数字式交流电压表.docx
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数字式交流电压表
一、引言
电压表是一种在实验室、教学和日常测量场合中使用广泛的一种仪器。
传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足现代测量的要求，而数字电压表却有着显著的优势。
数字电压表又简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式加以显示的仪表。
本文中以AT89S52为核心，可实现电压表量程的自动转换，采用LM324运算放大器和集成四路双选通模拟开关电路设计了电压表量程自动切换技术，采用ADC0804实现模拟量与数字量间的转换技术，它具有体积小，驱动电流小，动作快，结构简单，操作方便的优点，可用于实验教学中。
二、设计任务及方案论证
2.1、设计任务
1.电压测量范围：
0～500V；
2.测量精度：
5％；
3.量程自动切换；
4.单片机控制系统；
5.采用4位LED显示；
2.2、方案论证
方案一：
采用以MC14433作为核心，MC14433是一个低功耗3
位双积分式A/D转换器，主要由模拟部分和数字部分组成。
MC14433的模拟部分首先对输入信号进行电压—时间的转换，经比较器作零电平检测后由数字部分对反积分时间进行计数，并输出相应位的脉冲信号经解码器由LED显示，该方案集成度较高，精度较高，但由于MC14433要实现显示还需配合其他驱动芯片，使得整个硬件电路板布线复杂，加重设计工作，故不予采用。
方案二：
采用单片机为核心实现其功能：
原理框图如图1所示：
该方案主要是通过单片机中来实现档位的自动切换功能，在程序运行的过程中通过计算得出数据自动切换量程，主要通过I/O端口读取转换数据，经计算送LED显示数据，通过对10取余和取整来得出数据，简易实现自动切换档位的功能，经过单片机处理后的数据来控制LED中显示出相应的数据。
该方案的集成度高，抗干扰能力强，精度高，实现功能简单，故本设计采用该方案。
三、电路设计原理与实验电路
3.1硬件系统设计
在硬件电路设计中多次采用电容滤波来消除干扰，同时采用差动放大电路实现调零与跟随器解决信号传输中的衰减问题。
整个硬件系统主要由以下几部分组成：
（1）电压信号衰减电路：
将输人的0～500V被测电压信号衰减成0～5V。
（2）量程自动切换电路：
由单片机控制完成信号量程选择。
（3）检波滤波电路：
将量程选择后的电压信号变换成直流，再经电容滤波滤除直流中纹波。
（4）模数转换及控制电路：
完成对模拟信号的采集、模数转换、数据处理和对系统的控制。
（5）显示器：
由PNP型三极管9012和4位数码管组成，将测量的电压信号显示出来。
（6）整流电路：
将交流电整流成直流电，作为电源给数字电压表供电。
3.2单元模块
3.2.1电压信号衰减的设计
电压信号衰减电路如图2所示。
为了在输入大电压时不损坏电压表内部器件先对电压进行衰减，将电压信号控制在5V以内，该设计中用输入阻抗进行1：
100衰减，为防止衰减后信号电压过小，又通过运算放大电路以及多路模拟开关CD4502进行信号放大，其中的4.3V稳压管起过压保护作用。
相关参数计算公式:
图2电压衰减电路
3.2.2量程切换的设计
电压表设置有5V、50V、500V档，量程的自动切换由初设量程500V开始，经单片机计算后控制模拟开关，选出最佳的量程。
量程自动切换电路如图3所示，控制开关的闭合和断开都有一个短暂的过程，为解决这个问题系统中采用软件延时，然后再进行测量与判断。
为了避免相邻两量程交叉点上可能出现的跳动，在程序中把低量程的上限比较值和高量程的下限比较值之间设计了一定的重叠范围。
该单元中运算放大器与多路模拟开关CD4052的其中一组开关执行相应量程的选择，选择不同量程时分别点亮相应LED的小数点位，运放单元把输入的模拟信号统一控制在0~5V，以提高测量的精度。
CD4052的A、B以及INH分别接单片机P25，P24，P26。
具体参数计算：
1 当选择500V档时，选通第一通道，对信号不进行放大。
2 当选择50V档时，选通第二通道，对信号放大10倍。
3 当选择5V档时，选通第三通道，对信号放大100倍。
取R5=1K，R6=10K，R7=100K。
图3量程切换电路
3.2.3检波滤波的设计
检波滤波电路如图4所示。
为了得到稳定的模拟量，对量程切换电路过后的模拟信号进行处理，先将交流信号经精密检波电路变为直流信号，再经过滤波电容将直流信号中含有的纹波信号滤除，避免纹波信号对测量的影响。
精密检波前的电压是有效值，而检波后的电压为平均值，因有效值为其平均值的1.11倍，故在软件设计中对测得的电压数据扩大1.11倍。
图4检波滤波电路
3.2.4调零的设计
调零电路如图5所示。
由差动放大电路实现调零，当从反向端输入U1和同向端输入U2时，则输出端可得到一个输出电压Uo，当R22=R25=Ra、R23=R26=Rb时，有
因此调节R24改变同向端的输入电压，可实现输入的差模信号为0，从而实现调零功能。
图5调零电路
3.2.5A/D转换与控制系统的设计
A/D转换器是将模拟信号转换成数字信号的器件或装置，是一种模拟系统和计算机之间的接口，在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。
常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，考虑到前者转换时间短，因此选用逐次逼近式A/D转换器。
ADC0804为逐次逼近式A/D转换器，具有8位分辨率，转换时间为100us，而最大误差为1个LSB值。
在本系统中的参考电压选用单极性+5V，A/D转换模块如图6所示，单片机AT89S52模块电路如图7所示。
ADC0804的VCC/VREF引脚接+5V，作为A/D转换的参考电压，一次输出8位转换结果。
由单片机P2接收A/D转换后的数据，经系统处理后再对模拟开关进行选择适合的量程，再次对量程选择后的模拟量进行A/D转换，数据处理之后送显示电路。
图6A/D转换电路
图7单片机最小系统
3.2.6显示电路的设计
显示电路如图8所示，数码管选用4位LED，并由PNP管9012驱动。
采用动态扫描的方式，并行数据经单片机的P0输出，数据输入时，通过P2口控制相应数码管，并行数据直接送数码管字型口显示。
数码管选用共阳极型。
图8显示电路
3.2.7电源的设计
数字电压表的设计电路中用到了直流电压5V和-5V，采用现场提供的220V交流电源供电，因此需要经过整流电路把220V交流电源转化为5V和-5V直流电源。
本系统中采用了单相桥式整流电路，如图9所示。
用正负5V的三端稳压管对单相桥式整流电路后的直流电进行稳压，实现稳定的电压输出，为了减小纹波以及消除高频谐波，电路中加入了电容滤波。
图9整流电路
3.2.8软件系统的设计
系统的程序流程图如图10所示。
图10系统软件流程图
C程序与流程图综合解读：
在电源开关闭合的时候，电源导通。
单片机对系统进行初始化，初始化量程选最大量程500V，对模数转换芯片发送信号，做好随时转换的准备。
初始化完毕后，首先对电压信号进行一次A/D转换，经单片机计算后选择量程，当计算后的电压值小于0.5V时，改选用50V的量程；当计算后的电压值小于0.05V时，选用5V的量程；当计算后的电压值不小于0.5V时，则不改变初始量程。
选择好合适的量程后，通过模拟开关重新输入信号，再次进行A/D转换，读取转换数据，经单片机计算后送显示器显示电压值。
四、电路板的制作及电路焊接与调试
4.1电路板的制作
用Protel99画出原理图，用Proteus对电路进行仿真，待仿真通过后，手动布线制作PCB板，将敷铜板打孔，并将PCB图打印出，对孔后粘贴到敷铜板上，送入仪器中让PCB图粘到敷铜板后放入FeCl3溶液中进行氧化，氧化完成后取出，打磨，擦伤松香即可。
4.2电路的安装
对照PCB板上的原件，将每一个元件安装，焊接到敷铜板相应的位置。
在安装、焊接的过程中先小后大、先矮后高的原则，在安装、焊接过程中还应注意元件的极性，以及避免干扰，将电源布放在板的边缘等。
4.3电路的调试
根据设计的目标，应对电路进行直流测试，交流测试。
对作品进行数据测试，由于实验室器材提供测量工具不能满足此次试验数
据测试的需要，所以在测试直流部分，不能测试500V档位的数据，测试交流部分，不能测试500V档位的数据，其测试步骤如下：
对标准值的测量，通过万用表进行测量，并记录。
对测量值进行记录，对数码管显示的数据进行直接记录于测量表格中。
对绝对误差进行计算，计算公式（14）
（14）
通过计算绝对误差，找出最大的绝对误差最大的一项
，通过计算公式（15），计算出满度相对误差
（15）
直流测量5V档位数据见表格：
标准值（
/V）
0
0.451
0.895
1.692
4.215
测量值（
/V）
0.176
0.520
0.946
1.794
4.424
绝对误差（
/V）
0.176
0.069
0.051
0.102
0.209
最大的绝对误差最大的一项
：
满度相对误差
：
直流测量50V档位数据见表格：
标准值（
/V）
0
3.645
5.698
10.23
20.69
测量值（
/V）
0.174
3.729
5.801
10.56
20.86
绝对误差（
/V）
0.174
0.084
0.103
0.33
0.16
最大的绝对误差最大的一项
：
满度相对误差
：
交流测量5V档位数据见表格：
标准值（
/V）
0
0.338
1.013
1.504
2.06
测量值（
/V）
0.176
0.568
1.256
1.820
2.285
绝对误差（
/V）
0.176
0.230
0.243
0.316
0.225
最大的绝对误差最大的一项
：
0.243V
满度相对误差
：
交流测量50V档位数据见表格：
标准值（
/V）
0
5.39
6.08
7.01
10.26
测量值（
/V）
0.176
5.86
6.88
7.59
10.55
绝对误差（
/V）
0.176
0.47
0.80
0.58
0.29
最大的绝对误差最大的一项
：
0.80V
满度相对误差
：
五、结论
本文采用程序控制放大器实现量程的自动转换。
用AT89s52进行数据控制、处理，送到显示器显示，硬件结构简单，软件采用C语言实现，程序简单可读写性强，效率高。
与传统的电路相比，具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高的优点，具有一定的使用价值。
本设计在超量程时会显示特定的值，即超量程显示，如想更直观的显示，可加入声光报警电路，在超量程操作时可进行声光报警。
六、参考文献
[1]胡红博.基于单片机控制的新型交流电压表系统
[2]张小义.自动转换量程电压表的设计与实现
[3]康华光.电子技术基础（数字部分）
[4]康华光.电子技术基础（模拟部分）
[5]张义和、余春长等.例说51单片机（C语言版）
七、鸣谢
感谢学院精心制作这样的课题来锻炼我们，谢谢我们的指导老师李勇老师，在设计过程中，我们得到了李老师精心的指导和无私的帮助，他专业的知识和科学、严谨的专业精神令我们敬佩不已，也让我们受益匪浅。
八、附录
8.1元件清单
附：
元件参数
元件序号
元件封装
元件类型
0.1uf、30pf、150pf
C3C4C7C8C9C10C11C13C15C22C23C20
RAD
涤纶电容、瓷片电容
1K、2K2、4.7K、10K、100K、470Ω
R1R3R4R5R8R11R14R9R10R16R17R18R19R7R12R13R15R22R23R25R26R2R6R20R21R27R28R29R30R31R32
AXIAL0.4
电阻
1N40071N4148
D1D2D3D4D8D9
DIODE0.4
二极管
2P、3P
J1J2
SIP
接口
9012
Q1Q2Q3Q4
TO-92B
PNP型三极管
LED
DS1
4位共阳数码管
4.3V
D6D7
DIODE0.4
稳压管
10uf、47uf、470uf
C18C19C21C5C6C17C1C2
RB.1/.2
电解电容
10K
J4
SIP
排阻
12MHz
Y1
XTAL1
晶振
20K
R24
VR5
微调电阻
7805
U1
TO-126
三端稳压管
7905
U2
TO-127
三端稳压管
AT89S52
U6
DIP40
单片机
ADC0804
U5
DIP20
模数转换芯片
CD4052
U4
DIP16
模拟开关芯片
LM324
U3
DIP14
运放
LED
D5
SIP
发光二极管
SW
S2、S1
轻触开关、自锁开关
220~7.5V
双电源变压器
8.2原理图和PCB图
附：
原理图
附：
PCB图
8.3作品照片
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