G题积分式直流数字电压表解析.pptx

积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)一一.题目要求题目要求二二.题目分析及系统框图题目分析及系统框图三三.方案论证及设计方案论证及设计主要内容主要内容:积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)一一.题目要求题目要求1任务任务 在不采用专用在不采用专用A/D转换器芯片的转换器芯片的前提下，设计并制作积分型直流数字前提下，设计并制作积分型直流数字电压表。电压表。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)2要求要求一一.题目要求题目要求 (1)基本要求基本要求 测量范围：测量范围：10mV2V；量程：量程：200mV，2V；显示范围：十进制数显示范围：十进制数01999；测量分辨率：测量分辨率：1mV（2V档）；档）；测量误差：测量误差：0.55个字；个字；采样速率：采样速率：2次次/秒；秒；输入电阻：输入电阻：1M；具有抑制工频干扰功能。具有抑制工频干扰功能。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)(2)发挥部分发挥部分 测量范围：测量范围：1mV2V；量程：量程：200mV，2V；显示范围：十进制数显示范围：十进制数019999；测量分辨率：测量分辨率：0.1mV（2V档）；档）；2要求要求一一.题目要求题目要求 测量误差：测量误差：0.055个字；个字；具有自动校零功能；具有自动校零功能；具有自动量程转换功能；具有自动量程转换功能；其他。其他。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)二二.题目分析及框图设计题目分析及框图设计1A/D转换电路分析转换电路分析 数字电压表的核心部分是数字电压表的核心部分是A/D转换电路。转换电路。目前目前A/D转换电路形式有：逐次逼近型、并行比较型、转换电路形式有：逐次逼近型、并行比较型、双积分等。双积分等。各种转换形式各有优缺点。各种转换形式各有优缺点。其中双积分的其中双积分的A/D具有精度高，抗干扰强等优点，但具有精度高，抗干扰强等优点，但速度慢，适合测量静态或准静态信号。速度慢，适合测量静态或准静态信号。各类均有专用各类均有专用A/D转换器芯片。转换器芯片。题目明确的指出采用双积分题目明确的指出采用双积分A/D，且不能用专用，且不能用专用A/D芯芯片（例如片（例如7135等）等）。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)二二.题目分析及框图设计题目分析及框图设计2系统框图系统框图电电 源源控制处理单元（控制处理单元（MCU）滤波电路滤波电路自动校零自动校零程控放大程控放大小信号处理小信号处理积积 分分 器器显显 示示键键 盘盘输入输入积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)二二.题目分析及框图设计题目分析及框图设计3系统框图组成系统框图组成 程控放大电路：完成输入信号的调理和量程（程控放大电路：完成输入信号的调理和量程（200mV，2V或更多）的转换。或更多）的转换。自动校零电路：完成自动校零功能。自动校零电路：完成自动校零功能。积分器电路：由运放组成，完成电压时间的转换。积分器电路：由运放组成，完成电压时间的转换。控制部分：控制量程转换、自动校零和积分器的正常控制部分：控制量程转换、自动校零和积分器的正常工作，并完成人机对话功能。工作，并完成人机对话功能。键盘、显示电路：完成人机对话。键盘、显示电路：完成人机对话。电源电路：为各电路提供电源。电源电路：为各电路提供电源。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计1程控放大器程控放大器 根据题目要求我们将量程分成三档：根据题目要求我们将量程分成三档：20mV、200mV、2V,其中其中200mV、2V为题目的要求，为题目的要求，20mV为扩展量程。为扩展量程。当输入信号小于当输入信号小于20mv时放大时放大100倍，当输入信号大于倍，当输入信号大于20mV但小但小于于200mv时放大时放大10倍，输入信号为倍，输入信号为200 mv2v时输入信号不放大，时输入信号不放大，这样处理后使各输入电压统一调理为这样处理后使各输入电压统一调理为02V。为防止自动量程转换。为防止自动量程转换时的抖动，相邻挡应有一定的重叠区。时的抖动，相邻挡应有一定的重叠区。要求控制芯片根据采集值能对量程自动化切换，同时输入级要要求控制芯片根据采集值能对量程自动化切换，同时输入级要求输入电阻求输入电阻1M。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计1程控放大器程控放大器方案一方案一:采用同相放大器采用同相放大器,如下图：如下图：S1、S2、S3三个开关由单三个开关由单片机控制，分别完成放大片机控制，分别完成放大1、10、100的功能，的功能，S1、S2、S3的闭的闭合情况由单片机根据合情况由单片机根据Vo的值自的值自动完成，能实现自动量程转换动完成，能实现自动量程转换功能；同时采用了同相放大器，功能；同时采用了同相放大器，输入阻抗输入阻抗RifRi（1AF）,满足输入电阻满足输入电阻1M。此电路的缺点为：不能实此电路的缺点为：不能实现差分输入，且抗共模干扰能现差分输入，且抗共模干扰能力还需加强。力还需加强。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)方案二方案二:采用三运放构成的仪表放大器，如下图：采用三运放构成的仪表放大器，如下图：S1、S2开关开关由单片机控制，分由单片机控制，分别完成放大别完成放大1、10、100的功能，能的功能，能实现自动量程转换，实现自动量程转换，计算如下：计算如下：当当S1闭合、闭合、S2断开时：断开时：放大倍数放大倍数A1=1+2R1/RG1100(选择合适的选择合适的RG1)当当S2闭合、闭合、S1断开时：断开时：放大倍数放大倍数A2=1+2R1/RG210(选择合适的选择合适的RG2)当当S1断开、断开、S2断开时，放大倍数断开时，放大倍数A3=1 此电路的输入电阻高、能实现差分输入，且抗共模干扰能力强此电路的输入电阻高、能实现差分输入，且抗共模干扰能力强等优点。等优点。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计1程控放大器程控放大器 方案三方案三:采用专用仪表放大器芯片（如采用专用仪表放大器芯片（如INA128等）。等）。此此方方案案除除具具有有方方案案二二的的优优点点外外，还还具具有有外外围围接接线线简简单单的的优优点点，但成本较高。但成本较高。上述三种方案均能实现自动量程转换和满足输上述三种方案均能实现自动量程转换和满足输入电阻入电阻1M 的要求。的要求。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计2自动校零电路自动校零电路 输输入入电电压压信信号号经经过过信信号号调调理理电电路路（程程控控放放大大等等）、双双积积分分电电路路等等处处理理，最最后后转转化化成成时时间间信信号号，单单片片机机将将时时间间量量化化成成数数字字信信号号输输出出。由由于于外外界界因因素素（如如温温度度等等）的的影影响响，即即使使输输入入的的电电压压信信号号等等于于0，输输出出的的数数值值也也不不等等于于0，且且数数值值随随外外界界因因素素（如如温温度度）的的变变化化而而变变化，即零点漂移。实际测量值必须减除零点值才能反映真实的输入。化，即零点漂移。实际测量值必须减除零点值才能反映真实的输入。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计2自动校零电路自动校零电路 方案一：手动零点调节：方案一：手动零点调节：每每次次适适应应时时，先先将将输输入入手手动动短短路路，调调节节相相应应的的电电位位器器，使使输输出出等等于于0。此此方方案案实实时时性性差差，当当环环境境（温温度度等等）发发生生变变化化时时，需需要要重重新新校校零零，且且需需要要手手动动调调节节电电位位器器，不不满满足足题题目目的的“自自动动校校零零”的的要要求。求。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计2自动校零电路自动校零电路 方方案案二二：设设置置一一个个单单刀刀双双掷掷开开关关（CMOS开开关关或或继继电电器器），由由单单片片机机控控制制自自动动完完成成零零值值（开开关关处处于于位位置置3）和和实实际际输输入入（开开关关处处于于位位置置1）的的测测量量。不不需需要要手手动动调调节节定定位位器器，能能满满足足“自自动动校校零零”的要求。的要求。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计2自动校零电路自动校零电路 方案二的零点采集时间可采用以下方式：方案二的零点采集时间可采用以下方式：方式一：设置一个按键，在需要校零时按下按键方式一：设置一个按键，在需要校零时按下按键,单片机检测单片机检测到按键时即进行校零到按键时即进行校零,此方案不足之处在于校零时此方案不足之处在于校零时,需要人工按键需要人工按键,实实时性差。时性差。方式二：定时采集零值，例如方式二：定时采集零值，例如1分钟采集一次。分钟采集一次。方式三：每次测量均采集一次零值，然后将每次实际测量值方式三：每次测量均采集一次零值，然后将每次实际测量值减去每次测量零值，达到自动校零的效果，此方案最具有实时性。减去每次测量零值，达到自动校零的效果，此方案最具有实时性。方案二的方式一、方式二、方式三能完成题目的要求。方案二的方式一、方式二、方式三能完成题目的要求。比较而言，方式三最优，但测量速度变慢。比较而言，方式三最优，但测量速度变慢。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计3抗工频干扰电路抗工频干扰电路 方案一方案一：采用双：采用双T滤波器对滤波器对50Hz的工频信号进行陷波，能很的工频信号进行陷波，能很好抑制好抑制50Hz的工频干扰。但电路较为复杂，且对其它频率的信号无的工频干扰。但电路较为复杂，且对其它频率的信号无抑制。抑制。方案二方案二：一方面由于是直流电压检测，可用：一方面由于是直流电压检测，可用RC低通滤波器进低通滤波器进行低通滤波，为加强效果，可采用行低通滤波，为加强效果，可采用23级级RC串联；另一方面双积串联；另一方面双积分的积分时间设置成工频周期分的积分时间设置成工频周期20ms的整数倍，在的整数倍，在1个积分周期内，个积分周期内，可使周期性的可使周期性的50Hz干扰正负相互抵消，对积分的贡献为干扰正负相互抵消，对积分的贡献为0，有效防，有效防止了工频干扰。止了工频干扰。方案二能较好的完成题目的要求。方案二能较好的完成题目的要求。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计4小信号检测小信号检测 题题目目要要求求能能对对1mV的的信信号号进进行行检检测测,由由于于运运放放存存在在输输入入失失调调电电压压和和失失调调电电流流,可可能能造造成成输输入入1mV的的信信号号电电压压通通过过调调理理电电路路后后形形成成负负的的电电压压送送到到双双积积分分电电路路,这这样样双双积积分分被被测测信信号号输输入入有有正正有有负负,可可采采用用以以下方案处理：下方案处理：积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计4小信号检测小信号检测 方方案案一一:Vx积积分分后后对对Vo进进行行极极性性判判断断,再再决决定定用用Vref或或-Vref将将Vo积分回零积分回零,此方案需要判断此方案需要判断Vo极性来决定投放极性来决定投放Vref还是还是-Vref。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计4小信号检测小信号检测 方方案案二二:将将输输入入电电压压进进行行电电平平移移动动，叠叠加加1个个直直流流电电平平，使使得得1mV2V的的输输入入电电压压偏偏离离零零点点较较远远，例例如如叠叠加加1V直直流流电电平平后后，输输入入变变成成1mV+1V2V+1V在在全全量量程程范范围围形形成成正正电电压压，这这样样只只需需要要负负电电压压进行反向积分。进行反向积分。方案一、方案二均能完成题目的要求。方案一、方案二均能完成题目的要求。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计5双积分电路双积分电路 双双积积分分电电路路是是本本系系统统的的核核心心电电路路，由由模模拟拟开开关关、基基准准电电压压源源、积分器和比较器构成。其电路原理框图如下图所示。积分器和比较器构成。其电路原理框图如下图所示。到到MCU积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)其工作波形图如下图所示。其工作波形图如下图所示。三三.方案论证及设计方案论证及设计5双积分电路双积分电路积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计5双积分电路双积分电路 当当S1打向打向Vx时，积分器对时，积分器对Vx进行进行固定时间（固定时间（0T1）的正向积分，当）的正向积分，当t=T1时，积分器的输出电压为：时，积分器的输出电压为：当当S1打向打向-Vref时，积时，积分器从分器从t=T1时开始对时开始对-Vref 进行反向积分。反向积分进行反向积分。反向积分时间为时间为T2=t2-t1，由三要素，由三要素法可知：法可知：积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计5双积分电路双积分电路所以所以 亦即亦即 式（式（1）式式(1)表明反向积分时间表明反向积分时间T2与输入的模拟信号值与输入的模拟信号值Vx成正比。当成正比。当两次积分完成后，过零比较器输出电平两次积分完成后，过零比较器输出电平Uo2跳变为低电平，通知单跳变为低电平，通知单片机停止定时，计算反积分时间片机停止定时，计算反积分时间T2。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计5双积分电路双积分电路 有关积分器几个个问题：有关积分器几个个问题：分辨率：题目要求显示范围为分辨率：题目要求显示范围为019999，测量分辨率：，测量分辨率：0.1mV（2V档）。要求单片机选择合理的定时分频系数，使得输入档）。要求单片机选择合理的定时分频系数，使得输入2V时，对应的时，对应的T2的量化值的量化值20000，才能满足分辩率的要求。，才能满足分辩率的要求。S2的作用：每次积分前，的作用：每次积分前，S2闭合使积分电容放电，一段时间后闭合使积分电容放电，一段时间后断开，使每次测量断开，使每次测量Vo均从均从0开始。开始。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计5双积分电路双积分电路 有关积分器几个个问题：有关积分器几个个问题：积分运放的选择：选择高精度、失调电压和电流小的运放，例积分运放的选择：选择高精度、失调电压和电流小的运放，例如如OP27等。等。积分电容的选择：积分电容应选择介质损耗小的，例如聚丙烯积分电容的选择：积分电容应选择介质损耗小的，例如聚丙烯电容，当然聚苯乙烯电容也能较好的工作。电容，当然聚苯乙烯电容也能较好的工作。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计6软件设计软件设计(1)软件流程图如下图所示，主要完成各部分的控制和数字处理等。软件流程图如下图所示，主要完成各部分的控制和数字处理等。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)开始开始定标键按下吗定标键按下吗返回返回选择量程选择量程(20mV/200mV/2V)显示提示：输入量程起点值，显示提示：输入量程起点值，停停5S后再按定标键后再按定标键定标键按下吗定标键按下吗将量程起点对应的采集值存将量程起点对应的采集值存储到储到EEPROM显示提示：输入量程满点显示提示：输入量程满点(20mV或或200mV或或2V),稳定稳定5S后再按定标键后再按定标键定标键再次按下吗定标键再次按下吗记忆量程满点的采集值存记忆量程满点的采集值存储到储到EEPROM结束结束NYNNYY(2)键盘显示完成人机对话键盘显示完成人机对话,主要作用是完成软件的自动定标。主要作用是完成软件的自动定标。软件自动定标流程图如下软件自动定标流程图如下:积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)采集值-起点采集值 显示电压-起点电压 满点采集值-起点采集值 满点电压-起点电压=(3)工程量转换的公式如下工程量转换的公式如下:积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)(4)数字滤波数字滤波:本设计采用双积分本设计采用双积分A/D，测量速度较慢，测量速度较慢。但当系统设计使最大。但当系统设计使最大测量时间小于测量时间小于100mS时，可考虑加入数字滤波，进一步提高抗干扰时，可考虑加入数字滤波，进一步提高抗干扰能力。能力。常用的数字滤波方式有：常用的数字滤波方式有：平均值滤波、加权平均滤波、去极值平均滤波、递推去极值平平均值滤波、加权平均滤波、去极值平均滤波、递推去极值平均滤波、中位值滤波、一阶惯性滤波等。均滤波、中位值滤波、一阶惯性滤波等。本设计推荐采用递推去极值平均滤波。本设计推荐采用递推去极值平均滤波。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)不足之处请各位专家、同仁指正！谢谢！