数字电压表.docx
《数字电压表.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电压表.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数字电压表
数字电压表
摘要
在现代先进的电子系统的前端和后端都将应用到A／D转换器，以改善数字处理技术的性能。
在各种A／D转换器中，逐次逼近型A／D转换器是采样率低于5Msps（每秒百万次采样）的中等至高等分辨率应用的常见结构。
由于逐次逼近型A／D转换器具有低功耗、小尺寸的特点，因此有很宽的应用范围。
本文设计的8位逐次逼近A／D转换器，采用了以D／A转换器、比较器和带隙基准模块为主体的结构，通过各个模块的优化设计，得到了可在4.5V-5.5V单电源电压下工作的中速、低功耗8位逐次逼近A／D转换器。
D／A转换器模块采用了扩展分辨率的方法，将电阻分压和电容分压相结合，得到了不同缩放方式的DAC组合，扩展D／A转换器分辨率，也提高了转换速度。
比较器模块采用了三级比较器通过电容耦合级联的方式来实现，具有高增益的特点，结果所设计的比较器既满足了高速比较的要求，又有效降低了功耗。
最后，在A／D转换器中基准电压模块也是一个很重要的组成部分，它直接关系A／D转换器的精度。
本文中自主设计的带隙基准电路具有很高的抗电源电压波动和抗温度变化的能力，温度在-50℃-100℃、电源电压在1.6V-9.7V范围内变化时能使输出保持在1.246V。
应用Cadencespectre采用CSMC0.6μmCMOSNwell工艺库对电路性能进行验证。
仿真结果表明，设计的高速比较器、带隙基准电路和D／A转换器满足8位A／D转换的要求。
Abstract
Inthefrontandtheendoftheadvancedelectronicssystems,analogtodigitalconverters（A/Dconverters）areappliedtoimprovetheperformanceofthedigitalprocessingtechnique.OfallkindsofA/Dconverters,successiveapproximation（SAR）A/Dconvertersarefrequentlythearchitectureofchoiceformedium-to-high-resolutionapplicationswithsampleratesunder5megasamplespersecond（Msps）.Becauseofprovidinglowpowerconsumptionaswellasasmallscalefactor,SARA/Dconvertershaveawidevarietyofapplications.A8-bitmediumspeed,lowpowerA/Ddesignedinthispaper,iscomposedofdigital-analog（D/A）converters,comparators,bandgapandsoon.Byoptimizingtheperformancesofeverymodule,itcanoperatewellfromfromasignal4.5Vto5.5Vpowersupply.InD/Acovertermodule,inordertoextendtheresolutionofD/Aconverter,thecombinationofdifferentlyscaledDACsisdesigned.AchargescalingD/Aconverterwithcapacitorvoltagedividerandresistancedividerisdesigned,whichextendstheresolutionofaparallelD/Aconverteraswellasimprovespeedrategreatly.Thecomparatorhasthecharacterofhighgainwiththestructureofthree-stagecoupledcapacitance,whichreducespowerconsumptionaswellassatisfiestherequirementofhighspeedcomparator.BandgapvoltagecircuitsisanimportantmoduleforA/Dconverter,whichaffectstheaccuracyofA/Dconverter.Thebandgapdesignedinthispaperhasthecapabilityofanti-fluctuationofpowersupplyandtemperature.Itcanworkfromasignal4.5Vto5.5Vpowersupplyandfrom-50℃to100℃temperatureandalwaysget1.246Voutputvoltage.ByusingtheCSMC0.6μmCMOSNwelltechnology,thecircuitsareverifiedincircumstancesofCadencespectrewithUnixoperatingsystem.Thesimulationshowsthatthehighspeedcomparator,theD/Aconverterandthebandgapmeettherequirementsofthe8-bitA/Dconverter,andtheSARA/Dconvertercanworkwell.
前言
数字电压表出现在50年代初，60年代末发起来的电压测量仪表，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。
这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。
所以，数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。
如今，数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。
因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。
而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域。
显示出强大的生命力。
数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。
继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。
随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。
而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一，二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达1NV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。
目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。
而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。
在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量。
其中，电压量的测量最为经常。
而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。
另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的。
第一章绪论
尽管单片机不断向纵深发展，但目前乃至今后若干年，8位机仍旧是实际应用中得主导产品。
MCS-51系列是目前8位单片机的主流机型，在实时控制、智能化仪表等方面应用最广。
因此，本设计将主要介绍MCS-51系列单片机。
MCS-51系列单片机以片内有无程序存储及存储的形式，分为3种基本产品：
8051,8751和8031。
随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快，智能化越来越高，应用范围也得到了极大的扩展。
在军事、娱乐、海洋开发、工农业生产、社会服务等各个领域。
在家庭方面，相关于电器方面都离不开电压表的使用。
在电子显示方面也采用电压表的测量。
数字电压表灵活多变的测量方式，使用方便。
特别是大型的电机，在使用安装、检测时必然所需要的。
是电压表的应用才使得电子、电气行业成为有方圆的规矩。
在国内外，为控制系统主要采用单片机作为控制核心。
因此，单片机的发展将有助于简单实用的电子产品的开发。
在设计中，采用比较先进的AT89C51单片机为控制核心，它的功能很强大。
与此同时单片机技术在社会各领域中得到了广泛的应用。
在直流数字电压表系统中，单片机更是取代了由齿轮调节延迟时间的表盘旧式市发展速度，成为日后此系统中得核心部分。
由于单片机具有一些突出的优点：
体积小、重量轻、电源单一、功能强、价格低；数据大都在单片机内部传送，运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高，所以单片机被广泛的应用于控制系统、数据采集、智能仪器仪表、机电一体化产品、智能接口、计算机通信以及单片机的多级系统等领域。
第二章总体方案
2.1方案选择
设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使数据的出来及显示的方式的多样性。
又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压做分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。
下面介绍两种数字电压表的设计方案。
方案一：
由数字电路芯片构建
这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。
其中，A/D转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。
模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定时序将A/D转换器中个组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。
A/D转换结果通过计数译码器电路变换成断码，最后驱动显示器显示出相应的数值。
此方案设计其优点是，设计成本低，能够满足一般的电压测量。
但设计不灵活，都是采用纯硬件电路。
很难将其在原有的基础上进行扩展。
方案二：
由单片机系统及A/D转换芯片构建
这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等得结合构建数字电压表。
由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。
此方案的原理是模数转换芯片的基准电压端，被测电压输入端分别输入基准电压和被测电压。
模数转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，是单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测电压的值。
最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定时序送入显示电路模块加以显示。
此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种方案设计不灵活，难与在原基础上进行功能扩展等不足。
2.2方案设计的基本思路
设计主要采用AT89C51单片机芯片和AD0804模/数转换芯片来完成一个建议的数字电压表，能够对输入的0V-5V的模拟直流电压进行测量，并通过LCD1602进行显示，测量误差约为0.02V。
设计电路主要通过AD0804芯片的VIN90（+）采样输入口输入0V-5V的模拟电压，产生相应的数字量经过其输出通道DB0-DB7传送给AT89C51芯片的P1口。
该电压表的测量电路主要由三个模块组成：
A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。
A/D转换主要由芯片AD0804来完成，它负责把采集到的模拟量转换成相应的数字量再传送到数据处理模块。
数据处理则由单片机芯片AT89成1来完成，其负责把AD0804传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示。
显示模块主要由液晶屏LCD1602来显示测量到的电压。
系统总体框图设计如图2-1所示：
图2-1系统总体框图
第三章硬件设计与分析
3.1常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU，内存，总线系统等。
而目前常用的单片机的8位有51系列单片机，AVR单片机，PIC单片机。
应用最广的8位单片机还是intel的51系列单片机。
51系列单片机的特点是：
硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，世界有许多芯片公司都买了51的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得芯片的运行速度变得更快，性价比更高。
AVR单片机是atmel公司推出较新的单片机，它的显著特点是：
高性能，低功能，高速度，指令单周期为主，但性格方面比51单片机要高。
有专门的I/O方向寄存器。
虽然有转强的驱动电压，但I/O口使用不比51单片机方便。
PIC单片机系列是美国微芯公司的产品，也是市面上增长最快的单片机之一，属精简指令集单片机，其特点是：
高速度，高性能，但在性格方面比51单片机要高，也有专门的I/O方向寄存器，I/O口使用不比51单片机方便。
综合以上各种单片机的基本性能及本设计的满足需要，我们将选择51系列单片机。
3.2AT89S52单片机性能简介
单片机采用MCS-51系列单片机。
由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。
AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
其芯片外观及引脚图3-1：
图3-1
1.引脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表3-1：
管脚
备选功能
P3.0RXD
（串行输入口）
P3.1TXD
（串行输出口）
P3.2/INT0
（外部中断0）
P3.3/INT1
（外部中断1）
P3.4T0
（记时器0外部输入）
P3.5T1
（记时器1外部输入）
P3.6/WR
（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD
（外部数据存储器读选通）
表3-1引脚功能表
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.3常用显示简介
本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。
1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。
1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。
使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。
它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。
LCD1602如图3-2所示：
图3-2LCD1602
LCD1602液晶模块引脚说明如表3-2所示：
引脚
符号
功能说明
1
GND
接地
2
Vcc
＋5V
3
VL
驱动LCD，一般将此脚接地
4
RS
寄存器选择0：
指令寄存器（WRITE）Busyflag,位址计数器（READ）1：
数据寄存器（WRITE,READ）
5
R/W
READ/WRITE选择1：
READ0：
WTITE
6
E
读写使能（下降沿使能）
7
DB0
低4位三态、双向数据总线
8
DB1
9
DB2
10
DB3
11
DB4
高4位三态、双向数据总线
另外DB7也是一个Busyflag
12
DB5
13
DB6
14
DB7
表3-2
寄存器选择，如表3-3所示：
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏幕…等）
0
1
读Busyflag（DB7）,以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
表3-3寄存器选择控制线操作
Busyflag（DB7）:
在此位未被清除为“0”时，LCD将无法再处理其他指令要求。
（1）显示地址：
内部地址计数器的计数地址：
SB7=0（DB0～DB6）第一行00、01、02……等，第二行40、41、42……等，可配合检测DB7=1（RS=0,R/W=1）读取目前显示字的地址，判断是否需要换行。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
00
01
02
03
04
05
06
07
40
41
42
43
44
45
46
47
表3-4LCD160116×1显示字的地址
（2）外部地址：
DB7=1,亦即80H＋内部计数地址，可以用此方式将字显示在某一位置。
LCD各地址列举如下表：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
80
81
82
83
84
85
86
87
C0
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
表3-5LCD160116×1显示字的外部地址
指令
说明
设置码
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
清除显示幕
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
光标回到原点
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
进入模式设定
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
显示幕ON/OFF
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
功能设定
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
字发生器地址设定
0
0
0
1
AGC
设置显示地址
0
0
0
1
ADD
忙碌标志位BF
0
0
1
BF
显示数据
升级会员 