积分式直流数字电压表的设计

邱忱

辽宁锦州渤海大学工学院

积分式直流数字电压表的设计

邱忱

辽宁锦州渤海大学工学院

在测量电量中，电压表起到了重要的作用。本文设计的积分式直流数字电压表的组成部分主要包括了LCD模块，模数模块的转化，同时还进行了软、硬件设计。积分式直流数字电压表增加数字电压表的准确度，在一些特殊的应用场合中有着很重要的实践意义。

积分式 A/D转换器 电压表

1 引言

数字电压表指的是对连续的模拟量进行转换，这是转换的过程是一个从模拟量向数字化的过程，经过转换后能够增强可读性以及减少误差。目前关于设计直流数字电压表，通常在采集模拟信号中的样本的时候，都会有固定的A/D转换器，而且数字电压表的精确度和转换器的精确度有着直接的关系，同时对信号进行模拟数字转换的过程中需要用到的电路主要包括了译码电路以及锁存电路。这个转换的过程比较复杂，所以为了增加数字电压表的准确度，本文设计了积分式直流数字电压表。

2 积分式直流数字电压表的总体框架图

本文设计的电压表的组成部分主要分为模拟部分以及数字部分，系统框图如图1所示。

图1 系统框架图

在模拟电路的主要作用是给被测电压的信号进行电路的选择，选择的转换方式是双积分A/D。双积分A/D转换器中所包括的组件主要有OP07集成的运算放大器以及LM393运算放大器，自动校零以及转换量程的实现主要依靠的是CD4066电子开关，这个电子开关的最大优势就是能够尽可能减少噪声所引起的干扰。所以如果在噪声比较严重的环境的时候，能够选择CD4066电子开关实现自动校零等功能。在数字电路部分中的控制器核心是AT89S52，其主要的用途是对光电耦合器中的数字信号进行控制。光电耦合器可以对多种噪声起到抑制的作用，从而增大信噪比，通常情况下响应所延迟时间是在10μs范围以内，而且响应所花费的时间比较少，最终成功隔离了模拟信号以及数字信号。量程以及电压值的显示是通过6位数码管LED实现的，这种实现方式是自动的。系统的总体电路图如图2所示。

图2 系统的总体电路图

3 双积分型A/D转换设计模块

在双积分型A/D转换器的电路中，组成的部件主要分为n位二进制计数器、积分电路A、CP控制门G以及电压比较器C和电子开关等，在4051多路控制电路的输入端输入测试数据，接着通过积分电路LT084，比较电压值。

（1）首先需要把电压转化成时间T，转化中需要保持T和输入电压是正比的关系。

（2）把时间T进一步转化成数字量，让数字量和T之间保持着正比的关系，接着再根据电压转换时间T2和输入CP控制门中的TCP是反比的关系，从而可以得出转换的数字量。将CP控制门打开，切断控制电路S2，同时把S1和输入电压端连接起来，在积分电路中就会取U1的积分进行运算。当积分运算后的结果V0是小于0，比较器中输出的VC等于1，将CP控制门G打开，计数器就会启动计数操作。如果计数器中的计数数等于2n的时候，计数器的输出值就都为0，然后将数据保存到锁存器74LS373中，对数据进行控制处理。

4 双积分A/D转换器的设计

在双积分A/D数字电压表中有2个档位，分别是200mV和2V，档位显示是用1位数码管LED来表示的，此外量程的显示范围是从0到19999，是用5位表示的。本文设计的数字电压表中的量程选择是完全自动的。其中用Vi表示被测信号，将Vi传入到电压跟随器中和参考电压是200mV的进行对比。电子开关的状态是通过单片机控制，如果输入电压比参考电压大的话，信号就会进入到电子开关后直接进行了积分处理。如果输入电压是比参考电压小的话，比较器中输出的电平就是低电平，此时信号就会通过运算放大器OP07之后产生放大的信号，接着才被送到积分器中进行积分运算，最终量程也就实现了自动转换。当电压表是处于工作的时候，就将“零采样期”插入，这种插入的方式是周期性的。双积分电路原理图如图3所示。

图3 双积分电路原理图

5 测量标定方法本设计方案

在标定的测量中采用的方法是分段标定。该部分主要是为了进行调试标定1键和标定2键，并且还可以为自动校零键进行校准。当电压测量的值不对的时候，可能够重新对量程进行标定。其中标定可以划分成0、200mV以及2V标定等。

其中具体的标定过程总结为：

（1）调整输入电压为0，当前内码会显示，根据自动校零键实现零点标定。

（2）调整输入电压为200mV，当前内码显示，按下标定1键，就能实现标定200mV。

（3）调整输入电压为2V，当前内码显示，按下标定2键，档位改为2V挡，接着按下标定2键，实现标定2V的操作。误差测量表如表1所示。

表1 测量误差表

1802.80 1802.30 -0.70 0.039 2000.80 2001.00 -0.90 0.046

6 系统软件设计

当数字电压表是处于软件运行中，首先进行的操作是进行系统的初始化，接着就会进行菜单的显示以及电压值的显示，在显示的这个过程中，需要进行数据的采集，然后通过模拟数字信号的转化模块就爱你攻二进制的数据输入到单片机中，最后再LCD中显示的是十进制的数据。软件系统流程如图4所示。

图4 软件系统流程图

7 结语

作为众多领域中应用广泛的仪器设备，数字电压表仅仅只可以显示出电压信号测量结果，积分式直流数字电压表增加数字电压表的准确度，在一些特殊的应用场合中有着很重要的实践意义。

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[2]骆旭坤.基于avr单片机实现积分式直流数字电压表的设计[J].黎明职业大学学报, 2008, 2008(1):31-34

[3]牛栋凯,徐建华,何文涛,等.一种改进型积分式直流数字电压表设计[J].微型机与应用, 2014(18):23-25

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