积分式直流数字电压表

1、积分式直流数字电压表摘要:51系列单片机具有两个以上16通道定时器(TIME0和TIME1)，每个通道可选择为输入捕获、输出捕获和PWM方式来测量脉宽，8路8位A/D转换器。当需大于8位的A/D转换时，可以用片内16位的定时器外接运放、比较器和多路开关实现双积分A/D转换。TL082是JFETINPUT运放；LM358作为比较器；MC4066是多路开关。51单片机P1口的P10、P11、P12作为输出，控制MC4066多路开关的输入选择；INT0作为中断输入口，捕捉LM358比较器的输出电平跳变。关键字：双积分A/D，输出比较，输入捕捉，分辨率 一、 系统方案论证与比较为了完成上面的

2、设计要求，将整个积分式直流数字万用表的设计分为四部分：积分、过零比较部分，控制部分，显示部分和供电部分。原理图如图1.1所示。图G-1-11、单片机的选择方案一：采用ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51作为双积分A/D转换器的核心，此次单片机价格相对便宜，容易购买。此设计中控制功能比较多，因此需要用到的输入输出口比较多，AT89C51足可以满足控制要求，且选用此单片机不需外接扩展电路，因此节省了资源，降低了成本；并且可以达到很高的精度和实现此次设计的各种要求。方案二：采用MOTOROLA公司生产的8位单片机MC68HC908GP32作为双积分A/D转换器的核心，该单片机只具有两个输入输

3、出口，虽然也能满足以上各种要求，但需要外接扩展电路，这不但在使用上增加了难度而且也增加了设计成本，浪费了资源。使电路边的比较复杂，在实际调试中也增加了难度。鉴于以上分析，拟选择方案一。2、积分器、过零比较器电路方案一：该方案的系统框图如图1.2所示。运放为LM311、比较器为LM339、多路开关为MC14052。MC68HC908GP32单片机的PTD5、PTD4作为输出控制MC14052多路开关的输入选择。PTD7作为输入口，捕捉LM339比较器的输出跳变。C为积分电容，常取0.1F左右的聚丙烯电容,R为积分电阻,可取100K左右,Vi为输入电压,-E为负的基准电压。 此电路只对输

4、入信号进行了一次信号放大，也就是只进行了一次积分。此电路，积分波形不明显，不容易在示波器上调试出来。 方案二：该方案的系统原理图如图1.3所示。C1为积分电容，常取0.22F左右的聚丙烯电容，R2为积分电阻，可取500k左右，U2A为积分运放，U2A、C1、R2构成了积分器，U2B是过零检测运放。VIN为输入电压，VREF为基准电压，AGND为转换器的参考零点。VREF和参考零点以R9、R10、R11分压产生。TL082是JFETINPUT运放；LM358作为比较器；MC4066是多路开关。此电路有自己单独的基准电压，并且它的基准电压根据测量的不同范围的电压，可以进行调节，因此更能保证测量精度

5、，并且还拥有了自动调零功能。电路中进行了两次放大，因此它的积分波形更加明显，容易在示波器上进行调试。 鉴于上述分析，选择方案二。图G-1-2图E-1-3图G-1-43、显示电路 方案一：采用液晶显示。液晶显示体积和质量小、功耗底等优点，液晶可以显示不同的内容，显示内容丰富、美观、使用方便。但它的驱动电路很复杂，必须软硬件结合才能使用，并且驱动电路的编程也很复杂，还有就是液晶的价格比较昂贵。方案二：采用LED静态显示。LED的价格合适，技术成熟，是单片机应用系统中显示部分的首选器件。静态显示稳定，节约了CPU的时间，提高了工作效率。LED静态显示是让每个数码管同时显示，使用的元件多，连线多，电路

6、复杂，需要占用很多的硬件资源，每个数码管都需要8根线，给安装带来了很大的困难。方案三：采用LED动态显示。动态显示最大的优点就是节约了硬件资源，此次设计要求的精度比较高，至少要用到4为数码管。使用的元器件少，引线少，电路简单。鉴于以上分析，采用方案三。二、系统的具体设计与实现1、系统的总体设计方案采用AT89C51单片机作为电路的核心部分，用单片机来控制显示电路，并与前面的积分器和过零比较器组成双积分A/D转换电路，对时间进行积分。使得时间与输入的模拟电压成正比，因为是双积分电路，因此在进行一次积分以后使输入的模拟电压与显示的数值成正比。单片机主要是对积分的时间进行控制，从而使得输入的模拟电压

7、与输出的数值成正比。2、系统的硬件电路的设计和主要电路参数的计算（1）积分器和过零比较器的设计与计算如图G-1-3、G-1-4，此电路是基于双积分A/D转换的电路原理，图G-2-2为原理图，G-2-1为积分波形图。通过对输入电压的积分，使时间和输入的模拟电压成正比。此电路经过两次积分将Vi转换成相应的时间间隔。转换开始时t=0，Vi通过电阻和电容充电，积分器输出电压负向线性变化，积分器对Vi在0到t1时间积分。当t=t1时，V01（1）=-,式中Vi为输入的模拟电压。当S与参考电压接通时，通过R对C方向充电，此时的电压V01开始逐渐上升。经t1-t2时间间隔后V01=0。V01(t2)=V01

8、(t1)+所以 T2=t2-t1= 因为VREF和t1为定值，所以T2和Vi成正比，即将Vi变换为与它成正比的时间间隔。在T2阶段，将CP（周期为Tc）送入单片机，由以上分析可见，单片机获得的数字量正比与输入模拟电压。图G-2-1积分波形图图G-2-2（2）显示电路的设计 数码管的段选和位选接到单片机的I/O口，通过软件编程实现显示输入的模拟电压。此设计中要求的显示范围：0-19999，因此用五位数码管做显示，使用共阴极数码管，接到端口时为了驱动数码管，需要接上拉电阻，以提高单片机的带负载能力。单片机通过P1.0、P1.1、P1.2三个端口获得外部信息，通过单片机的内部程序让其转化为与输入电压

9、成正比了数字值并显示出来，从而完成A/D转换的数字显示的功能。（3）单片机的设计单片机通过控制多路开关，实现对输入的模拟电压的读入，通过两级的放大之后，把信号送到LM339，通过零电压比较LM339，发出中断信号，然后通过内部的程序对时间进行积分，使得输入的模拟电压和数字显示信号一一对应。实现了双积分A/D转换器的功能。通过内部程序的优化可以使数字万用表的精度达到设计所要求的范围内；拥有万用表的自动调零功能。（4）供电系统的设计此电路中并没有对供电系统做明确的要求，但是为了达到数字万用表的精度尽量使电源稳定，采三端集成稳压（7805，7905等）电源供电，由于用到了集成运放还需要12V的电压。

10、对于滤波电容的选择，要考虑三点：整流管的压降；三端稳压管最小允许压降Ud；电网波动。三、软件设计控制和D/A转换主要由单片机来完成，主要完成双积分A/D转换器的功能，量程的转换功能，数码管显示的功能。软件通过单片机的中断来实现对时间的积分，然后送到数码管的接口。调节中断程序，可以调节测量误差和测量分辨率，实现高精度的A/D转换器。P0通过控制模拟开关，对输入的模拟电压进行积分，得到相应的时间间隔。在软件编程时，采用C语言，C语言程序结构清晰、使用方便；使程序更加简洁，更加提高了程序的可靠性，便于维护和调试。主程序软件流程图见附图G-3-1。四、实验测试1、测试设备四位半数字万用表示波器2、测试结果与分析（1）量程为200mV表G-4-1 输入值次数10 mV50 mV100 mV150 mV110.350.1100.4150.6210.150.4100.3150.4310.250.4100.2150.5（2）量程为2V表G-4-2 输入值次数0.5V1V1.5V1.9V10.5451.0261.4831.88420.4910.9901.5061.95030.5081.0011.5161.894由以上数据可知，此万用表基本能达到此次设计的要求。五、参考文