毕业论文研究数字电压表工作原理.docx

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毕业论文研究数字电压表工作原理

摘要：

本文介绍一种以89S52单片机为主要控制器件,采用ICL7135高精度、双积分A/D转换器的一种电压测量电路。

主要包括硬件电路设计和系统程序设计。

硬件电路主要包括数据采集模块，数据处理模块和输出显示模块。

在数据采集模块中，主要是在对电压信号采预处理，后采用双积型A/D转换器ICL7135进行转换，将转换得到的信号送入单片机中。

在数据处理模块中，主要是通过89S52单片机将A/D转换后得到的信号进行处理。

显示模块中，采用LCD液晶模块1602显示。

在软件设计方面，主要包括初始化程序，中断程序，档位选择程序和显示程序等几个子程序模块。

正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了双积分电路的原理，89S52的特点，ICL7135的功能和应用，LCD1602的功能和应用。

该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。

适用于人们的日常生活及工农业生产中用于电压的检测。

关键词：

单片机，A/D转换器，液晶模块

Abstract:

The paper introducedonekind new methodaboutdigitalvoltmeterthattaketheMicroControllerUnit89C52astheprimarycontrolcomponentandusinghigh-precision,doubleintegralA/DconverterICL7135circuit .Mainly includedthedesignofthehardwareelectriccircuitandthedesignofthesoftwaresystem.Hardwarecircuitincludingdataacquisitionmodule,data-processingmoduleandoutputdisplaymodule.Indataacquisitionmodules,beforesamplethevoltagesignal,pretreatmentwithamplifier,afterthroughdoubleintegratingA/DconverterICL7135conversion,thesignalhasbeenconvertedwastakeintotheMicroControllerUnit89C52.Inthedataprocessingmodule,mainlythroughtheMicroControllerUnit89C52processthesignalwhichafterA/Dconverter.Inthedisplaymodule,usingLCDmodule1602displaythevoltages.

Keywords:

FinancedirectorgeneralsystemChieffinancialofficialstate-ownedbusinessenterprise

引言:

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。

传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。

数字电压表与模拟电压表相比，具有读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，输入阻抗大，集成度高、功耗小、抗干扰能力强，可扩展能力强等特点，因此在电压测量、电压校准中有着广泛的应用。

数字电压表也是诸多数字化仪表的核心与基础。

以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。

目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。

与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。

本文重点介绍通讯模块，单片机和A/D转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原理。

1.概述

1.1数字电压表的发展前景.

数字电压表作为数字技术的成功应用，发展相当快。

数字电压表（DigitalVoItMe-ter，DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。

特别是以A／D转换器为代表的集成电路为支柱，使DVM向着多功能化、小型化、智能化方向发展。

DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。

现代数字电压表按测量功能可分为直流数字电压表和交流数字电压表。

数字电压表一般由模拟部分和数字部分组成，模拟部分主要功能是获取电压并将其转换为相应的数字量，数字部分完成逻辑控制、译码和显示等功能。

数字电压表的核心是A/D转换器，由A/D转换器工作原理的不同，数字电压表又可分为逐次比较型和双积分型。

传统模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差，特别是受表头精度的限制，即使采用0.5级的高灵敏度表头，读测时的分辨力也只能达到半格。

再者，模拟式电压表的输入阻抗不高，测高内阻源时精度明显下降。

本设计为克服以上缺点选用ICL7135芯片实现双积分A/D转换，提高精度，它是一种四位半的双计分A/D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。

本设计介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机电压表和小型智能仪表的设计方案。

在当今的数字时代，从大到空间雷达，地球卫星定位系统，移动通信，计算机，医用断层扫描设备，小到家用计算机，数码影像设备，数字录音笔，数码微波炉等设备中，数字技术与数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。

数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身正朝着高准确度、智能化、低成本的方向发展。

此外，数字电压表在安装工艺、外观设计、安全性、可靠性等方面也在不断改进，日臻完善。

1.2电路原理图

数据输入模块

A/D转换模块

数据处理及控制模块

输出显示模块

图1.2.1系统基本方框图

如图（1.2.1）所示，模拟电压经过档位切换到不同的分压电路衰减后，经隔离干扰送到A/D转换器进行A/D转换，然后送到单片机中进行数据处理。

处理后的数据送到LCD中显示。

2.硬件电路设计

2.1输入电路设计

由于该电压表要实现多量程测量，故而在本设计通过衰减电路与量程切换开关实现此功能，具体电路将在本节详细介绍。

2.1.1衰减电路设计

图2.1.1量程切换开关

输入电路（如图2.1.1）的作用是把不同量程的被测的电压规范到A/D转换器所要求的电压值。

智能化数字电压表所采用的单片双积分型ADC芯片ICL7135，它要求输入电压0-±2V。

2.1.2衰减电路：

图2.1.2衰减输入电路

本仪表设计是0-1000V电压，灵敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰减器，如图（2.1.2）所示9M、900K、90K、和10K电阻构成1/10、1/100、1/1000的衰减器。

衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率，从而切换档位。

为了能让CPU自动识别档位，还要有（图2.1.1）的硬件连接

2.2转换电路

数字电压表显示的是数字信号，输入的却是模拟信号，故需要转电路使模拟信号转换成数字信号。

本设计采用A/D转换器实现此过程。

本节介绍转化器基本常识和ICL7135芯片相关功能。

2.2.1转化器类型

A/D转换器（ADC）的作用是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。

随着超大规模集成电路技术的飞跃发展，现在有很多类型的A/D转换器芯片，不同的芯片内部结构不一样，转换原理也不仅相同，各种转换芯片根据转换原理可分为：

计数型A/D转换器，逐次逼近型A/D转换器，双重积分型A/D转换器，和并行式A/D转换器等，按转换方法可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器；按其分辨率分为4-16位转换器。

本设计选择的ICL7135芯片为双重积分型A/D转换器

双重积分型A/D转换器将输入电压先变成与其平均值成正比的时间间隔，然后再把此时间间隔转换成数字量，它属于间接型。

它的转换过程分采样和比较两个过程。

采样就是积分器对输入模拟电压进行固定时间积分，输入量越大，采样值越大。

比较就是用基准电压对积分器进行反向积分，直到值为零，由于基准电压固定，所以采样越大，反向积分时间越长，积分时间与输入电压成正比，最后把积分时间转换成数字量，则该数字量就为输入模拟量对应的数字量。

由于转换过程进行了两次积分，所以称为双重积分型。

，双重积分型A/D转换器的转换精度高，稳定性能好，抗干扰能力强，但转换速度慢。

2.2.2转换器主要性能：

A/D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A/D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。

分变率是指A/D转换器能分辨的最小输入量。

通常用转换的数字量的位数来表示，如8位，10位，12位，16位等。

位数越高，分辨率越高。

转换时间是指A/D完成一次转换需要的时间，指从启动转换器开始到转换结束并得到稳定数字量为止的时间。

一般而言，转换时间越短，转换速度越快。

量程是指所能转换的输入电压范畴。

转换精度分为绝对转换精度和相对转换精度。

绝对精度是指实际输入的模拟量与理论上模拟量之差。

相对精度是指当满刻度值校准后，任意数字量对应的实际模拟量（中间值）与理论值之差（中间值）。

2.2.3ICL7135芯片简绍

ICL7135为双积分A/D转换器，双积分A/D转换器[3]的特点是在一次测量过程中用同一积分器先后进行两次积分。

首先对被测电压Vi定时积分，然后对基准电压VREF定值积分。

通过两次积分的比较，将Vi变换成与之成正比的时间间隔，这种变换属于V—T变换。

（图2.2.2）为双积分A/D转换器基本结构：

在下图（2.2.3）中，我们可以看到，采样周期开始时，逻辑控制电路发出采样指令，使开关S1置于上端，把被测电压Vi接到积分器的输入端，这时开始积分，当输出电压Vo小于零，比较器输出从低电平跳到高电平，打开时钟输入控制门，开始计数（即计时）。

我们可以看到，当经过预定时间T1，即t=t2时，计数器溢出，使S1置于基准电压端，采样阶段结束，

积分器的电压充到Vom’。

t2开始为比较阶段，这时基准电压被接到积分器输入，开始反相积分，是输出电压Vo从Vom’开始线性下降。

同时，计数器继续计数，直到t=t3’时Vom’到零，比较器从高电平变到低电平，计数停止。

由于反相积分时Vo下降的斜率是常数，故Vo从Vom’下降到零的

时间T2’正比于Vom’，而Vom’有正比于输入电压，所以T2’正比于输

入电压Vi。

完成V—T的变换作用。

在常用的A/D转换芯片（如ADC-0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分A/D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。

本文介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机电压表和小型智能仪表的设计方案。

上面介绍了双积分的基本原理，下面我介绍ICL7135的一些管脚情况，有利于原理的叙述，其具体芯片介绍见