积分式数字电压表设计

摘要

随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段， 对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍。同时随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。

V/F 型A/D转换器是积分型的一种，被测电压Ux通过积分以后输出一线性变化的电压，控制一个振荡器，产生与被测电压成正比的频率值；再用数字频率计测量出电路的频率值，从而表示被测电压的大小。这种转换器具有良好的精度、线性和积分输入特性，抗干扰能力强，而且信号便于远传等特点。此外，它的应用电路简单，外围元件性能要求不高，对环境的适应能力强，与单片机的接口简单。

本设计在参阅了大量前人设计的数字电压表的基础上，利用单片机技术结合 V/F转换芯片LM331以及采用模拟开关 CD4051构建了一个测量范围达0-750V且具有自动量程切换功能和过压保护的交直流数字电压表。本文首先简要介绍了积分式数字电压表的主要组成部分及原理，然后详细介绍了硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的各部分电路的设计及原理以及软件算法。

关键词 电压测量，自切换，LM331，模拟开关，单片机

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章  绪论 1

1.1数字电压表的发展 1

1.2 数字电压表的研究意义 2

1.3 数字电压表的展望 2

第二章  系统总体设计 3

2.1 总任务 3

2.2 系统组成原理 3

2.3 硬件系统流程概述 3

2.4 方案论证与比较 4

2.4.1 V/F 转换电路论证与比较 4

2.4.2  切换开关的论证与比较 5

第三章  积分式数字电压表硬件设计 7

3.1 过压保护电路 7

3.2 电压信号采样 8

3.2.1  直流电压测量部分 8

3.2.2  交流电压测量部分 9

3.3 自动量程切换接口电路 12

3.3.1  基本原理 12

3.3.2  10倍放大器电路 12

3.3.3 欠量程识别电路 13

3.3.4 换程控制电路 13

3.3.5 应用电路 16

3.4  A/D 转换电路 16

3.4.1 V/F转换原理介绍 16

3.4.2  LM331芯片介绍 18

3.4.3  单片机AT89S52介绍 21

3.4.4 LM331V/F转换电路及与AT89S52单片机接口路 22

3.5 单片机系统及显示电路 24

第四章  积分式数字电压表软件设计 26

4.1 积分式数字电压表系统软件流程 26

4.2  软件设计考虑 27

4.3 关键算法实现 27

4.3.1 采样周期自适应调整算法 27

4.3.2 量程自动切换算法 28

4.3.3 叠加周期信号的周期检测算法 28

4.3.4 平均值与有效值的计算 28

4.4 定时器T0,T1中断服务程序 29

4.5 电压值计算程序 29

4.6 显示程序 30

第五章  单片机抗干扰 31

5.1 硬件抗干扰 31

5.1.1 抑制干扰源 31

5.1.2 切断干扰传播路径 31

5.2 软件抗干扰 32

5.3 误差的主要来源及影响 32

5.4 减少及消除误差的措施 33

总结 34

参考文献 35

附录一  C语言程序清单 36

附录二  原理图 42

致谢 44