数字电压表设计综述【文献综述】

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毕业论文文献综述通信工程数字电压表设计综述摘要：本文首先介绍了数字电压表的分类，重点阐述了各种数字电压表的工作原理，并总结了数字电压表目前常用的实现方案，且给出各种方案的系统结构图。最后给出全文总结和数字电压表的应用。关键词：数字电压表；分类；数字电路；单片机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。随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，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，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。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（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。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[1]。2数字电压表的分类以及工作原理数字电压表的种类有多种，分类方法也很多。按位数分有3位半、5位、8位；按测量速度分：高速、低速；按体积、重量分：袖珍式、便携式和台式。但通常是按A／D转换方式的不同将DVM分成两大类，一类是直接转换型，也称比较型；另一类是间接转换型，又称积分型，包括电压－时间变换（VT变换）和电压－频率变换（V-f变换）。其具体的工作原理如下。（1）逐次逼近比较型。逐次逼近比较型电压表是利用被测电压与不断递减的基准电压进行比较，通过比较最终获得被测电压值，然后送显示器显示的。虽然逐次比较需要一定时间，要经过若干个节拍才能完成，但只要加快节拍的速度，还是能在瞬间完成一次测量的。图1是逐次逼近比较型数字电压表的原理框图【2】【3】。 图1逐次逼近比较型数字电压表的原理框图（2）电压－时间变换型。所谓电压－时间变换型是指测量时将被测电压值转换为时间间隔△t，电压越大，△t越大，然后按△t大小控制定时脉冲进行计数，其计数值即为电压值【4】【5】。电压－时间变换型又称为V－T型或斜坡电压式，其原理框图如图2所示。控制器ST是电压表的指挥部，它每隔一定时间就发出一个启动脉冲，一方面利用启动脉冲打开控制门T，让等间隔的标准时间脉冲序列能通过控制门进入十进制计数器；另一方面启动脉冲触发斜坡电压发生器，使它开始产生一个直线上升的斜坡电压，在斜坡电压上升的过程中，斜坡电压不断与被测电压在电压比较器中进行比较，当斜坡电压等于被测电压Ux时，电压比较器即发出关门信号，将T门关闭。这时十进制计数器所保留的数就是T门从开启到关闭的时间间隔中，通过T门的标准时间脉冲的个数。被测电压Ux越大，斜坡电压从零上升到被测电压Ux，值所需要的时间、T门开启时间也越长，计数器所计数值也越大，利用数码显示器将计数器所计数值显示出来，所计的数就是通过T门的脉冲个数。适当选择标准脉冲发生器的重复频率和斜坡斜率，就能使通过T门的脉冲个数与被测电压值相等，显示器上便可以直接显示出被测电压值【6】。图2电压－时间变换型原理框图（3）电压－频率变换型。所谓电压－频率变换型是指测量时将被测电压值转换为频率值，然后用频率表显示出频率值，即能反映电压值的大小【7】。这种表又称为V－f型，图3为V－f型数字电压表原理框图。 图3V－f型数字电压表原理框图图中有两个振荡器，HO为固定频率振荡器，AO为可控频率振荡器。利用被测电压直接控制AO的输出电压频率，使被测电压越大，频率就越高，经混频器混频之后，输出的频率也越高；当被测电压为零时，让可控频率振荡器AO输出的频率等于HO的频率，经混频器混频之后，输出频率为零。这样就能通过可控频率振荡器，把被测电压值转换为频率值，然后通过计数显示出来。只要适当选择AO和HO的振荡频率，就能够使显示器读数直接等于被测电压值。相对而言逐次逼近比较型较容易实现，且较简单；电压－时间变换型数字电压表准确度也比较高。3数字电压表的实现方案概述（1）数字电路及芯片构建方案概述文献[七]利用数字电路及芯片设计的数字电压表一般又分为三位半和四位半，即分别有三位完整显示位和四位完整显示位，最高位都只显示0或者1。此类电压表组成框图见图4。图4数字芯片实现数字电压表的示例图该数字电压表主要由模拟电路与数字电路两大部分组成【7】【8】。 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。由图可见，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，按规定的时序将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电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。其中，核心部分的A/D转换芯片有ICL7107、ICL7135、CC7106、MC14433等可以选择【9】。（2）单片机方案概述目前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【10】。单片机方案所实现的数字电压表是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合聊构建数字电压表。其系统框图见图5。图5单片机实现数字电压表的构架图在该实现方案中，单片机的选型可以非常广泛，可采用的是Atmel公司生产的51系列，也可以采用其他公司的单片机。在设计中，单片机起着连接硬件电路与程序运行及存储数据的任务，一方面，它将A/D转换器、显示器和语音芯片等通过I/O口地址线和数据线连接起来；另一方面，它将用户下载的程序通过控制总线控制数据的输入输出，从而实现测量电压的功能。在该方案中，除了起关键作用的单片机外，另一个起核心作用的也是A/D转换芯片。其中，A/D转换器可选用的8位A/D，10位A/D或者更高位数的A/D，常用的有ADC0809等。当然位数越高，测量的准确度就越高。AD0809的IN口首先对模拟电压信号进行采集，然后START口启动A/D转换，当转换结束时，EOC口由低电平跳变为高电平，发出一个转换结束信号，用户通过程序设定的外部中断/INT1接收到此信号，作为中断请求源向CPU申请中断，使CPU读取转换结果，至此模拟信号就完成了一次转换【11】。4总结在现代电子科技的高速发展过程中，微型化、集成化、高密度化以及设备的高精度化已经成为一种长期的趋势，这就要求我们力求使用更精确的设备，其中当然包括测量工具。目前，各种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，显示出强大的生命力。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。 参考文献[1]万光毅，孙九安等. SoC单片机实验、实践与应用设计--基于C8051F系列[M]. 北京：北京航天航空大学出版社，2006，5.[2]潘琢金，施国君等. C8051F单片机应用解析[M]. 北京：北京航天航空大学出版社，2002，[3]Silicon Laboratories. C8051F0XX datasheet[M].http：//www.silicon.com.[4]教育部高等教育司.数字式交流毫伏表的研制.高等学校毕业设计指导手册.[5]苏家键/曹柏荣/汪志锋.模拟量输入输出接口技术.单片机原理及应用技术.[6]秦辉，李静，董蓓蓓.全自动数字万用表的设计[J].自动化与仪表,2010(01):14-17.[7]吴宁.语音数字万用表的单片机实现[J]. 淮南职业技术学院学报,2006(01): 82-84.[8]王西超.5位半台式数字万用表的研究与设计[D].西安电子科技大学, 2009.[9]谢自美.MC14433构成的31/2位数字电压表设计.电子线路设计*实验*测试.[10]周立功等编.单片机实验与实践.[11]吴国经/丁辉/杨文新.A/D转换电路与单片机的接口.单片机应用技术.[12]赵晓安.MCS-51单片机原理及应用.天津：天津大学出版社，2001.3.