数字式交流电压表.doc

第一章 技术指标1.系统功能要求交流数字电压表的功能是测量正弦电压的有效值，然后以数码管显示测量结果。2.系统结构要求交流数字电压表的系统结构方框图如下图所示：3. 电气指标l 被测信号频率范围：10Hz10KHzl 被测信号波形：正弦波l 显示数字含义：有效值l 档位：分三档： 1.0V9.9V； 0.10V0.99V; 0.010V0.099V 。l 显示方式：两位数码显示4.扩展指标 可自动换挡5.设计条件l 电源条件：直流稳压电源提供±5V。l 可供选择的器件：TL084 运算放大器 2片74139 二四线译码器 1片（模拟开关实现档位指示，故实际电路未采用74139）CC4052四选一模拟开关 1片74161四位二进制计数器 1片4511显示译码器 2 片2AP9检波二极管 2只发光二极管 3只28C64存储器 1片ADC0804A/D转换器 1片半导体数码管C392 2片电容电阻自选第二章 整体方案设计1. 算法设计 数字电压表（Digital Voltmeter）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。它利用A/D转换原理，将被测模拟量转换成数字量,并用数字方式显示测量结果的电子测量仪表。 2. 整体方案 实验时的输入为交流电压，为测量其有效值，应先将输入信号进行整流，得到一个稳定的直流电压后，再将其进行模数转换，最终通过数字形式显示出来。而交流是指输入的信号是正弦波，电压表需要显示的是正弦信号的有效值。电路中需有交直流转换。由测量电压范围可知，显示输入电压的有效值在0.01V至9.9V范围，分成三档。意味着输入正弦信号的峰峰值为0.028V至28V。因此，输入需有量程转换及衰减电路。将该电路分成数电和模电两部分来设计，模电部分完成交流直流转换工作，数电部分负责实现模数转换和具体结果的显示，两部分电路分别实现后再拼接完成。2.交流数字电压表组成框图被测信号Vi经输入电路衰减后，经量程放大器放大，经过整流电路，被积分电路转化成直流信号，再由可变增益放大器调节，以适合A/D转换器输入电压的要求，然后用存储器实现二进制码到BCD码的转换进去显示译码器最后由数码管显示出来。第三章 单元电路设计1.输入电路输入信号对被测信号是有一定影响的，为了减少其影响，通常输入阻抗都比较高，一般在1M左右。另被测信号的最大有效值为9.9V，正弦信号的峰峰值为28V，这么大的信号，电路无法正常工作，因此，在输入电路中要进行衰减，可如图所示作一10：1的电路。2.量程放大器 输入电压三档： 1.0V9.9V (2.8Vp-p28Vp-p) 0.10V0.99V (0.28Vp-p2.8Vp-p) 0.010V0.099V (0.028Vp-p0.28Vp-p) 经输入电路衰减10倍后，各档电压： 1.0V9.9V 衰减后：(0.10V0.99V ) 0.10V0.99V 衰减后：(0.010V0.099V ) 0.010V0.099V 衰减后：(0.0010V0.0099V) 为使后续电路在同一个数量级上工作，选衰减后(0.10V0.99V )为标准输入，则应对另两档进行放大。量程放大电路如下图： 输入及量程放大器电路图中R1、R2构成输入电路，实现10：1转换。3V稳压管是防止输入信号过大，损坏运放而加。R3、R4、R5可通过公式计算得到： 放大10倍：1+R3/(R4+R5)=10 放大100倍：1+(R3+R4)/R5=100 取R5=100时，计算出R4=900 、R5=9K(可用470+430和470K+430K实现)。3.半波整流电路 在普通二极管线性检波电路中，偶遇晶体管导通电压的存在，在对小信号进行检波时，误差很大。把二极管置于运算放大器的反馈回路中可提高小信号检波的线性度，检测结果将会更精确。用软件模拟的电路如图所示：正弦输入信号经过半波整流后波形的对比如图：4.全波整流电路在半波整流的基础上加一级加法运算电路，即可构成全波整流电路。同时为了使其成为直流信号，加法器反馈支路用积分电容构成积分器。电路图如下:所得的波形如图所示:5.可变增益放大器经整流后的直流电压要加到AD转换器中，将不同的电压值转换成不同的二进制代码。ADC0804是AD转换器，其输出位为八位，若所加参考电压为5.12V时，其每一台阶电压为VS=Vref/28=5.12/256=0.02V。我们所测量的电压在0.10V0.99V范围内，每个差值为0.11-0.10=0.01V，因此，要将输入的电压放大。加到0804的电压范围为0.2V1.98V。这可用可变增益放大器来实现。6. A/D转换器ADC0804模数转换器是逐次逼近型转换器，输出可用范围为0AH63AH，由于本系统不用微处理器控制，故用数字电路来实现A/D转换器的转换命令和读取转换数据。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为 5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。ADC0804芯片外引脚图如图示。引脚名称及意义如下： ：ADC0804的两模拟信号输出端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号。 ：A/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相接。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入端。CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。WR：写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换。RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可读取转换输出数据。INTR：转换结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。其参考电路如下：7.B-BCD码的转换 ADC0804转换的二进制数，要转换成数码管显示的BCD码，这一任务可由存储器来实现。ADC0804输入电压的范围为0.2V1.98V，转换后的相应的二进制数为0AH63H。将转换后的二进制数作为存储器的地址，而把相应的BCD码值填入到存储单元中，一旦选中了地址，相应的数据就被取出，并送到显示译码器中。此外，为了作为提示换挡的信息，在00H到09H单元中写入0，在64H到0FFH单元中写入99。这样，在使用电压表的过程中，看到显示00，就应该换成低档位测量，看到99，就可能应该换成高档位测量。8.显示译码用4511作为显示译码器，推动数码管显示出被测电压值。CD4511 引脚图其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。9.量程显示电路对应不同的输入电压，应用发光二极管来指示所测电压的量程范围。4052模拟开关包含两个4选一开关，可以节约一个74139芯片。10. 原理图（见方格纸）11. 整机原件清单TL084 运算放大器 2片CC4052 四选一模拟开关 1片4511 显示译码器 2 片1N60 二极管 2只 发光二极管 3只28C64 存储器 1片ADC0804 A/D转换器 1片 半导体数码管C392 2片 第四章 测试与调整1.接线 面包板的布局要考虑：1）便于操作，符合人体工程要求；2）按同一功能模块相对集中的原则；3）模拟电路与数字电路相对隔离；4)按信号流向布局；5）电源线和底线的引入；6）设置各模块的测试点和预留安装点 此外，出于美观的考虑，导线应不能交叉，并在横线或竖线方向上直线布局，并用直角拐弯。根据上述要求，我将模电部分的芯片（TL084,4052)，电阻电容二极管等器件置于面包板的上方，28C64，4511和数码管置于面包板的下方，中间为ADC0804。由于面包板的条件无法实现数码管按照人的视觉习惯放置，所以上为高位，下为低位。2. 模电部分调测 用示波器进行调测，选择直流耦合方式。1） 运放好坏的判定可以用一个简单的电路来测试运算放大器的好坏：调节滑动变阻器电压表随之成比例变化，则运放正常2） 运放的正负极不能接反 TL084管脚图如下： 4脚接5V，11脚接地3）量程放大器检测 用上图2号运放作为量程放大器，则7号脚输出波形幅度分别为衰减10倍以后输入波形（5号脚）的 1倍（X1档）10倍（X0.1档）100倍（X0.01档），频率相同。4） 半波整流检测 用上图3号运放作为半波整流电路，则8号输出脚所接的二极管正极测得波形应为7号脚正弦波的上半部分。5）全波整流积极分电路检测 用上图4号运放作为全波整流及积分电路，则在未接电容的情况下14脚测得波形为7号脚正弦波沿t轴向下对折的图形，在接电容的情况下14脚测得波形为一条直线，数值约为7号脚波形的有效值（负）。6） 可变增益放大器 用上图1号运放作为可变增益放大器，当输入有效值为1V的电压是，调节同向输入端的滑动变阻器使得1脚输出为0.2V；当输入有效值为9.9V的电压时，调节反馈电路中的滑动变阻器使得1脚输出为1.98V。2. 数电部分调测 1）模数转换将数电部分与模电部分断开，在ADC0804的VIN+端直接加上0.2至1.98V的直流电压，看DB端输出是否为0AH到63H。2)二进制-BCD码转换用存储器实现B-BCD转换，在0AH到63H地址中写入10到99的BCD码，并在00H到09H单元中写入0，在64H到0FFH单元中写入99。这样，在使用电压表的过程中，看到显示00，就应该换成低档位测量，看到99，就可能应该换成高档位测量。3） 译码和显示先单调4511和数码管，看数码管的示数是否正常以判定4511好坏和数码管的接线是否正确，然后连接上ADC0804和28C64，在ADC0804的VIN+端加上0.2至1.98V的直流电压，数码管应现实1.0到9.9，没变化0.02V电压数码管变化0.1的示数。3. 数模连调将TL084的1脚与ADC0804的VIN+脚相连，在输入端加有效值1V到9.9V的电压（对应X1档，X0.1档0.1到0.99，X0.01档0.01到0.099V），观察档位指示二极管是否正常切换，以及数码管显示示数是否正确，若存在误差，检查ADC0804的9脚电压是否为2.56V并调节。然后调节可变增益放大器的滑动变阻器作调整以达到误差最小。第五章 设计小结1.设计任务完成情况： 经过不断调试，最终我的板子只调出了2个档位，分别为X1档和X0.1档，在3V（X0.1档为0.3V）以上时示数非常准确，在3V(X0.1档位0.3）以下时约有+0.1至+0.2的误差。1.0V9.9V:正常工作，误差很小0.1V0.99V:正常工作，误差很小0.01V0.099V：示数始终为9.9 另外由于时间和器材有限，未能实现电路的自动换挡控制。2.问题及改进问题： 我所设计的电路虽然在X1档和X0.1档时工作情况非常良好，但是在X0.01档时完全无法工作，数码管始终显示9.9。通过用示波器逐步分析，发现用0.01至0.099V输入时，输入信号经过10倍衰减会变得干扰特别大，电路中的直流分量都大于正弦波的幅度，完全失真，以至于在积分电路中完全走样，最后得出错误的示数。改进： 根据问题产生的原因，对输入电路及量程放大器应作出如下改进，X1档位时，将输入型号衰减10倍，X0.1档位时，对幅度不做放大和衰减，在X0.01档位时，对信号直接放大10倍，而不先做衰减。由于时间有限，已经无法再进行实际操作，但是在跟其他3个档位都做出来的同学的交流过程中发现这种改进方案应该是可行的。3.心得体会这次课程设计，首先是让我对大二所学的模电和数电知识做了一次全面的复习，虽然当时考试成绩还可以，但是进过了半年时间已经有所遗忘，正好对这些知识进行一次巩固；学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在上学年模电、数电学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认知，而且还及时、真正的做到了学以致用。其次，在设计过程中我遇到了各种各样的问题，经过细心地反复排查和思考，最终找出了大部分的问题所在，而且绝大多数都是自己的独立思考和操作，虽然留有遗憾，但是这种实际操作能力和排错能力得到了极大地锻炼，这也正是这次课程设计的目的所在。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次电路设计的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了模电数电信号系统等课程所学的内容，掌握电子系统设计的方法和步骤，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。 在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计最终顺利完成，虽然在其中遇到了很多问题，但是在老师的指导下，大多数问题都得到了解决。在今后学习和工作过程中，一定要坚持不懈， 不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘。 课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，掌握了许多方法和技术，通过查询资料，也了解了交流电压表的构造及原理。在设计电路的过程中，我的主动设计方案的能力得到了提到，以前的学习过程往往是被动的接受，这次却是主动地去获取；在电路调试和检测过程中又锻炼了我发现问题分析问题解决问题的能力。这在以后的学习工作中会给我带来莫大的好处。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而 这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想 我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知 识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知 识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。相信这次的课程设计的心得体会会给我未来的道路带来极大地帮助。