容的共模电流就不会 2e r 2e c 2e i 产生串模干扰进入输入电路了，在 l 端与内屏蔽间的漏阻 和电容上没 2e i 1e r 1e c 有压降，在 l 端引线上也没有压降，虽然也产生一个流经引线电阻的共模电 2n r 流，但要经过、和、，

55、这时因漏阻很高，就很小，因 2cm i 2cm i 1e r 1e c 2e r 2e c 2cm i 此，抑制效果十分显著。 通常内屏蔽对地的漏电阻很高，寄生电容很小，这种主要是由电 2e r 2e c 2e c 源变压器产生的，由于电源变压器的原端有一端是通过电网接地的，也就是相连 于机壳接地。为了减少的影响，可分别屏蔽变压器初级和付级，初级屏蔽接 2e c 机壳，付级屏蔽接内屏蔽，在这种情况下很小，可以达到更高的抑制比，下 2e c 面来分析一下双层浮地保护的抑制效果。由图 8.4.可列出下列方程式： (4.7) 2122 )(ziiriu cmegecm (4.8)( 1222 zriri ncmge 将式 8.2 代入式 8.1 得： (4.9)( 2 12 212 z r zr zzriu g n ncmcm 共模电流在上引起的串模电压为： 2cm i 2n r （4.10） 222ncmcm riu 由此可得共模抑制比为： (4.11) 2 212 lg20 ng n r z r zr cmr 当与 z 相比很小时可把上式写成: 2n r (4.12)db r z r z cmr ng2 21 lg20 由上式可以看出，要提高 dvm 的抗干扰能力，要尽量去提高和的值， 1 z 2 z 并同