智能数字电压表的设计.docx
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智能数字电压表的设计
本科毕业论文（设计）
题目智能数字电压表设计
学院工程技术学院
专业
年级____2009级_________
学号___
姓名____________
指导教师______
成绩_____________________
2013年5月1日
智能数字电压表设计
摘要：
本文在研究国内外有关智能仪器的基础上，采用单片机AT80C51作为的主控制器，设计了一款智能数字电压表。
该电压表可实现交直流电压的测量、完成量程的自动转换、结果的液晶显示、数据输出等功能。
本设计通过逐步分析各个子电路的原理及作用，并结合Proteus进行仿真，全面地叙述了该系统的工作原理及功能。
关键词：
单片机；电压表；智能；ICL7135；仿真
DESIGNOFINTELLIGENTDIGITALVOLTMETER
Abstract:
Inthepaper,onthebasisofstudyingofintelligentinstrumentathomeandabroad,aintelligentdigitalvoltmeterwhichadoptsAT80C51singlechipascontrolcoreisdesigned.MeasurementofACandDCvoltage,selectionrangeautomatically,displayingtheresultsonliquidcrystalanddateoutputisfulfilledbythemeter.Analyzingtheworktheoryandfunctionofeachchild-circuitstepbystep,simulationbyProteus,itsyntheticallydetailsthetheoryandfunctionofthisdesign.
Keyword:
singlechip;voltmeter;intelligent;simulation
0文献综述
0.1数字电压表的特点
数字电压表简称DVM（DigitalVoltmeter），在1952年由美国NLS公司首次从电位差计的自动化过程中研制成功。
50多年来，数字电压表有了不断的进步和提高。
DVM的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，现在已经广泛应用于电子、电工测量，自动化测试系统等领域,数字电压表已成为一种必不可少的测量仪器。
数字电压具有以下特点：
（1）显示清晰直观，读数准确
传统的指针式电压表必须借助与指针和刻度盘进行读数。
在读数过程中不可避免地会引入人误差。
而数字电压表则采用先进的数字显示技术，使显示结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的，不仅保证了读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读数和记录的时间。
为了提高清晰度，有的电压表采用字高为26mm的大屏幕LCD（液晶显示器），而且增加了背光源，以便夜间观察读数。
数字电压表在数显的基础上，还增加了显示各种标志符的功能。
这些标志符中包括测量项目符号（例如DC、AC），单位符号（mV、V、kV），特殊符号（如极性符号、电池低电压指示符、读数保持符），既便于读数，又对操作人员给予明显提示。
（2）显示位数
显示位数通常为2
位～8
个位。
具体讲，有2
位、3位、3
位、3
位、3
位、4位、4
位、4
位、5位、5
位、6位、6
位、7
位、8
位共14种。
国外最近还推出8
位和10
位数字仪表。
判定数字仪表的位数有两条原则：
①能显示从0～9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高位数字作分母。
例如，某数字仪表的员大显示值为土1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为3
位，读作三位半，其最高位只能显示0或1。
（3）准确度高
数字电压表的准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。
它表示测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小。
一般讲准确度愈高，测量误差愈小，反之亦然。
数字电压表的准确度远优于指针式电压表，指针式电压表的准确度只有7个等级：
0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。
普通3
位数字电压表的准确度已可达土0.1％，而4
位DVM为土0.01％。
（4）分辨力高
数字电压表在最低电压量程上末位1个字所对应的电压值，称作仪表的分辨力，它反映出仪表灵敏度的高低。
数字电压表的分辨力随显示位数的增加而提高。
例如，3
位DVM的最高分辨力为l00
V，4
位、5
位DVM分别为10
V、1
V。
7
位、8
位的最高分辨力依次为10nV，1nV。
数字电压表的分辨力指标也可用分辨率表示。
分辨率是指能显示的最小数字（零除外）与大数字之比，通常用百分数表示。
例如，3
各位DVM的分辨率为
≈0.05％。
同理可计算出，4
位和5
位DVM的分辨率依次为0.005％、0.0005％。
需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的概念。
前者表征仪表的“灵敏性”，即对微小电压的“识别”能力；后者反映测量的“准确性”，即测量结果与真值的一致程度。
二者无必然的联系，因此不能混为一谈，更不得将分辨力（或分辨率）误以为是类似于准确度的一项指标。
实际上分辨力仅与仪表的显示位数有关，而准确度则取决于A/D转换器、功能转换器的综合误差以及量化误差。
从测量角度看，分辨力是“虚”指标（与测量误差无关），准确度才是“实”指标（它决定测量误差的大小）。
因此，任意增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的。
原因就在于这样达到的高分辨力指标将失去意义。
换言之，从设计数字电压表的角度看，分辨力应受到准确度的制约，有多高的准确度，才有与之相适应的分辨力。
（5）测量范围宽
多量程数字电压表通常可测0～1000V的直流电压，配上高压探头还可测量几千伏乃至上万伏的高压。
（6）扩展能力强
在数字电压表的基础上，还可以扩展成各种专用及通用数字仪表、数字多用表。
仅以电压类型的仪表为例，就可划分成直流数字电压表、交流数字电压表、峰值数字电压表、真有效值数字电压表、数字电平表、逻辑电平测试仪等等。
（7）测量速率快
数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/s”。
它主要取决于A/D转换器的转换速率。
也有的DVM用测量周期来表示测量的快慢。
完成一次测量过程所用的时间叫测量周期，它与测量速率成倒数关系。
3
位、4
位DVM的测量速率一般在10次/s以下。
5
位～8
位DVM一般在几十次/s左右，有些能达到几百甚至上千次/s。
目前，数字电压表的最高测量速率已达到10万次/s。
（8）输入阻抗高
数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10M
～l000M
。
最高可达106M
。
这样在测量时从被测电路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，由此可减小由信号源内阻带来的附加误差。
（9）集成度高、微功耗
手持式数字电压表采用单片A/D转换器，外围电路比较简单，只需要少量辅助芯片和外围元器件。
新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。
3
位、4
位手持式数字电压表的整机功耗仅为几十毫瓦，5
位～8
位数字电压表的总功耗一般也只有几瓦至几十瓦。
（10）抗干扰能力强
噪声干扰大致分两类。
—类是串模干扰，干扰电压与被测信号串联后加至仪表的输入端另一类是共模干扰。
干扰电压同时加于仪表的两个输入端。
衡量仪表抗干扰能力的技术指标也有两个：
串模抑制比（SMRR）和共模抑制比（CMRR）。
5
位以下的数字电压表大多采用双积分式或多重积分式A/D转换器，只要采样时间（即正向积分时间）等于串模信号周期的整倍数，就能有效地抑制串模干扰。
这是因为串模干扰电压在正向积分阶段被平均掉的缘故。
中、低档数字电压表的共模抑制比可达80～120dB．
SMRR可达100dB左右。
高档数字电压表大多采用数字滤波和浮地保护等技术，进一步提高了抗干扰能力，其CMIRR可达l00～180dB，SMRR为l00dB左右。
0.2电压表发展历程
（1）模拟式电压表。
模拟式电压表的基本结构是电磁式和力学式，电压表基于电磁测量原理和力学转换原理并用指针来显示最终的测量结果。
（2）数字电压表。
DVM的基本原理是将待测的模拟信号转换成数字信号后进行测量，并将测量结果以数字形式进行显示与输出。
（3）智能数字电压表。
智能DVM是指能在计算机的控制下，通过各种测量传感器将被测信号转换成电压或电流信号，再经A/D转换器转换为数字量送入计算机进行计算与处理，并根据实际要求进行各种操作的智能仪器。
0.3智能数字电压表的特点
智能DVM的出现，极大地扩充数字电压表应用范围，它广泛应用于国民经济的各个部门，不但在国防技术、航空、航天、铁路、冶金、化工等产业，对国民经济建设有着巨大的影响。
智能数字电压表除了具有普通数字电压表的技术指标外，还具有以下特点：
（1）智能DVM实用键盘代替传统仪器的旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再互相限制，可完全独立地进行，明显改善了仪器前面板及有关功能部件结构的设计，这样既有利于提高数字电压的技术指标也方便了操作。
（2）微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。
智能DVM利用微处理器的运算和逻辑判断能力，可以按一定的算法方便地消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所引起的误差，因而提高了仪器的测量精度。
智能DVM除了测量功能外还有很强的数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。
而且由于采用了微处理器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。
例如，传统的数字电压表只能测量交直流电压，而智能数电压表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，让用户从繁重的数据处理中解放出来。
（3）智能DVM运用微处理器的控制功能，可以实现自动化测量。
仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。
（4）智能DVM具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。
智能数字电压能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。
这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。
（5）智能DVM具有友好的人机对话能力。
操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。
与此同时，智能DVM还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。
0.4国内外发展特点
国外智能仪器的发展特点：
（1）新技术的应用，普遍采用EDA（电子设计自动化）、CAM（计算机辅助设计）、CAT（计算机辅助测试）、DSP（数字信号处理）、ASIC（专用集成电路）及SMT（表面贴装技术）等。
（2）产品结构变化注重性能价格比，在重视高档仪器开发的同时注重高新技术和量大面广产品的开发和生产。
注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统和产品软件化。
随着各类仪器装上中央处理器CPU，实现数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。
（3）产品的开发准则发生了质变从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精转为“恰到好处”。
开发成功产品的准则是用户在明确的要求，能用最短的开发时间投放市场，功能和性能要恰到好处。
产品开发准则的另一变化是收缩方向，集中优势。
（4）生产技术注重专业生产自动化。
生产线是一个集生产、测试、统计、分析、打印、包装为一体的系统。
数字电压表是在20世纪60年代问世的。
我国的数字电压表工业起步于20世纪70年代中期，先后经历了引进、发展、技术创新这3个阶段。
近年来，我国的仪器仪表需求量剧增，是发展最快的国家之一，在发展中国家行列，我国是仪器仪表行业最大最齐全、综合实力最强的一个国家。
一些中低档产品已具有规模优势和国际市场竞争力。
目前，我国数字万用表的产量已经跃居世界首位，每年生产近千万台（块）中、低档数字万用表，并向100多个国家大量出口，占世界中、低档数字万用表总产量的85%以上，但目前我国所需要的高档数字万用表以进口产品为主。
0.5智能仪器发展趋势
（1）微型化
微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。
它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。
（2）多功能化
多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。
例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。
这种多功能的综合型产品不但在性能上如准确度比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。
（3）人工智能化
人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。
智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉图形及色彩辨读、听觉语音识别及语言领悟、思维推理、判断、学习与联想等方面具有一定的能力。
（4）网络化
伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。
（5）虚拟仪器
测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。
在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。
因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。
这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器。
在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。
可见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”。
1引言
在电气测量中，电压是一个很重要的参数。
如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是仪器研究的内容之一。
数字电压表是通用仪器中使用较广泛的一种测试仪器，很多电量或非电量经变化后都用可数字电压表完成测试。
因此，数字电压表被广泛地应用于科研和生产测试中。
作为电子测量工具，电压表的要求也越来越高，传统的数字电压表不仅使用不方便，而且测量的精度也往往达不到要求。
在现代电子科技的高速发展过程中，智能化已经成为一种趋势，电压表也不例外。
本设计利用单片机系统结合A/D采集芯片，能够自动进行量程选择，并且测量结果能够通过大屏幕LCD显示，并且具有自检、自动调零等功能，利用软件的一系列算法，提高测量精度，测量时使用方便，携带也方便，符合科技潮流的发展，具有一定的智能性。
本文将就这一系统的硬件电路部分和软件程序部分分别作以介绍。
2整体设计
2.1整体构造
智能数字电压整体构造如图2-1所示，采用单片机作为主处理器，系统主要由信号采集、A/D转换、显示、USB通信等几个功能模块组成，由单片机控制各个模块的功能。
微处理器选用AT80C51，该单片机体积小、功能全、价格低，它自身就是一个完备的计算机，内含32个I/O口，时钟电路，ROM，RAM，有强大的指令控制功能，非常适合用于智能仪器。
图2-1系统整体构造图
Fig.2-1completesystemstructure
2.2主要功能
（1）测量电压≤1000V；
（2）自动量程；
（3）交直流自动识别；
（4）交流电压真有效值测量；
（5）中文显示；
（6）操作提示；
（7）故障自诊断；
（8）USB接口输出。
3智能数字电压表的硬件设计
3.1量程自动转换电路
量程自动转换是继电器开关在单片机的控制下，形成不同的通断组合，从而形成不同的量程，控制原理如图3-1-1所示。
图3-1-1自动量程原理图
Fig.3-1-1principleofselectionrangeautomatically
量程的自动转换首先从最高量程开始，利用单片机得到的测量值来判定档位是否合适。
如果最高量程有超量程现象，则立刻断开输入端，起保护仪器的作用，并作超量程处理，如果欠量程，则逐一用低量程测量，直到找到适合的量程，量程自动转换过程如图3-1-2所示。
图3-1-2量程自动转换过程
Fig.3-1-2processofselectionrangeautomatically
自动量程电路主要由精密电阻，继电器开关及运算放大器组成，由单片机控制，如图3-1-3所示。
图3-1-3输入电路
Fig.3-1-3inputcircuit
为了防止在测量时发生跳数现象,例如量程设计为1V～10V，10V～100V时，当被测电压在10V上下波动时，将导致微处理器对继电器开关的控制产生混乱。
所以在量程设计时要有一定得重叠范围，并且满足A/D转换器2V量程的要求，经计算，量程设定为：
0～0.12V，0.1V～1.2V，1V～12V，10V～120V，100V～1000V共五个档位。
1.100V～1000V量程
继电器开关RL6导通，输入电压经电阻分压后输出，在这个状态下最大输出电压为Umax=1000×
=1V。
2.10V～120V量程
继电器开关RL5导通，在这个状态下最大输出电压为Umax=120×
=1.2V。
3.1V～12V量程
继电器开关RL4导通，在这个状态下最大输出电压为Umax=12×
=1.2V。
4.0.1V～1.2V量程
继电器开关RL3导通，在这个状态下最大输出电压为Umax=1.20×1=1.2V。
5.0～0.12V量程
继电器开关RL1，RL2，RL3导通，输入电压被放大10倍后输出，在这个状态下最大输出电压为Umax=0.12×10=1.2V。
在使用继电器开关时应注意，因为单片机输出口的电流很小，无法驱动继电器，所以在继电器输入端应该接一个PNP三极管，用来放大电流，驱动继电器工作。
而为了保护此三极管的正常工作，还应加上一个二极管来保护三极管不被过流击穿，此二极管在实际应用中非常重要。
继电器使用如图3-1-4所示。
图3-1-4继电器的使用
Fig.3-1-4theuseofrelay
3.2自动零点调整电路
如图3-1-3所示，在测量前，单片机控制继电器RL8接通，仪器的输入端接地，启动一次测量，将测量Uos结果存入单片机中，这个值就是衰减器，放大器,A/D转换器等部件的零点偏移量。
这个零点偏移量很小，因此选择0～0.12V量程来测量。
然后将继电器释放，测量被测信号，此时的测量值Uox是实际的测量值和Uos之和，单片机在处理数据时，用Uox减去Uos，这时所得到的计算值就是被测信号的实际值，再加以显示，这样就有效地消除了硬件电路零点漂移对测量结果的影响。
3.3交流/直流自动转换电路
普通数字电压表必须依靠手动操作，才能完成交流/直流转换，从AC档→到DC档，或由DC档→AC档，但到而采用了单片机后，可以给数字电压表增加AC/DC自动转换功能，使操作更为方便。
自动转换电路如图3-4-1所示，该电路包含三部分：
1.电压放大器；2.隔直电路；3.整流电路。
图3-3-1交流/直流自动转换
Fig.3-3-1ACorDVselectionautomatically
输入端接的是经输入电路处理后输出的电压，当输入端为交流电压时，由IC1进行电压放大后，经电容C1耦合到IC2，二极管组成桥式整流电路。
整流后的电压使三极管Q1导通，FC变为低电平，仪表自动转换为交流电压测量模式。
当输入的为直流电压，就被电容C1隔断，此时整流电路器输出为零，由于FC端接有上拉电阻，这时FC=1（高电平），仪表自动转入直流电压测量模式。
3.4真有效值电路
目前，普通数字表在测量交流电压时大多采用平均值原理，只能测量不失真的正弦波的有效值，故受到波形失真度的限制而影响测量准确度和使用范围。
真有效值数字仪表可以测量任何复杂波形，而不必考虑波形种类和失真度的优势以及测量准确度高、频带范围宽、响应速度快的优点而得到广泛推广。
在智能数字电压表设计中，为了提高测量准确度、稳定性、改善线性、提高频率响应特性，本文采用高精度AD736芯片作为真有效值转换器。
3.4.1AD736简介
AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。
其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA。
AD736采用双列直插式8脚封装，其管脚排列如图3-4-1所示：
图3-4-1AD736芯片
Fig.3-4-1AD736chip
各管脚的功能如下：
+VS：
正电源端，电压范围为2.8～16.5V；
-VS：
负电源端，电压范围为-3.2～-16.5V；
CC：
低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（≤200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为10～20μF。
当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；
VIN：
高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10MΩ，以减少对被测电压的分流。
该端有两种工作方式可选择：
第一种为输出AC+DC方式。
该方式将1脚（CC）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。
该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。
COM：
公共端；
Vo：
输出端；
CF：
输出端滤波电容，一般取10μF；
CAV：
平均电容。
它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。
其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。
多数情况下可选33μF。
3.4.2真有效值电路图
由于AD736转换的电压不能超过200mV，而经输入电路后的电压最高为1.2V，因此必须经分压后才能进行真有效值转换，电路图3-4-2如图所示。
图3-4-2真有效值电路
Fig.3-4-2circuitofRSM
3.5A/D转换电路
3.5.1A/D转换器的选型依据
A/D转换器的种类繁多，用于智能仪器设计的A/D转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式和改进型四类。
逐次逼近式A/D转换器的转换时间和转换精度比较适中，转换时间一般在
s级，转换精度一般在0.1%上下，适用于一般场合。
积分式A/D转换器的核心部件是积分器，因此速度慢，其转换时间一般在ms及或更长。
但抗干扰性能强，转换精度可达0.01%或更高。
适合在数字电压表类仪器中采用。
并行式又称闪烁式，由于采用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换时间可达ns级，但抗干扰能力较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。
这类A/D转换器可用于数字示波器等转换要求较快的仪器中。
改进型为满足某种搞性能指标而改进或复合而成的，主要用于以高精度数字电压表为基础的智能
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