直流数字电压表的设计仿真与制作.docx

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直流数字电压表的设计仿真与制作

学号：

课程设计

题目

学院

专业

班级

姓名

指导教师

年

月

日

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

直流数字电压表的设计仿真与制作

初始条件：

利用集成3位半或4位半的转换器与显示译码驱动电路设计实现直流数字电压表的基本功能（也可以利用或单片机系统设计实现）。

要求完成的主要任务：

（包括课程设计工作量与技术要求，以与说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：

1周内完成对数控电压源的设计、仿真、装配与调试。

2、技术要求：

输入电压介于+—2v之间。

1　用电阻、电位器构成一个简单的输入电压调节电路；

2　用3位半1443314433或4位半7135实现转换；

3　设计4个或5个数码管的动态显示驱动电路实现测量电压的显示；

4　确定设计方案，按功能模块的划分分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书，全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

1）第1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。

2）第3-4天，方案选择和电路设计仿真。

3）第4-5天，电路调试和设计说明书撰写。

4）第6天，上交课程设计成果与报告，同时进行答辩。

指导教师签名：

年月

日系主任（或责任教师）签名：

年月日

课程设计任务书-2-

1软件简介-4-

2方案论证和确定-6-

2.1设计目标-6-

2.2方案论证-6-

2.3总体设计-8-

3硬件系统的设计-9-

3.1硬件系统设计原则-9-

3.2转换电路-9-

3.2.1双积分转换器的工作原理-9-

3.2.27135芯片介绍-10-

3.3电压反向电路-16-

3.4数码显示模块电路-18-

3.5输入电路-20-

4系统的软件设计-21-

4.1应用软件设计原则-21-

4.2系统主程序设计-21-

5制作与调试-25-

5.1调试-25-

5.1.1软件调试-25-

5.1.2硬件调试-25-

8原件清单-28-

9参考文献-29-

1软件简介

软件是英国公司出版的工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它工具软件的仿真功能，还能仿真单片机与外围器件。

它是目前最好的仿真单片机与外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致/12/16/18/24/3033、、、8086和430等，2010年即将增加力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

是世界上著名的工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、11、10和系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持、和等多种编译器。

软件具有其它工具软件（例：

）的功能。

这些功能是：

（1）原理布图

（2）自动或人工布线

（3）电路仿真

另外，还有以下功能

（1）互动的电路仿真，用户甚至可以实时采用诸如，，键盘，马达，，，，部分器件，部分器件。

（2）仿真处理器与其外围电路：

可以仿真51系列、、、、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示与输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，建立了完备的电子设计开发环境。

其功能模块有4部分组成：

智能原理图设计（）；完善的电路仿真功能（）；混合仿真；独特的单片机协同仿真功能（）

在绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：

*，可以在的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。

前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。

它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。

这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：

元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。

课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。

由于提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台

随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。

它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。

可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。

相信在单片机开发应用中也能茯得愈来愈广泛的应用。

　使用软件进行单片机系统仿真设计,是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力与仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。

实践证明，在使用进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。

因此，有较高的推广利用价值。

2方案论证和确定

2.1设计目标

设计一个数字电压表，要求：

1.电压测量范围：

0-±2V

2.结果可显示四位半数值

3.输出数据用数码管显示

4.用7135实现数字量的转换

5.用7660产生-5V电压

6.核心控制部件采用单片机控制，直接利用单片机资源。

2.2方案论证

目前数字电压表很多采用单片微处理器来作为应用系统的中央处理器。

单片微理器具有集成度高，系统结构简单，应用灵活，处理功能强，运算速度快等一系列优点，这就使单片机为基础的应用系统容易做到体积小，性能好，价格便宜，易于产品化。

目前单片机种类繁多，有8位机的51系列，系列等，16位单片机有96系列等。

在本设计中，8位单片机就能满足系统的设计需要。

目前的8位单片机中，以51系列单片机的品种最多，接口芯片以与应用软件也非常丰富。

在选择51系列单片机芯片时，在成本允许的情况下，尽可能地选用集成度高的微处理器。

公司推出的89S52低功耗单片机，高性能的8位单片机。

它内部集成了8k的程序存储器，这种存储器可以反复擦除10000次之多，将使程序调试非常方便。

同时89S52具有128字节内部,32位输出/输入口线，3个16位定时器/计数器，6个中断源2级中断处理能力，具有休眠和掉电两种节电模式。

从系统的各个方面考虑，选用89S52单片机作为遥控接受系统的中央处理器，它应该完全能够满足系统的需要[4]。

目前市场上的转换芯片种类繁多。

按转换位数分有8位，10位，12位，16位，凌特公司甚至推出了24位的高精度芯片2400。

按基本原理与特点分有积分型，逐次逼近型，并行比较型/串并行型，Σ-Δ调制型，电容阵列逐次比较型与压频变换型。

积分型工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。

其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。

逐次比较型由一个比较器和转换器通过逐次比较逻辑构成，从开始，顺序地对每一位将输入电压与内置转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。

其电路规模属于中等。

其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。

并行比较型采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称（快速）型。

由于转换速率极高，n位的转换需要21个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个2位的并行型转换器配合转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为（半快速）型。

还有分成三步或多步实现转换的叫做分级（）型，而从转换时序角度又可称为流水线（）型，现代的分级型中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。

这类速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。

Σ-Δ型由积分器、比较器、1位转换器和数字滤波器等组成。

原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。

电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。

主要用于音频和测量。

电容阵列逐次比较型在内置转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。

一般的电阻阵列转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。

如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片转换器。

最近的逐次比较型转换器大多为电容阵列式的。

压频变换型（）是通过间接转换方式实现模数转换的。

其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。

从理论上讲这种的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。

其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成转换。

通过上述几种转换器的论证我们从经济实用的角度出发采用积分型的转换器，虽然转换速度相对较低，但是电压表对精度要求比较高而对转换速率的要求不是很高。

因此，我们选用德州仪器制造的7135（或7135）芯片。

它是一种双积分转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制数）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。

7135是采用工艺制作的单片4位半转换器，其所转换的数字值以多工扫描的方式输出，直接以码的形式输出，只要附加译码器，数码显示器，驱动器与电阻电容等元件，就可组成一个满量程为2V的数字电压表，这就简化了单片机对数据的处理，使软件设计变得简单。

2.3总体设计

档

位

选

择

转

换

电

路

89S52

555

方波产

生电路

显示电路

图3-1总体设计框图

系统总体设计框图如图2-1所示，工作原理：

输入的电压经档位判断选择量程，高电压在进入Ａ/Ｄ转换电路前还需进行适当的衰减，在衰减到一定范围时由7135将模拟电压转换成数字量输出送单片机处理。

7135每次往单片机送数时都会产生一个负脉冲，该脉冲向单片机外中断0提出申请，单片机转向执行中断程序，单片机通过软件控制对数据进行处理，数据从P2口输出，送入显示电路显示。

转换芯片所需的时钟信号由555多谐振荡器产生。

3硬件系统的设计

3.1硬件系统设计原则

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：

一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如、、I口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择合适的芯片，设计相应的电路。

二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、、转换器等，要设计合适的接口电路。

在本系统中，89S52单片机内部的功能单元已经能够满足系统设计需要，不需要系统扩展。

按系统功能需求，需要配置固定档位、显示等。

3.2转换电路

转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。

本设计采用双积转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。

在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。

3.2.1双积分转换器的工作原理

双积分式转换器又称双斜率转换器，其原理如图