第三章 結(jié)果與討論

1、第三章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 電壓測(cè)量電路如圖3.2.1所示，被測(cè)電壓（0-200V）從DC V端輸入，通過(guò)單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)CD4052選擇相應(yīng)的量程，將被測(cè)電壓值衰減到0-200mV，然后在經(jīng)過(guò)由精密運(yùn)算放大器OP07組成的放大電路，將電壓值放大10倍后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的Vin端。分壓電阻采用誤差為0.5%的精密金屬膜電阻。圖3.2.1 直流電壓測(cè)量電路在實(shí)踐中采用該方案時(shí)，若輸入信號(hào)小于正5伏，結(jié)果正確，但是當(dāng)輸入信號(hào)大于正5伏時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)CD4052和集成運(yùn)放OP07CP均工作不正常。向老師請(qǐng)教后，得知該方案中，輸入信號(hào)不經(jīng)過(guò)任何衰竭直接加在模擬開(kāi)關(guān)的1腳，使模擬開(kāi)關(guān)處于

2、不受保護(hù)的狀態(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，可能會(huì)使模擬開(kāi)關(guān)工作不正常，甚至燒毀模擬開(kāi)關(guān),且模擬開(kāi)關(guān)與運(yùn)放直接相連，導(dǎo)致運(yùn)放處于不受保護(hù)的工作狀態(tài)。為了解決這些問(wèn)題，我修改了設(shè)計(jì)電路。如下圖3.2.2所示，該電路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)100千歐的電阻，從集成運(yùn)放的反相輸入端輸入，由電阻、模擬開(kāi)關(guān)和運(yùn)放組成放大倍數(shù)可調(diào)的比例電路，并且這個(gè)100千歐的電阻還可以起到限流的作用，成功的解決了原電路的弊端。實(shí)踐證明，該電路可以達(dá)到任務(wù)書的要求。圖3.2.2 改進(jìn)后的直流電壓測(cè)量電路3.2 直流與交流的轉(zhuǎn)換電路方案一：半波整流電路。利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以很容易的得到直流電壓，且能滿足設(shè)計(jì)要求。方案二：采用真有效值

3、轉(zhuǎn)換芯片,性能參數(shù)方面也都能滿足設(shè)計(jì)要求,并且還能測(cè)量非正弦波，但一般真有效值轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格比較貴。鑒于此，故采用方案一。如圖3.3所示,這個(gè)電路是利用低漂移單運(yùn)算放大器TL062與二極管D1 1N4148組成平均值響應(yīng)的線性半波整流電路。該電路可避免二極管在小信號(hào)整理時(shí)所引起的非線性誤差，使交流/直流轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓與輸出電壓成線性關(guān)系，適合測(cè)量40-400Hz的正弦電壓，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于1%。圖3.3 交流/直流轉(zhuǎn)換電路圖3.3 電阻與電壓的轉(zhuǎn)換電路方案一：利用運(yùn)算放大器采用反相比例運(yùn)算的方法進(jìn)行測(cè)量。該方法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，且能滿足設(shè)計(jì)要求。方案二：采用分壓原理，利用流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻R0和被測(cè)電阻

4、Rx的電流基本相等來(lái)得到電壓與電阻的關(guān)系，但當(dāng)電阻很小時(shí)電流過(guò)大。鑒于此，故采用方案一。如圖3.5所示。穩(wěn)壓二極管1N4730A的穩(wěn)壓值為3.9V（即B點(diǎn)處電壓值），采用運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算的方法，將B點(diǎn)處的電壓值衰減到2V（即A點(diǎn)處電壓值），單片機(jī)通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)MAX4618（超低導(dǎo)通電阻）選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)參照電阻R1 ，再利用運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算的方法，將被測(cè)電阻RX的阻值轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電壓量，輸入A/D轉(zhuǎn)換電路。電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路的計(jì)算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1* Uin/ UA。圖3.5 電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對(duì)

5、測(cè)量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測(cè)量電路性能。所以我依據(jù)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求，并綜合A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)和價(jià)格選擇了ICL7106和MC14433這兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器作為候選芯片。ICL7106的輸入阻抗為1010，轉(zhuǎn)換速率為0.1-15次/s，轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度為0.05%1個(gè)字；MC14433的輸入阻抗為109，轉(zhuǎn)換速率為3-10次/s，轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度為0.05%1個(gè)字，因此這兩塊芯片的性能指標(biāo)大大超過(guò)設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)。由于以上我們經(jīng)過(guò)論證，MC14433為更好的選擇，所以我們選用MC14433作為我們的A/D轉(zhuǎn)換芯片。MC14433是美國(guó)摩托羅拉（Motorola）公司生產(chǎn)的COMS單片3 1/2位A

6、/D轉(zhuǎn)換器，也是目前國(guó)內(nèi)外數(shù)字式多用表中普遍采用的一種芯片。MC14433的主要特點(diǎn)：（1） 工作電壓為4.5-8V。一般選典型值5V，工作電流小于2mA，功耗為8mW。（2） 輸入阻抗為109，轉(zhuǎn)換速率為3-10次/s，轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度為0.05%1個(gè)字。（3） 采用CMOS工藝制成的大規(guī)模集成電路(LSI)。（4） 芯片內(nèi)部設(shè)有時(shí)鐘振蕩器，使用時(shí)僅需外接一只振蕩電阻。亦可采用外部時(shí)鐘輸入方式，時(shí)鐘頻率范圍大約為48kHz-160kHz。（5） 有多路調(diào)制的BCD碼輸出，可直接配微型計(jì)算機(jī)或打印機(jī)。（6） 具有超量程、欠量程指示信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。（7） 能增加讀數(shù)保持功能。（8） 采用動(dòng)

7、態(tài)掃描顯示方式。如圖3.1所示,MC1403提供輸出可調(diào)基準(zhǔn)電壓Vref（大小為2V），被測(cè)信號(hào)（0-2V的直流電壓）從MC14433的Vin引腳輸入A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，每次當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，MC14433的EOC引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平脈沖送給單片機(jī)，然后單片機(jī)會(huì)對(duì)MC14433的DS1-DS4引腳進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，讀取MC14433的Q0-Q3引腳的數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)理論推導(dǎo)：雙積分過(guò)程可以由下面的式子表示：因?yàn)?，故，式?4000，是定時(shí)時(shí)間，是變時(shí)間，由確定斜率，若用時(shí)鐘脈沖數(shù)N來(lái)表示時(shí)間，則被測(cè)電壓就轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。 的參數(shù)計(jì)算： （式1）式中為積分電容上

8、充電電壓具有自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)轉(zhuǎn)換極性功能。幅度，=，且=0.5V， =4000。假定=0.1，=5V，=66kHz。當(dāng)=2V時(shí)，代入式1，可得=480 ，取標(biāo)稱值470。3.5 電壓與電流的轉(zhuǎn)換電路圖3.4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖如圖3.4所示，普通模擬開(kāi)關(guān)可以通過(guò)的電流很微小，所以通過(guò)單片機(jī)控制繼電器來(lái)控制線路導(dǎo)通斷開(kāi)，將被測(cè)電流信號(hào)（0-500mA）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)（0-200mV），然后經(jīng)過(guò)OP07將信號(hào)放大10倍，最后輸入A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的Vin端。1A/250V的熔絲管FU為限流保護(hù)電路，兩個(gè)二極管1N4007構(gòu)成保護(hù)為過(guò)壓保護(hù)電路。阻值為90、9的電阻采用誤差為0.5%的

9、精密金屬膜電阻，而阻值為0.4、0.6的電阻通過(guò)的電流很大必須采用誤差為0.5%的精密繞線電阻。3.6 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路方案一：采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)單片機(jī)讀取MC14433的數(shù)字信號(hào)來(lái)控制模擬開(kāi)關(guān)，從而改變反饋電阻的大小實(shí)現(xiàn)檔位的不同選擇，能夠很容易滿足測(cè)量范圍的要求。此方案是電路比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)也較容易。方案二：采用硬件實(shí)現(xiàn)。電路的核心是一塊雙向移位寄存器CC40194，移位方向由MC14433過(guò)量程信號(hào)控制，并且還要外接一些數(shù)字電路才能實(shí)現(xiàn)換檔，電路比較復(fù)雜，不方便。鑒于此，故采用此方案一。3.7 單片機(jī)與顯示電路AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes

10、 ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串

11、行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 如圖3.6所示，單片機(jī)采用12MHz時(shí)鐘晶振，LED顯示電路采用共陽(yáng)極動(dòng)態(tài)法連接，占有I/O接口少，連線較簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)K1為功能選擇開(kāi)關(guān)，K2為量程選擇開(kāi)關(guān)，K3為選擇確認(rèn)開(kāi)關(guān)（在讀數(shù)顯示時(shí)，K3為數(shù)據(jù)顯示與單位顯示切換開(kāi)關(guān)）。P3.1-P3.5為模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。開(kāi)機(jī)自動(dòng)復(fù)位。圖3.6 單片機(jī)控制與顯示電路圖第4章 數(shù)字萬(wàn)用表的軟件設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖程序的主要功能：1、 直流電壓、交流電壓、直流電流和電阻測(cè)量對(duì)象切換功能；2、 手動(dòng)量程和自動(dòng)量程功能（超量程和欠量程判斷）；3、 超量程指示功能；4、 數(shù)據(jù)顯示功能（十進(jìn)制數(shù)字形式，無(wú)效位消隱

12、，小數(shù)點(diǎn)控制）；5、 單位顯示功能(正負(fù)極,數(shù)據(jù)單位)。圖4.1 程序流程圖4.2 程序源代碼 見(jiàn)附錄B。第5章智能型數(shù)字式多用表系統(tǒng)測(cè)試5.1 直流電壓測(cè)試測(cè)試方案：通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)選擇直流電壓檔，由直流穩(wěn)壓源提供電壓進(jìn)行測(cè)量，然后由單片機(jī)顯示輸出。檔 位輸入電壓實(shí)際電壓誤差(%)200mV50 mV50.4 mV0.84100 mV100.7 mV0.782 V0.5 V0.501 V0.231 V1.003 V0.2620 V5 V5.02 V0.3110 V10.03 V0.25200V50 V50.1 V0.24100 V100.2 V0.23結(jié)果分析：測(cè)量誤差大部分在-0.2%+0.2

13、%范圍內(nèi)，在200mV檔測(cè)量時(shí)，由于沒(méi)有精密電阻，實(shí)踐所用1M歐電阻誤差較大，所以誤差較大。測(cè)量結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。5.2 交流電壓測(cè)試測(cè)試方案：通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)選擇交流電壓檔，由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供一個(gè)50赫茲左右的正弦交流電壓，輸入到交流端進(jìn)行測(cè)量。檔 位輸入電壓實(shí)際電壓誤差(%)200mV50mV50.7 mV1.31100mV101.3 mV1.322 V0.5V0.504 V0.891.0V1.008 V0.7820 V5.0V5.04 V0.8410.V10.09 V0.86輸入電壓頻率為:50Hz結(jié)果分析：交流電壓：0.220V ，誤差2 %2個(gè)字，滿足任務(wù)書的精度要求。5.3 直流電流測(cè)試測(cè)試方案：通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)選擇直流電流檔，由于實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有直流電流源，我采用正5伏的穩(wěn)壓源，串聯(lián)不同的電阻來(lái)提供不同的待測(cè)電流。該電流的理論值，由電壓與電阻的比值計(jì)算得到。檔 位輸入電流實(shí)際電流誤差(%)2mA0.5mA0.508 mA1.611mA1.017 mA1.6820mA5mA5.07 mA1.3410mA10.15 mA1.46結(jié)果分析：直流電流：020mA ，誤差2 %2個(gè)字，滿足任務(wù)書的精度要求。因?qū)嶒?yàn)室找不到電流轉(zhuǎn)電壓電路所需的600毫歐和400毫歐特殊精密電阻，實(shí)踐中沒(méi)有連接200毫安和500毫安檔位的測(cè)量電路。5.4 電阻測(cè)試測(cè)試方案：通過(guò)按鈕