交流数字电压表.docx
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交流数字电压表
摘要
按照要求设计一个交流数字电压表，通过测量正弦电压有效值，以数码管显示测量结果。
能测量10Hz～10kHz的正弦交流电，分为三个档位。
分别是1.0V～9.9V、0.10V～0.99V、0.010V～0.099V。
根据设计要求，需要由输入电路、量程放大电路、半波及全波整流电路、可变增益放大电路、A/D转换电路、译码显示电路以及量程指示电路组成。
最后经过两周的设计、安装、调整、测试完成了两档电路的任务，其中0.10V～0.99V档存在些许误差，最小量程0.010V～0.099V档则未能完成。
自动换档的设计因为时间关系也未能完成。
第一章技术指标
1.1系统功能要求································1
1.1.1整体功能要求······························1
1.1.2电气指标··································1
1.1.3扩展指标··································2
1.1.4设计条件··································2
1.2系统结构要求································2
第二章整体设计方案
2.1整体方案····································3
2.2数据处理流程分析····························4
2.3整体方框图···································4
第三章单元电路设计
3.1输入电路设计································5
3.2量程放大电路设计····························6
3.3精密半波整流电路设计························8
3.4全波整流电路设计····························9
3.5可变增益放大电路设计·······················11
3.6A/D转换电路设计····························12
3.7B-BCD码转换电路设计························15
3.8译码显示电路设计···························16
3.9量程指示电路设计···························17
3.10整体电路图······························26
3.11整机原件清单····························17
第四章测试与调整
4.1模拟电路部分调测···························18
4.2数字电路部分调测···························19
4.3整体指标测试·······························20
第五章设计小节
5.1设计任务完成情况···························21
5.2问题及改进·································21
5.3心得体会···································22
附录
附录一参考文献·····························25
附录二整体电路图···························26
第一章技术指标
1.1系统功能要求
1.1.1整体功能要求
交流数字电压表的功能是测量正弦电压的有效值，并以数码管显示两位数测量结果。
1.1.2电气指标
1.1.2.1被测信号频率范围：
10Hz～10kHz。
1.1.2.2被测信号波形：
正弦波。
1.1.2.3显示数字含义：
有效值。
1.1.2.4档位：
分三档：
1.0V～9.9V；
0.10V～0.99V；
0.010V～0.099V。
1.1.2.5显示方式：
两位数码显示。
1.1.3扩展指标
可自动换档。
1.1.4设计条件
电源条件：
直流稳压电源提供0V～
15V电压。
可供选择的元器件范围如下表所示。
型号
名称及功能
数量
TL084
运算放大器
2片
LM139（74139）
二四线译码器
1片
CD4052
四选一模拟开关
1片
74161
四位二进制计数器
1片
4511
显示译码器
2片
2AP9
检波二极管
2只
5.1V稳压管
2只
发光二极管
3只
28C64B
PROM存储器
1片
ADC0804
8位A/D转换器
1片
其余门电路、各种阻容自定。
1.2系统结构要求
交流数字电压表的系统结构方框图如下图所示。
数字显示
输入信号
交流数字电压表
档位变换
第二章整体设计方案
2.1整体方案
数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
它利用A/D转换原理，将被测模拟量转换成数字量,并用数字方式显示测量结果的电子测量仪表。
而交流是指输入的信号是正弦波，电压表需要显示的是正弦信号的有效值。
电路中需有交直流转换。
由测量电压范围可知，显示输入电压的有效值在0.01V至9.9V范围，分成三档。
意味着输入正弦信号的峰峰值为0.028V至28V。
因此，输入需有量程转换及衰减电路。
2.2数据处理流程分析
被测信号V1经输入电路衰减后，经量程放大电路放大，再由运算放大器构成的精密全波整流电路整流，经积分电路，使其成为直流信号。
A/D转换器输出相应的二进制码，经BCD码转换，即可实现数字显示。
2.3整体方框图
第三章单元电路设计
3.1输入电路设计
首先作为仪表，为减少对被测信号的影响，通常输入阻抗都需要比较高，一般在1MΩ左右。
另外被测信号的最大有效值为9.9V，经过计算，正弦信号的峰峰值为28V，如此大的信号，电路无法正常工作。
因此，在输入电路中要进行衰减，可做一10：
1的电路。
Ri=1MΩ
输入电路部分电路图如下图所示：
3.2量程放大电路设计
输入电压分为三档：
1.0V～9.9V（2.8Vp-p～28Vp-p）；
0.10V～0.99V（0.28Vp-p～2.8Vp-p）；
0.010V～0.099V（0.028Vp-p～0.28Vp-p）。
经输入电路衰减10倍后，各档电压为：
1.0V～9.9V衰减后：
0.10V～0.99V；
0.10V～0.99V衰减后：
0.010V～0.099V；
0.010V～0.099V衰减后：
0.0010V～0.0099V。
为使得后续电路能在同一个数量级上工作，选取衰减后为0.10V～0.99V的电路为标准输入，则应对另两档量程对应电路进行放大。
量程放大电路如下图所示：
电路图中R1、R2构成输入电路，实现10：
1转换。
3V稳压管是为防止输入信号过大，损坏运放而加。
R3、R4、R5的值可通过公式计算得到：
放大10倍：
1+R3/（R4+R5）=10
放大100倍：
1+（R3+R4）/R5=100
取R5=100Ω时，计算出R4=900Ω、R5=9KΩ（可分别采用470Ω+430Ω和470KΩ+430KΩ实现）。
3.3精密半波整流电路设计
在普通二极管线性检波电路中，由于晶体管导通电压的存在，在对小信号进行检波时，误差很大，若把二极管置于运算放大器的反馈回路中，可提高小信号检波的线性度，则检波结果会十分精确。
其检波管可采用2只2AP9，电压增益为2，电路如下图所示：
Vo2
Vi
Vo2
经过精密半波整流后的电流波形如下图所示：
3.4全波整流电路设计
在半波整流电路的基础上，加一级加法运算电路，即可构成全波整流电路。
如下图：
Vo3
Vo2
Vo1
经过全波整流后的波形如图所示：
RF
同时，为了使其成为直流信号，加法器反馈支路用积分电容构成积分器。
积分时间常数大一些对低频测量有利，也可设计一个开关来切换时间常数，100Hz以下用大电解电容。
为了防止无交流信号流入时，失调电压对积分器的作用太大，反馈支路上同时并接一个100kΩ的电阻全波段整流，如下图所示：
Vo3
Vo2
Vo1
全波波形变为直流电压后的波形如图：
3.5可变增益放大电路设计
c
W1
c
W2
经整流后的直流电压要加到AD转换器中，将不同的电压值转换成不同的二进制代码。
它的作用是给A/D转换器提供一个适当范围的电压。
A/D转换器采用ADC0804，基于技术指标考虑，每一档的输出电压从1.0V～9.9V，共有99个不同的输出电压。
因为输出为8位二进制码，故其每一阶梯电压为ΔVS=Vref/28。
取Vref=5.12V，ΔVS=5.12/28=0.02V，对应的V1N（+）输入电压即为0.2V～1.98V。
这个电压范围可通过可变增益放大器的调节来实现，电路如下图所示：
（V1N（+））
Vo4
Vi
通过电路图可以实现斜截式方程y=kx+b的运算，调节W2使对应的输入电压为0.2V～1.98V，即输入1V和10V，调节W2使A/D的V1N（+）端电压差为1.8V，然后调节W1，使1V输入时V1N（+）为0.2V。
这部分电路调节工作是整机电路的关键环节，电压调节的误差大小将直接影响数字显示的精度。
3.6A/D转换电路设计
ADC0804模数转换器是逐次逼近型转换器，它是8位A/D转换器，输出可用范围为0AH～63H（10～99）。
由于本系统不用微处理器控制，所以设计数字电路来实现A/D转换器的转换命令和读取转换数据。
ADC0804主要技术指标如下：
（1）高阻抗状态输出
（2）分辨率：
8位（0~255）
（3）存取时间：
135ms
（4）转换时间：
100ms
（5）总误差：
—1～+1LSB
（6）工作温度：
ADC0804C为0度～70度
（7）模拟输入电压范围：
0V～5V
（8）参考电压：
2.5V
（9）工作电压：
5V
（10）输出为三态结构
ADC0804引脚图如下图所示：
引脚功能说明:
1.PIN1（CS）：
ChipSelect，与RD、WR接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准（low）时会active。
2.PIN2（RD）：
Read。
当CS、RD皆为低位准（low）时，ADC0804会将转换后的数字讯号经由DB7~DB0输出至其它处理单元。
3.PIN3（WR）：
启动转换的控制讯号。
当CS、WR皆为低位准（low）时ADC0804做清除的动作，系统重置。
当WR由0→1且CS＝0时，ADC0804会开始转换信号，此时INTR设定为高位准（high）。
4.PIN4、PIN19（CLKIN、CLKR）：
频率输入/输出。
频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100kHz至800kHz。
而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。
若在CLKR及CLKIN加上电阻及电容，则可产生ADC工作所需的时序，其频率约为：
100kHz
5.PIN5（INTR）：
中断请求。
转换期间为高位准（high），等到转换完毕时INTR会变为低位准（low）告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。
6.PIN6、PIN7（VIN（+）、VIN（-））：
差动模拟讯号的输入端。
输入电压VIN＝VIN（+）－VIN（-），通常使用单端输入，而将VIN（-）接地。
7.PIN8（AGND）:
模拟电压的接地端。
8.PIN9（VREF）。
ADC0804的测试图如下图所示：
3.7B-BCD码转换电路设计
ADC0804转换的二进制数，要转换成数码管显示的BCD码，这一任务可由存储器来实现。
ADC0804输入电压的范围为0.2V～1.98V，转换后的相应的二进制数为0AH～63H。
将转换后的二进制数作为存储器的地址，而把相应的BCD码值填入到存储单元中，一旦选中了地址，相应的数据就被取出，并送到显示译码器中。
这一部分工作由
PROM存储器28C64B来完成。
28C64B引脚图如下图所示
3.8译码显示电路设计
采用4511作为显示译码器，推动数码管显示出被测电压值。
CD4511引脚图如下图所示：
3.9量程指示电路设计
为了使显示结果与量程有关，用74139与量程控制线构成3位LED显示电路，用开关控制，量程分别是
1，
0.1，
0.01，单位为V。
数据采集时钟由外时钟计数器74161及译码器74139以及与非门7400构成。
3.10整体电路图
见附录二。
3.11整机原件清单
型号
名称及功能
数量
TL084
运算放大器
2片
LM139（74139）
二四线译码器
1片
CD4052
四选一模拟开关
1片
74161
四位二进制计数器
1片
4511
显示译码器
2片
2AP9
检波二极管
2只
5.1V稳压管
2只
发光二极管
3只
28C64B
PROM存储器
1片
ADC0804
8位A/D转换器
1片
900KΩ
电阻
1个
100KΩ
2个
5.1KΩ
3个
10KΩ
6
9KΩ
1个
900Ω
4个
99Ω
1个
3KΩ
1个
20KΩ
1个
5KΩ
2个
150PF
电容
1个
47
1个
滑动变阻器
1个
开关
2个
数码显示管
2个
7400
与非门电路
1个
导线
若干
GL-48
面包板
一个
第四章测试与调整
4.1模拟电路部分调测
经过输入电路的1M
电阻分压之后，电压应变为原来的1/10。
测试时在输入端给出2V的交流输入电压，经过第一个900K
的电阻后用万用表测试应该是0.2V，否则应该调整两个分压电阻的阻值。
经过第一个运放之后得到的电压应为原有的1/10，测量方法和之前部分一样，否则应该检查接线及电阻阻值。
经过第三个运放之后所得的电压因为原来的—1/10，测量方法类似之前部分，否则应该检查接线及电阻阻值。
经过最后一个运放，即进入ADC0804前，电压应为之前的1/5，采用与之前类似的处理方法。
至此，模拟电路部分的调试即告成功。
4.2数字电路部分调测
模数转换将数电部分与模电部分断开，在ADC0804的VIN+端直接加上0.2至1.98V的直流电压，看DB端输出是否为0AH到63H。
二进制-BCD码转换用存储器实现B-BCD转换，在0AH到63H地址中写入10到99的BCD码，并在00H到09H单元中写入0，在64H到0FFH单元中写入99。
这样，在使用电压表的过程中，看到显示00，就应该换成低档位测量，看到99，就可能应该换成高档位测量。
译码和显示先单独调试4511和数码管，看数码管的示数是否正常以判定4511好坏和数码管的接线是否正确，然后连接上ADC0804和28C64，在ADC0804的VIN+端加上0.2至1.98V的直流电压，数码管应现实1.0到9.9，每变化0.02V电压数码管变化0.1的示数。
至此，数字显示电路部分的调试即告成功。
4.3整体指标测试
将TL084的1脚与ADC0804的VIN+脚相连，在输入端加有效值1V到9.9V的电压（对应X1档，X0.1档0.1到0.99，X0.01档0.01到0.099V），观察档位指示二极管是否正常切换，以及数码管显示示数是否正确，若存在误差，检查ADC0804的9脚电压是否为2.56V并调节。
然后调节可变增益放大器的滑动变阻器作调整以达到误差最小。
第五章设计小节
5.1设计任务完成情况
经过不断调试，最终我的电压表只成功调试出了2个档位，分别为X1档和X0.1档。
在X1档有着极高的准确率，几乎没有误差。
在X0.1档时误差稍大，误差大约在
0.4左右。
而在X0.01档始终没有示数，应该是超出了量程。
此外自动换档也未能完成。
5.2问题及改进
我的电压表在最小档完全没有示数，无法工作。
通过用示波器逐步分析，发现用0.01至0.099V输入时，输入信号经过10倍衰减会变得干扰特别大，电路中的直流分量都大于正弦波的幅度，完全失真，以至于在积分电路中完全走样，最后得出错误的示数。
根据问题产生的原因，可以对输入电路及量程放大器做出如下改进，在X1档位时，将输入型号衰减10倍，X0.1档位时，对幅度不做放大和衰减，在X0.01档位时，对信号直接放大10倍，而不先做衰减。
由于时间有限，已经无法再进行实际操作，但是在跟其他的3个档位都做出来的同学的交流过程中发现这种改进方案应该是可行的。
5.3心得体会
这次的课程设计是对我实践能力的一次检测，也是对之前学习的巩固。
在之前的两个学期，学习过模电和数电，同时学校也安排了长达两学期的电工电子实验，这次为期两周的集中实践学习是对之前学习的一次巩固一次检验，同时也是让我们通过实践对理论知识有着更为生动翔实掌握的重要途径。
在为期两周的课程设计中我遇到了许多困难，最终在自己的努力和同学的帮助下一一克服，完成了数字交流电压表的制作。
能够完成这次实践首先需要有过关合格的理论知识，无论是数电还是模电部分都要能较好的掌握才能设计出实用可行的电路。
其次需要耐心和细心才能完成电路的连接，同时我认为耐心也是最终能完成实践的关键。
在电路的调试过程中我曾屡屡出错，而由于线路又较为复杂，逐一排查非常费时费力，久久不能成功又令人充满挫败感，期间数次几欲放弃，然而最终还是凭着耐心完成了调试，这也给我带来了很大的成就感。
这次的课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，也是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句话的真正含义。
我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．通过这次课程设计，我在多方面都有所提高。
通过这次课程设计，我综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次电路设计的实际训练从而培养和提高了我的独立工作能力，巩固与扩充了模电、数电、信号等课程所学的内容，掌握了电子系统设计的方法和步骤，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时对各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了相应的提高。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
这次课程设计最终顺利完成，虽然在其中遇到了很多问题，但是在同学的帮助下，大多数问题都得到了解决。
在今后学习和工作过程中，我也一定要坚持不懈，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上披荆斩棘。
这次的实践学习让我的动手能力得到了很大的提高，同时也锻炼了我自我学习主动解决问题的能力，是对我个人综合能力的一次提高。
感谢学校给了我这样一次实践的机会也感谢老师在实践过程中给予的帮助指导，同时也感谢对我给予无私帮助的同学，大家一同解决了问题，互相帮助共同提高。
附录一参考文献
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机械工业出版社，2009
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西安交通大学出版社，2009
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东南大学出版社，2004
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北京邮电大学出版社，2006
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电子工业出版社，2009
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清华大学出版社，2010
[7]张豫滇,苏起虎,林彦杰.电子电路课程设计[M].南京：
河海大学出版社，2005
[8]AT28C64/X，
[9]CD4511，
[10]ADC0804,http:
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