直流數字電壓表的設計開題報告

一、開題報告背景和意義
     智能儀器是儀器儀表的一種，近年來計算機技術及微電子器件在工程技術中應用十分廣泛，在此基礎上發展起來的智能儀表無論是在測量的準確性、靈敏度、可靠性、自動化程度、運用功能方面還是在解決測量技術與控制技術問題的深度及廣度方面都有了很大的發展，以一種嶄新的面貌展示在人們的面前。數字電壓表是在此基礎上發展起來，并被廣泛的應用。數字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是智能儀器中最常見的，是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。目前，由各種單片A/D 轉換器構成的數字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業自動化儀表、自動測試系統等領域，顯示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平數字電壓表的特點：顯示清晰直觀，讀數準確；傳統的模擬式儀表必須借助于指針和刻度盤進行讀數，在讀數過程中不可避免地會引入人為的測量誤差（例如視差），并且容易造成視覺疲勞。數字電壓表則采用先進的數顯技術，使測量結果一目了然，只要儀表不發生跳數現象，測量結果就是惟一的，不僅保證讀數的客觀性與準確性，還符合人們的讀數習慣，能縮短讀數和記錄的時間。通過這個設計制作我對數模轉換、單片機、信號放大、整形、電路顯示等方面知識得到了提升。通過實踐讓我的動手能力得到了很大的提高；激發了我的創新能力。還有在書寫畢業論文報告時我的撰寫能力也隨之提高。
二、開題報告任務的主要內容及存在問題
本設計是基于89C51單片機的4位半直流數字電壓表設計的設計思路及實現方法。在設計中,將充分利用89C51單片機內部的高速計數器和以分立元件組成的A/D轉換器的優良特性,使整個設計達到了比較滿意的效果。硬件設計由電源電路、信號采集電路、單片機系統、顯示電路等組成。這個設計是源于2008年浙江省電子設計競賽試題，開題報告要求實現一個直流數字電壓表設計工作，主要難點在于系統的精確性要求很高。這個直流電壓表分成兩檔毫伏和伏。毫伏檔可以用來測量100毫伏以上的電壓，伏檔可以測10伏以下的電壓。電路涉及到了A/D的轉換、信號的采集、單片機的處理及LCD的顯示等等環節設計制作。
三、開題報告任務實施的思路與方案
設計方案：
1、采用數字專用芯片。主要器件由芯片ICL7106和LCD組成，外加數據輸入電路，這種方法是目前數字萬用表常用的測量電路，外圍電路簡單。但是這種電路有一個缺點，就是他的參數一般是已經設定好的，不容易更改。
2、對電壓進行放大整形、然后采用高精度的AD芯片對其進行測量。如采用MAX127對其進行測量，然后采用軟件算法對其進行數字濾波，提高系統的精度。
3、對電壓進行放大整形、然后采用高精度的V/F轉換芯片－LM331，將該頻率送入單片機對其進行測量。
直流電壓表（1）AD轉換電路；（2）LCD顯示電路；（3）電源電路；（4）單片機處理部分。
在單片機數據采集電路的設計中，做到了電路設計的最小化，即沒用任何附加邏輯器件做接口電路，實現了單片機對AD678轉換芯片的操作。AD678是一種高檔的、多功能的12位ADC，由于其內部自帶有采樣保持器、高精度參考電源、內部時鐘和三態緩沖數據輸出等部件，所以只需要很少的外部元件就可以構成完整的數據采集系統，而且一次A/D轉換僅需要5ms。在電路應用中，AD678采用同步工作方式，12位數字量輸出采用8位操作模式，即12位轉換數字量采用兩次讀取的方式，先讀取其高8位，再讀取其低4位。根據時序關系，在芯片選擇/CS=0時，轉換端/SC由高到低變化一次，即可啟動A/D轉換一次。再查詢轉換結束端/EOC，看轉換是否已經結束，若結束則使輸出使能/OE變低，輸出有效。12位數字量的讀取則要控制高字節有效端/HBE，先讀取高字節，再讀取低字節。整個A/D操作大致如此，在實際開發應用中調整。
由于電路中采用AD678的雙極性輸入方式，輸入電壓范圍是-5～+5V，根據公式Vx=10(V)/4096*Dx，即可計算出所測電壓Vx值的大小。式中Dx為被測直流電壓轉換后的12位數字量值。已具備條件
我學過的課程有《單片機應用技術》、《模擬電子技術》、《數字電子技術》、《電路基本分析》、《電子工藝》等等；我學過的相公軟件有Protel99se、Proteus 6、Easy_51Pro_v20、MEDWIN等。我具備了對51單片機的基本匯編能力，能對PCB板的繪制制作。我通過暑假參加2008年電子設計競賽對直流電壓表的設計制作過程有了一定的了解。MAX197這塊由美國MAXIM公司生產的多量程( ±10 V, ±5 V, 0～10 V, 0～5 V) 、8通道、12 位高精度的A/D 轉換器。它采用逐次逼近工作方式, 有標準的微機接口。三態數據I /O 口用做8 位數據總線, 數據總線的時序與絕大多數通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS 電平兼容。新型A/D 轉換器芯片MAX197 與一般A/D 轉換器芯片相比, 具有極好的性能價格比, 僅需要一+5 V 供電, 且外圍電路簡單, 可簡化電路設計。

圖2 數字電壓表的電路圖
把一只標準數字萬用表置于直流200mV檔與表頭IN輸入端并聯，調整“交直流電壓校準”旋鈕使表頭讀數與標準表讀數一致（允許誤差 0.5mV），200mV表頭即調整完畢