【正文】 前言 第 1 頁(yè)（共 34 頁(yè)） 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 前言 伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，各種用電設(shè)備的增多，用電量越來(lái)越大，城市的供電設(shè)備經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，用電環(huán)境變得越來(lái)越惡劣，對(duì)電源的 “考驗(yàn) ”越來(lái)越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天，用電設(shè)備都要遭受 120 次左右各種的電源問(wèn)題的侵?jǐn)_，電子設(shè)備故障的 60%來(lái)自電源 [7]。因此，電源問(wèn)題的重要性日益凸顯出來(lái)。原先作為配角，資金投入較少的電源越來(lái)越受到廠(chǎng)商和研究人員的重視，電源技術(shù)遂發(fā)展成為一門(mén)嶄新的技術(shù)。 而今，小小的電源設(shè)備已經(jīng)融合了越來(lái)越多的新技術(shù)。例如開(kāi)關(guān)電源、硬開(kāi)關(guān)、軟開(kāi)關(guān)、參數(shù)穩(wěn)壓、線(xiàn)性反饋穩(wěn)壓、磁 放大器技術(shù)、數(shù)控調(diào)壓、 PWM、 SPWM、電磁兼容等等。實(shí)際需求直接推動(dòng)電源技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，為了自動(dòng)檢測(cè)和顯示電流，并在過(guò)流、過(guò)壓等危害情況發(fā)生時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)功能和更高級(jí)的智能控制，具有傳感檢測(cè)、傳感采樣、傳感保護(hù)的電源技術(shù)漸成趨勢(shì)，檢測(cè)電流或電壓的傳感器便應(yīng)運(yùn)而生并在我國(guó)開(kāi)始受到廣大電源設(shè)計(jì)者的青睞， 本文就是在這個(gè)背景下編著的 。數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 第 2頁(yè)（共 34頁(yè)） 第 1章 緒論 數(shù)字電壓表的基本工作原理是利用 A/D 轉(zhuǎn)換電路將待測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)換算后將測(cè)試結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來(lái)的一種電壓表。較之于一般的模擬電壓表，數(shù)字電壓表具 有精度高、測(cè)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀(guān)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 電壓表的數(shù)字化測(cè)量，關(guān)鍵在于如何把隨時(shí)連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，完成這種轉(zhuǎn)換的電路叫模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/D）。數(shù)字電壓表的核心部件就是 A/D 轉(zhuǎn)換器，由于各種不同的 A/D 轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成了各種不同類(lèi)型的 DVM。一般說(shuō)來(lái)， A/D 轉(zhuǎn)換的方式可分為兩類(lèi)：積分式和逐次逼近式。 積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器是先用積分器將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，再將其數(shù)字化。根據(jù)轉(zhuǎn)化的中間量不同，它又分為 UT（電壓 時(shí)間）式和 UF（電壓 頻率）式兩種。 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器分為比較式和斜坡 電壓式，根據(jù)不同的工作原理，比較式又分為逐次比較式及零平衡式等。斜坡電壓式又分為線(xiàn)性斜坡式和階梯斜坡式兩種。 在高精度數(shù)字電壓表中，常采用由積分式和比較式相結(jié)合起來(lái)的復(fù)合式 A/D 轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，以逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC080液晶顯示器 LCD1602 為主體，構(gòu)造了一款簡(jiǎn)易的數(shù)字電壓表，能夠測(cè)量 1 路 0～ 50V 直流電壓，最小分辨率 。 方案設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的方案較多，目前廣泛采用的是基于 74 系列邏輯器件方案，本設(shè)計(jì)將介紹基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的方案。 74 系列邏輯器件方案 采用雙積分電路 +液晶顯示器 +邏輯電路 +定時(shí)采樣電路 +數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)，被測(cè)電壓信號(hào)由信號(hào)輸入端加到測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)處理后送到后級(jí)電路。 單片機(jī)系統(tǒng)方案此方案采用輸入處理電路 +ADC0808+AT89C51+液晶顯示實(shí)現(xiàn)，被 測(cè)信 號(hào)由 ADC0808 模擬輸入端輸入，單片機(jī)采集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送出顯示。 第二章 方案選擇 方案選擇 量程轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì) 方案一 :考慮到 ADC0808 的八路模擬量輸入通道本質(zhì)上也是模擬開(kāi)關(guān) ,因此方案選擇 第 3 頁(yè)（共 34 頁(yè)） 可以利用其八個(gè)模擬通道中的三個(gè)作為量程轉(zhuǎn)換器 ,即根據(jù)通道對(duì)應(yīng)的電壓測(cè)量范 圍確定對(duì)應(yīng)的電壓發(fā)達(dá)倍數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的前置放大電路 . 方案二：選用模擬開(kāi)關(guān)芯片 4066 實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換。 4066 集成了 4 個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，每一路開(kāi)關(guān)都有一個(gè)控制端控制對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)的通斷。用單片機(jī)對(duì)控制端進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同量程的轉(zhuǎn)換。 方案三：利用手動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換。該方案可簡(jiǎn)化控制程序，減小系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，縮短反應(yīng)時(shí)間，不足之處在于操作麻煩。 終上所述：方案三所需元件少、成本低且易于實(shí)現(xiàn)，可選此方案。 顯示部分方案設(shè)計(jì) 方案一：用液晶 LCD1602 來(lái)顯示電壓讀數(shù)可進(jìn)行片選，實(shí)現(xiàn)液晶的動(dòng)態(tài)點(diǎn)亮。因?yàn)橹恍枰黄壕Ь涂梢酝瓿?現(xiàn)示工作，所以當(dāng)單片機(jī)控制前兩個(gè)控制端時(shí)，最高位控制端應(yīng)接地。用軟件作為液晶的驅(qū)動(dòng)顯示，且具體譯碼由軟件控制。 方案二：同方案一選 用 ADC0808 進(jìn)行片選，在譯碼驅(qū)動(dòng)部分選用液晶 LCD1602，用軟件譯碼。 終上所述：由于兩個(gè)方案都可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，但方案二設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)小、反應(yīng)速度較快，因此選擇此方案 。 方案論證 經(jīng)過(guò)以上方案設(shè)計(jì)，決定采用如圖 21 所示方案。 圖 21 系統(tǒng)框 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 第 4頁(yè)（共 34頁(yè)） 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制模塊的作用是為控制各單元電路的運(yùn)行并完成數(shù)據(jù)的換算或 處理，主要由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。 時(shí)鐘電路 單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)是由時(shí)鐘電路提供的，在單片機(jī)的 XTAL1 和 XYAL2 兩個(gè)管腳接一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路，電路中電容器 1C 和 2C 對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用，通常取 (30177。10)pF 石英晶體選擇 6MHz 或 12MHz 都可以。時(shí)鐘電路如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 圖 32 系統(tǒng)復(fù)位電路 復(fù)位電路 單片機(jī)的 RST 管腳為主機(jī)提供了一個(gè)外部復(fù)位信號(hào)輸入口。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時(shí)間為 2 個(gè)機(jī)器周期以上。單片機(jī)的復(fù)位方式可由手動(dòng)復(fù)位方式完成。電阻 、 電容器的參考值 1R =10KΩ、 1C =10uF、 hC =。復(fù)位電路如圖32 所示。 硬件設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè)（共 34 頁(yè)） 量程轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 電路選擇 圖 33 量程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 圖 34 衰減輸入電路 輸入電路的作用是把不同量程的被測(cè)電壓，規(guī)范到 A/D 轉(zhuǎn)換器所要求的電壓值。數(shù)字電壓表所采用的是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0808，它要求輸入電壓 0177。2V。本儀表設(shè)計(jì)的是 050V 電壓，靈敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰減器，如圖所示 9MΩ、 900KΩ、 90KΩ、和 10KΩ 電阻構(gòu)成 1/ 1/100、 1/1000 的衰減器。衰減輸入電路可由開(kāi)關(guān)來(lái)選擇不同的衰減率，從而切換檔位。 工作原理及換算關(guān)系 如上圖通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn)電壓 衰減測(cè)量的輸入阻抗約為 R R R6。 1 端 、 2 端單獨(dú)合上時(shí) ， Vout 的大小分別是 ： 1 腳單獨(dú)合上 Vout=Vin1 ； 2 腳單獨(dú)合上 Vout= Vin( R4+ R5+ R6)/(R3+ R4+ R5+ R6)。 由上式可以看出 ， Vout 在一定范圍時(shí)電阻網(wǎng)絡(luò)衰減程度越大其可輸入電壓 Vin。 量程調(diào)節(jié)，只要把 R5， R6的參數(shù)選好然后，由開(kāi)關(guān) 1 端、 2 斷選擇測(cè)量電壓輸出端即完成量程選定。 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器屬于直接型 A/D 轉(zhuǎn)換器，它能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出 的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過(guò)中間變量。主要由比較器、環(huán)形分配器、控制門(mén)、寄存器與 D/A 轉(zhuǎn)換器組成。 ADC0808簡(jiǎn)介 1． ADC0808 引腳功能 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 第 6頁(yè)（共 34頁(yè)） 2 1M S B21A DD B24A DD A25A DD C23V RE F ( + )12V RE F ( )16I N31I N42I N53I N64I N75S T A RT62 58E O C7O UT P UT E NA B LE9CLO C K10V C C112 220G ND132 7142 6152 8L S B172 4182 319I N228I N127I N026A L E22 圖 35 ADC0808引腳圖 IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入。 A、 B、 C： 3 位地址輸入， 2 個(gè)地址輸入端的不同組合選擇八路模擬量輸入。 ALE：地址鎖存啟動(dòng)信號(hào)，在 ALE 的上升沿，將 A、 B、 C 上的通道地址鎖存到內(nèi)部的地址鎖存器。 D0～ D7：八位數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果由這 8 根線(xiàn)傳送給單片機(jī)。 OE：允許輸出信號(hào)。當(dāng) OE=1 時(shí)，即為高電平，允許輸 出鎖存器輸出數(shù)據(jù)。 START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)輸入端， START 為正脈沖，其上升沿清除 ADC0808 的內(nèi)部的各寄存器，其下降沿啟動(dòng) A/D 開(kāi)始轉(zhuǎn)換。 EOC：轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，當(dāng) EOC 上升為高電平時(shí)，表明內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換已完成。 2． ADC0808 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0808 由八路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、D/A 轉(zhuǎn)換器、寄存器、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 36 所示。 硬件設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)（共 34 頁(yè)） 圖 36 ADC0808內(nèi)部結(jié)構(gòu) A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 集成摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0808 實(shí)現(xiàn)的 A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖 37 所示，被測(cè)信號(hào)由ADC0808 模擬輸入端輸入，完成 A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，經(jīng)相應(yīng)處理后送出顯示。 圖 37 ADC0808與單片機(jī)的連接 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì) 第 8頁(yè)（共 34頁(yè)）