毕业设计论文数字交流毫伏表的设计.docx
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毕业设计论文数字交流毫伏表的设计
毕业设计（论文）中文摘要
随着电子技术的不断发展，电子仪器的发展也是令人瞩目的。
总的来说，电子仪器有两个方向的发展趋势：
一是向多功能、多参数、高精度、高速度方面发展，另一个是向实用化、小型化、数字化、廉价的通用或单一用途方面发展。
对于数字式电压表来说，一方面趋向于合并于数字式万用表中，另一方面趋向于使用方便、小型廉价的单一用途电压表。
本次的毕业设计课题为数字交流毫伏表，其显著特点是测量范围宽，可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。
该电压表还具有在—定的测量范围内将量程自动选择在最佳位置的功能，从而可以快速、方便、准确地测量电压，在设计中我采用了模块化的设计方法，先将整机分为不同的功能模块，再设计实现局部功能的单元电路。
这样各单元电路的功能明确，之间的界限清楚，便于调试。
本文对输入通道的设计、反相放大器的设计、AC／DC转换部分的设计、量程自动转换电路的设计作了详细的介绍。
关键词：
数字交流毫伏表测量转换
毕业设计（论文）外文摘要
Title:
DigitalAcmVthedesigntable
ThedesignofdigitalACmVmeter
Abstract:
Withthecontinueddevelopmentofelectronictechnologies,thedevelopmentofelectronicequipmentisalsoimpressive.Overall,therearetwodirectionsofthedevelopmentofelectronicequipmenttrends:
First,themulti-purpose,multi-parameter,high-precision,high-speeddevelopmentandtheothertopracticaltechnology,miniaturization,digital,singleusecheapgenericordevelopment.Fordigitalvoltagetable,ontheotherhandtendtobecombinedinadigitalmicro-meter,ontheotherhandtendtobeuser-friendly,smallinexpensivesingle-usevoltagetable.Thisgraduationprojecttopicforadigitalexchangemicro-meter,itsremarkablecharacteristicissurveysthescopewidely,mayrealizethemeasuringrangeautomaticswitching,theoperationissimple,easytooperate.Thisvoltmeteralsohasinthesurveyscopewhichdecidesthemeasuringrangeautomaticselectioninthebest
positionfunction,thusmayfast,beconvenient,accuratelysurveythevoltage,Ihasusedthemodulardesignmethodinthedesign,firstputtinginordermachinewilldivideintothedifferentfunctionmodule,there-engineeringrealizationpartialfunctionunitelectriccircuit.Likethisvariousunitselectriccircuitfunctionisclearabout,thebetweenboundaryisclear,isadvantageousforthedebugging.Thisarticletoinputthechannelthedesign,theinvertingamplifierdesign,AC/DCtransformsthepartialdesigns,themeasuringrangeautomaticswitchingelectriccircuitdesignhasmadethedetailedintroduction.
Keywords:
Digitalexchangemicro-metermeasurementconversion
目录
1．引言···························································6
2.设计工具的简介·················································7
2.1主要设计工具的介绍··········································7
2.1.1PROTEL99简介···········································7
2.1.2绘制PCB时的注意事项···································7
3.工作原理·······················································9
3.1一般数字电压表的基本工作原理·································9
3.2本设计数字电压表的工作原理··································9
3.3单元电路的原理及设计········································10
3.3.1输入通道的设计·········································10
3.3.2反相放大器的设计·······································11
3.3.3AC/DC转换部分的设计····································12
3.3.4量程自动转换电路的设计·································14
4.整机的组装和调试···············································22
4.1整机的组装··················································22
4.2调试························································22
4.3校验························································22
4.4改进方案····················································23
结论······························································24
心得体会·························································24
致谢······························································25
参考文献··························································25
附录A····························································27
附录B····························································29
1引言
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，更需要测量弱电的电压，所以毫伏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、灵敏度和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式交流毫伏表就是基于这种需求而发展起来的。
随着电子技术的不断发展，电子仪器的发展也是令人瞩目的。
总的来说，电子仪器有两个方向的发展趋势：
一是向多功能、多参数、高精度、高速度方面发展，另一个是向实用化、小型化、数字化、廉价的通用或单一用途方面发展。
对于数字式电压表来说，一方面趋向于合并于数字式万用表中，另一方面趋向于使用方便、小型廉价的单一用途电压表。
本文所研制的数字式交流毫伏表的显著特点是测量范围宽，可测电压范围为500V以下，最大分辨率为0.01mV，且可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。
该电压表还具有在—定的测量范围内将量程自动选择在最佳位置的功能，从而可以快速、方便、准确地测量电压。
2设计工具的简介
2.1主要设计工具的介绍
2.1.1PROTEL99简介
本次毕业设计主要是印制电路板（简称PCB板）的设计，采用的是Protel99SE。
Protel软件以其易学易用而著称。
Protel99SE这套电路设计软件，主要包括四部分：
Schematic99SE、SIM99SE、PLD99SE、PCB99SE、PCB99CE。
除了上述四大部分之外，PROTEL99也提供了一些基本工具，如特别使用与电路设计的文字编辑器的工具，适用于电路数据管理的电子表格编辑器和统计图编辑器等工具。
2.1.2绘制PCB时的注意事项
1.布线方向
从焊接面看，组件的排列方位尽可能保持与原理图相一致布线方向最好与电路图走线一致。
布线方向最好与电路图走线方向一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样便于生产中的检查，调试以及检修。
2.各组件排列，分布要合理和均匀，力求整齐美观，结构严谨的工艺要求。
3.电阻的放置方式分为平放与竖放两种
（1）当电路组件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放。
（2）竖放：
放电路的组件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般上采用竖放。
4.电位器的放置原则
在稳压器中用来调输出电压，故设计电位器应满足顺时针输出电压升高，逆时针调节输出降低，在可调恒流充电器中电位器用来调节充电电流的大小，设计电位器是应满足顺时针调节时，电流增大。
电位器安放应当满足整体结构安装及面板布局的要求。
因此应尽可能放在边缘，旋转板朝外。
5.进出接线端布置合理
6.设计布线图是要注意管脚排列顺序，组件脚间距要合理。
7.在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线。
8.设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。
9.布线时，导线的宽度要定好尺寸，不能太粗和太细，导线间距要尽量统一适中，以防短路。
10.设计时。
在不违背原理的前提下可以从元件中调用其他元件替代本元件。
3工作原理
3.1一般数字电压表的基本工作原理
数字电压表是利用模拟—数字转换原理，将被测电压（模拟量）转换为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种电压测量仪器。
因此，对于一台数字电压表来讲，除了供电电源之外，一般均可分为模拟和数字两部分。
其原理框图如图3-1所示。
图3-1数字电压表的原理框图
A／D转换是数字电压表的核心，它将被测电压量（模拟量）转换成与之成比例的数字量。
数字电压表常用的A／D转换有两种方式：
一种是将模拟电压信号直接转换成二进制的数字量，这一般通过A／D转换器来完成；另一种是将模拟电压量转换成与之成比例的频率量，然后通过计数器测量出频率值，即可确定其电压值。
3.2本设计数字电压表的工作原理
同大多数数字式交流电压表一样，本表也分为模拟和数字两部分。
但由于本表具有量程自动转换功能，所以它又具有不同于一般电压表的特点。
本表的工作原理框图如图3-2所示。
输入电压信号ui经过输入通道进入放大器部分，经过放大之后，由AC／DC转换电路转换为与交流电压有效值相等的直流电压。
该直流电压经过V／F转换电路输出相应的频率量，然后计数器部分在秒脉冲的控制下进行计数测量，最后显示出读数，从而完成电压的测量。
量程自动转换控制电路根据AC／DC转换电路输出的直流电压值决定反相放大器的放大倍数。
这样，可以根据输入电压ui的大小改变放大器的放大倍数，从而使AC／DC转换电路输出的直流电压值符合V／F转换电路的输入电压范围。
这也是量程自动转换的实质。
工作原理框图中各部分的具体电路及工作原理将在下文中详细说明。
图3-2工作原理框图
3.3单元电路的原理及设计
3.3.1输入通道的设计
本电压表的输入通道分为高压（500V一5V）输入通道和低压（5V以下）输入通道。
通道的切换采用人工手动切换，其原理图如图3-3所示。
由图可见，输入通道由衰减器和跟随器两部分组成。
低压（5V以下）输入直接进入由运算放大器构成的跟随器，而高压（500V一5V）输入经过衰减器衰减后进入跟随器。
衰减器基本分为电阻式和电容式两种。
实际电路中，为了改善电路的性能，常采用阻容混合式衰减器，阻容串联或阻容并联均可。
在本仪表中为了消除电阻对地的杂散电容及分布电容的影响，采用了阻容并联式衰减器，如图3-3所示。
为了使衰减器的衰减倍数不因电压幅值和频率的变化而变化．阻容值应满足下列条件：
（Cl十C2）／C1=（R1十R2）／R2；即C1Rl＝C2R2。
该电压表需要衰减100倍的衰减器，故有（Cl十C2）／C1=（R1十R2）／R2＝100；且Rl十R2为高压输入通道内阻。
由此即可确定电阻、电容的值。
输入通道是利用跟随器来提高输入阻抗的，信号从运放的同相端输入，其理想的输入阻抗为∞，实际为几十兆欧。
跟随器的输出与输入波形相同且相位—致，使信号无畸变地送入测量电路。
图3-3输入通道
3.3.2反相放大器的设计
当较小的被测电压信号送入测量电路时，为了更精确地测量它，必须将信号放大。
这里用反相放大器，其电路如图3-4所示。
由反相放大器的放大倍数的幅值AU＝UO/UI=Rf/R可知，当R＝lkΩ时，根据KA1、KA2的通断，Rf分别取lkΩ、10kΩ、100kΩ时．则放大倍数分别等于1倍、10倍、100倍。
而量程电动切换正是利用输入电压的值控制继电器器KA1、KA2的通断，从而调整放大倍数进行准确测量的。
图3-4反相放大器
3.3.3AC／DC转换部分的设计
在测量交流信号时，交、直流转换是一个非常重要的环节，交、直流电压转换一般由整流电路和滤波电路构成。
整流电路一般有无源和有源两种。
其中无源整流电路由于二极管的非线性饱和区的存在影响测量精度。
而有源整流电路则可以消除二极管的非线性截止区的影响。
因此，本仪表中采用了有源全波整流，其电路如图3-5所示。
图3-5全波整流电路
当输入信号ui处于正半周时，D2截止，uo1为虚地，uo1≈0；当ui处于负半周时，D1截止，D2导通，形成负反馈。
此时uo1＝一（R2u1）／Rl，且二极管的非线性截止区不会影响输出。
Uo1的波形为半波整流波形。
U2和R3一R5构成反相加法器，若取R4＝2R3，则输出uo2＝一R5（uo1十u1／2）/R3，即正弦波同半波整流波形相加，形成全波整流输出。
电容C的作用是滤除高频干扰。
滤波电路一般也分为有源滤波和无源滤波。
为了提高精度，本仪表采用了二阶有源低通滤波器，其电路如图3-6所示。
图3-6二阶有源低通滤波器
对于输入的全波整流信号，低通滤波器的作用是滤除其中的交流成分，只让直流成分通过。
因此，将低通滤波器的截止频率定为2Hz。
3.3.4量程自动转换电路的设计
量程自动转换是实现精密仪器自动测量的重要组成部分，也是本仪表的核心控制部分。
本仪表采用的是模拟比较法量程自动转换。
模拟比较法量程自动转换电路是由模拟比较器、量程寄存器、量程开关和译码器组成，其原理框图如图3-7所示。
图3-7量程自动转换的原理框图
（1）模拟比较器
模拟比较器的作用主要是衡量输入信号ui是否处于预定的电压范围内。
当ui高于“超出基准”时，则能输出进位脉冲CPl；当U1低于“不足基准”时，则能输出退位脉冲CP。
模拟比较器由两个比较器和两个或门组成．如图3.13所示。
比较器由LM311构成，“超出基准”预定为5V，“不足基准”预定为0.5V。
如果输入信号UI超过5V，则比较器LM311
（1）输出低电平，脉冲CP通过“或”门输出CP+；当UI低于0.5V时，则比较器LM311
（2）输出低电平，脉冲CP通过“或”门输出CP-；：
当UI处于5V-0.5V之间时．则两个比较器均输出高电平，此时既没有CP+也没有CP-输出。
LM311有—个控制端S，当S＝1（高电平）时，比较器处于工作状态；当S＝0（低电平）时，比较器处于禁止状态，此时比较器输出为高电平。
因此，当“禁进”或“禁返”信号传送过来之后，比较器将处于禁止状态，由“禁进”或“禁返”信号来控制CP+或CP-的输出。
（2）量程的划分
由于低压输入通道有运算放大器组成的电压跟随器，受该电压取随器的限制，其输入电压有效值最高不得大于5V。
因此，仪表的基本量程定为5V一500mV，故比较器的上、下限电压相应为5V和0.5V。
根据比较器的上、下限电压，可将仪表的量程划分为五挡高压部分为两挡，低压部分为三挡，即
高压部分：
500V—50V
50V一5V
低压部分：
5V一500mV
500mV一50mV
50mV以下
高压输入通道输入的电压经过衰减器后衰减为5V以下的电压，即可进行低压测量。
因此，只需确定低压部分三个量程的对应放大倍数即可。
由前文可知，本仪表的反相放大部分有1倍、10倍和100倍三种放大倍数，而反相放大器的放大倍数Au与继电器KAl、KA2的通断有密切关系。
量程、放大倍数AU与继电器KAl、KA2状态的对应关系如表3-1所示。
表中0和1分别表示继电器的断开和闭合。
图3-8模拟比较器
表3-1状态的转换关系
量程
AU
KA2
KA1
5V~500mV
1
1
0
500mV~50mV
10
0
1
50mV以下
100
0
0
由此可见，量程的自动转换实际上可以归结为继电器KA1、KA2状态的转换。
（3）量程寄存器
量程寄存器是量程自动转换的核心部分，它的输入信号为CP+和CP-，而它的输出则控制
量程的转换。
根据前面的分析，量程的顺次转换可以表示为继电器KA1、KA2状态的不同组合，也就可以表示为两位二进制数的减、加计数。
因此，这里选用二进制可逆计数器74LSl93作为量程寄存器，其连接电路图如图3-9所示。
74LS193为异步二进制计数器，这里只利用它的加、减计数和QA、QB两个输出。
根据其功能，当CP+有脉冲输入，CP-为高电平时，其输出QA、QB进行二进制加计数；当CP+为高电平，CP-为脉冲输入时，其输出QA、QB进行二进制减计数；当CP+、CP-同为高电平时、其输出QA、QB保持不变。
比较器输入与量程寄存器的关系如表3-2所示。
图3-9量程寄存器
表3-2比较器输入与量程寄存器的关系
UI
CP+
CP-
量程转换
记数方式
＞5V
CP
1
升量程
加记数
＜0.5V
1
CP
降量程
减记数
0.5V~5V
1
1
不变
不记数
（4）量程开关
量程的切换是通过量程开关来实现的，本仪表的量程开关是继电器KAl、KA2。
通过继电器KAl、KA2可以使放大器的放大倍数发生变化，从面实现量程的转换。
从74LSl93输出的控制信号QA、QB为数字信号，为了用该信号控制继电器的通断，采用如图3-10所示的驱动电路。
图3-10继电器的驱动电路
继电器的线圈为感性负载，当晶体管关断时，二极管D起到为继电器的线圈续流的作用，从而保证驱动电路的正常工作。
由于继电器KA只需断开、闭合一条线路，故只需单触点继电器即可，这里选用HG4l00型。
（5）译码器
译码器的作用主要是根据量程的控制信号指示量程的位置，因此又称为量程指示器。
由于本仪表为数字显示，因此量程指示就体现为显示单位相小数点的变化。
换句话说就是译码器的输出决定了显示器的单位和小数点的变化。
由于高、低压量程的切换是手动的，因此要用—位数字信号来表示这一变化。
所以规定，当使用低压量程时，信号Qc为低电平0，当使用高压量程时，信号Qc为高电平1。
本仪表的显示为四位BCD码．单位可以采用伏（V）和毫伏（mV）两种。
量程和显示的关系如表3-3所示。
表3-3量程和显示的关系
量程
4位BCD显示
单位
500V~50V
4
9
9
9
V
50V~5V
4
9
9
9
V
5V~500mV
4
9
9
9
mV
500mV~50mV
4
9
9
9
mV
50mV以下
4
9
9
9
mV
单位和小数点均可以用数字信号的高低电平驱动发光二极管来表示。
当数字信号为高电平时，发光二极管亮；当数字信号为低电平时，发光二极管熄灭。
因此，单位和小数点的亮与熄灭可以用二进制数0和1来表示，可得逻辑真值表如表3-4所示。
表3-4逻辑真值表
量程
译码器输出
译码器输入
QC
QB
QA
第二位小数点S1
第一位小数点S2
V（S3）
mV（S4）
500V~50V
1
1
0
0
1
1
0
50V~5V
1
0
1
1
0
1
0
5V~500mV
0
1
0
0
0
0
1
500mV~50mV
0
0
1
0
1
0
1
50mV以下
0
0
0
1
0
0
1
由表3-4所示逻辑真值表可以写出译码器输入、输出的逻辑表达式为
第二位小数点
第一位小数点
V
mV
同时，译码器还需输出“禁进”、“禁运”信号。
当量程切换到最高挡500V~50V或5V~500mV时，若直流输出仍高于“超出基准”，则必须产生“禁进”信号。
同样，当量程处于最低挡50V~5V及50mV以下时，若直流输出仍低于“不足基准”，则必须产生“禁返”信号。
因此，可以得到如表3-5所示真值表。
表3-5真值表
量程
QC
QB
QA
禁进
禁返
500V~50V
1
1
0
1
0
50V~5V
1
0
1
0
1
5V~500mV
0
1
0
1
0
500mV~50mV
0
0
1
0
0
50mV以下
0
0
0
0
1
由表3-5可得如F逻辑表达式
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