基于單片機(jī)的自動(dòng)量程數(shù)字毫伏表設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)以8051單片機(jī)P87LPC764為核心，應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705、衰減電路、濾波電路、有效值變換電路和直流穩(wěn)壓電源。本次的數(shù)字毫伏表量程為0~36V，分為2個(gè)檔位：0~2V，2~36V。測(cè)量精度為0.01mV。在時(shí)，可測(cè)信號(hào)的頻率范圍為20Hz~1MHz。本文的設(shè)計(jì)所用的元器件較少，成本低，量程的選擇可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。于傳統(tǒng)的數(shù)字毫伏表相比，具有更加便捷的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前的電測(cè)量技術(shù)中具有良好的發(fā)展前景。經(jīng)對(duì)比測(cè)量后，本設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：51單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換自動(dòng)量程切換目錄1 緒論 11.1 概述 11.2 數(shù)字毫伏表 11.3 數(shù)字毫伏表的特點(diǎn)介紹 12 系統(tǒng)方案 22.1 交直流轉(zhuǎn)換電路方案 22.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件 22.3 顯示模塊方案 32.4 總體方案 33 硬件電路設(shè)計(jì) 33.1 衰減電路設(shè)計(jì) 33.2 濾波電路設(shè)計(jì) 43.3 有效值變換電路設(shè)計(jì) 43.3.1 AD637結(jié)構(gòu)和原理 53.3.2 真有效值變換電路 63.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 63.5 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 73.5.1 主要組成 83.5.2 外部引腳說明 83.5.3 時(shí)鐘電路 93.5.4 復(fù)位電路 103.5.5 液晶顯示電路 123.6 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 133.6.1 變壓器的選擇 133.6.2 整流器的選擇 143.6.3 濾波元件的選擇 143.6.4 穩(wěn)壓片的選擇 143.6.5 外部引腳說明 153.7 硬件部分原理圖 154 軟件電路設(shè)計(jì) 164.1 衰減電路控制及數(shù)據(jù)采集 174.2 量程自動(dòng)切換 174.3 A/D轉(zhuǎn)換 184.4 液晶顯示 195 測(cè)量結(jié)果和誤差 205.1 測(cè)量結(jié)果 205.2 誤差計(jì)算 23結(jié)語 23參考文獻(xiàn) 24緒論電壓在電學(xué)中是一個(gè)非常重要的參數(shù)。怎樣做到精準(zhǔn)的測(cè)量模擬信號(hào)的電壓值，一直都是電測(cè)儀器研究的內(nèi)容之一。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字毫伏表使用了積分式放大檢波的方式，在具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中還可以有效地保證儀器的靈敏度。數(shù)字毫伏表是一種常見的電壓表，它用來測(cè)量正弦信號(hào)的電壓。數(shù)字毫伏表主要具有測(cè)量交流電壓，電平測(cè)試，監(jiān)視輸出這三大功能，本文中的數(shù)字毫伏表具有自動(dòng)量程切換和LCD顯示功能。交流電壓表主要用于測(cè)量電視和廣播天線的輸入電壓，中放極的電壓等和這個(gè)等級(jí)的其他電壓，是測(cè)量音頻放大電路必備的儀表之一。數(shù)字毫伏表的輸入阻抗是兆歐級(jí)的，并且輸入阻抗很高，可以無損接收輸入信號(hào)。并且輸入阻抗很高，可以無損接收輸入信號(hào)。因此，可以忽略由電池的內(nèi)阻引起的電壓降。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字毫伏表應(yīng)滿足一下要求。電壓范圍為0~36V，分成兩個(gè)檔位，其中檔位切換通過單片機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)，量程誤差應(yīng)。頻率響應(yīng)圍在20Hz~1MHz。系統(tǒng)方案本文中的數(shù)字毫伏表設(shè)計(jì)的硬件部分包括：衰減電路，有效值轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)控制，顯示模塊等五個(gè)主要部分。設(shè)計(jì)的總體思路是將模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊送至單片機(jī)，再通過LCD液晶顯示出來。當(dāng)信號(hào)送至單片機(jī)后，通過單片機(jī)將信號(hào)采樣值進(jìn)行比對(duì)，再通過模擬開關(guān)控制量程。這樣就可以做到量程的自動(dòng)切換。交直流轉(zhuǎn)換電路方案在交直流轉(zhuǎn)換電路中，我們需要對(duì)輸出電壓u進(jìn)行“平方和均方根”運(yùn)算，以便獲得交流電壓的有效值，這樣就會(huì)得到交流電壓的有效值。由于這是根據(jù)有效值的定義計(jì)算得出的，因此稱為真實(shí)有效值。諸如美國ADI公司的AD636/AD736和美國TL公司的LTC1966之類的芯片均采用此原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器件模數(shù)轉(zhuǎn)換也是A/D轉(zhuǎn)換。它的功能是將不斷變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換通常有四個(gè)過程：采樣，保持，量化和編碼。市場(chǎng)上的A/D轉(zhuǎn)換芯片已經(jīng)非常流行，并且在市場(chǎng)穩(wěn)定之后，它們的性價(jià)比也很高。因此，本文中的數(shù)字毫伏表使用集成的A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換。在A/D轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換時(shí)間和分辨率是主要的性能指標(biāo)。轉(zhuǎn)換時(shí)間表示模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的速率，與A/D轉(zhuǎn)換器的制造工藝有關(guān)。分辨率表示模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后的位數(shù)。分辨率直接決定了A/D轉(zhuǎn)換器的量化電平，即A/D轉(zhuǎn)換器可以區(qū)分的最小模擬信號(hào)的電平值。AD7705是完整的16位AD轉(zhuǎn)換器。如果連接了外部晶體振蕩器，精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容器，則可以連續(xù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,即可連續(xù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。它采用了Σ-Δ技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出。顯示模塊方案液晶顯示LCD是一種被動(dòng)顯示器，它本身并不發(fā)光，而是通過調(diào)節(jié)光的亮度來達(dá)到顯示的效果，所以稱之為被動(dòng)型顯示。被動(dòng)顯示更適合于人類的視覺，并且不容易感到視覺疲勞。通常，LCD顯示器具有顯示質(zhì)量高，體積小，重量輕，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，而且液晶顯示沒有輻射，可以顯示數(shù)字、字符和圖形等，與單片機(jī)的接口也非常簡(jiǎn)單，其性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于數(shù)碼管顯示。更加適合本文的數(shù)字毫伏表的設(shè)計(jì)?？傮w方案系統(tǒng)框圖硬件電路設(shè)計(jì)衰減電路設(shè)計(jì)當(dāng)被測(cè)信號(hào)接入數(shù)字毫伏表時(shí)，衰減電路首先先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的衰減以便送入下一級(jí)的電路中進(jìn)行處理。通過一個(gè)17k和一個(gè)1k的電阻，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分壓處理，然后再送入有效值轉(zhuǎn)換電路中。濾波電路設(shè)計(jì)在本文的數(shù)字毫伏表系統(tǒng)中只需要最簡(jiǎn)單的RC濾波電路進(jìn)行濾波即可，下面是RC濾波電路原理。（電容通高頻，阻低頻。通交流，阻直流）圖a為R-C低通濾波電路。對(duì)于R-C組合的低通濾波器，其輸入端是兩個(gè)元件的兩端，輸出端是電容的兩端，對(duì)于后級(jí)電路來說，低、高頻信號(hào)可以過去；對(duì)于高頻信號(hào)，電容相當(dāng)于一跟導(dǎo)線，所以將高頻信號(hào)短路了。圖b為C-R高通濾波電路，其原理和圖a，將圖a的電阻和電容互換，就編程了圖b的C-R高通濾波電路。對(duì)后級(jí)電路的影響有所不同，因?yàn)殡娙莸奈恢?，所以低頻信號(hào)并不能通過，而高頻信號(hào)可以通過，所以為高通濾波電路。有效值變換電路設(shè)計(jì)本文中的數(shù)字毫伏表主要是用來測(cè)量交流電壓的有效值，即有效值變換模塊的設(shè)計(jì)和器件選擇與數(shù)字毫伏表的測(cè)量精度和靈敏度密切相關(guān)。采用乘法器和集成運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)電路的功能，但是采用分立元件會(huì)使得系統(tǒng)硬件的成本增加，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力降低。美國AD公司生產(chǎn)的RMS-DC變換器件AD736/AD737就可以簡(jiǎn)化儀器的設(shè)計(jì)，從而降低成本。增加可測(cè)量波形種類的同時(shí)，靈敏度和精度也可以得到改善，滿足本文中的數(shù)字毫伏表的設(shè)計(jì)要求。AD637結(jié)構(gòu)和原理AD637

是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計(jì)算任何復(fù)雜波形的真均方根值。在集成電路的有效值轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，它提供了前所未有的高性能，并且可以在精度，帶寬和動(dòng)態(tài)范圍方面和分立模塊化技術(shù)相媲美。AD637采用了波峰因數(shù)補(bǔ)償方案當(dāng)測(cè)量信號(hào)的波峰因數(shù)達(dá)到了10的時(shí)候，其誤差仍可以保持在1%以下。在被測(cè)電壓為時(shí)，其可測(cè)量頻率范圍為20Hz~1MHz。其幅頻特性曲線如下圖所示。真有效值變換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)此功能的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ACD。通常A/D轉(zhuǎn)換都需要使用A/D轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用AD7705芯片。AD7705采用了單片集成，使外部電路更加簡(jiǎn)潔，大大降低了成本。AD7705是Σ-Δ型的A/D轉(zhuǎn)換器，它實(shí)現(xiàn)了ADC與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合。分辨率高，并且轉(zhuǎn)換速度比積分型和電壓降轉(zhuǎn)換ADC的轉(zhuǎn)換速度快。它還使用了高倍頻過采樣技術(shù)，大大降低了對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波的要求，實(shí)際上取消了信號(hào)調(diào)理。但是AD7705也有缺點(diǎn)，在高速轉(zhuǎn)換時(shí)，它需要高階調(diào)制器的介入。在轉(zhuǎn)換速率相同的條件下，它的功耗比積分型和逐次逼近型要高不少。以AD7705為核心的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖如下所示。單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)從本文的數(shù)字毫伏表功能來看，單片機(jī)需要儲(chǔ)存程序，即單片機(jī)需要除塵器片內(nèi)ROM。由于8031和8032都沒有片內(nèi)存儲(chǔ)器ROM，所以不能應(yīng)用在本數(shù)字毫伏表中。而8051系列單片機(jī)均有片內(nèi)存儲(chǔ)器ROM，可以應(yīng)用于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于單片機(jī)控制是本系統(tǒng)的主要組成部分，因此單片機(jī)的選擇決定了本數(shù)字毫伏表的測(cè)量質(zhì)量和性價(jià)比。為了簡(jiǎn)化單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)，從而降低成本，我們選用PHILIPS的P87LPC764型OTP單片機(jī)。它是一種8051改進(jìn)型MCU，可以提供4k字節(jié)OTP程序空間和128字節(jié)RAM。它不僅具備51系列單片機(jī)的現(xiàn)有功能，而且還增加了其他功能，如WDT看門狗，I2C總線，上電復(fù)位檢測(cè)、欠壓復(fù)位檢測(cè)等其他功能，以確保I/O口驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到20mA，運(yùn)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51的兩倍，并且溫度范圍達(dá)到了工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（-40~85°C），單片機(jī)本身的可靠性，即電磁兼容特性也非常好，功耗很低。主要組成從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，所有的MCS-51系列單片機(jī)都是以Intel公司最好推出的8051為核心，增加了一定功能部件后增加了產(chǎn)品型號(hào)，但單片機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和外部引腳基本上是一致的，它是在一塊芯片上面集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O功能器件。外部引腳說明Vcc，GND正電源端與接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的單片機(jī)可以允許不同的工作電壓，不同的單片機(jī)表現(xiàn)出的功耗也不同。XTAL1,XTAL2片內(nèi)振蕩電路輸入/輸出端。RESET復(fù)位端（正脈沖有效，寬度>10mS)，復(fù)位使單片機(jī)進(jìn)入某種確定的起始狀態(tài)。EA/Vpp片外程序存儲(chǔ)器選用端（ExternalAccessEnable.)/編程電源輸入端。低有效，片內(nèi)無ROM時(shí)必須接地;片內(nèi)有ROM時(shí)應(yīng)當(dāng)接高電平;對(duì)片內(nèi)ROM編程時(shí)編程正電源（21V)加到此端。ALE/PROG地址鎖存允許/編程脈沖輸入端。PO口尋址外部低8位.地址時(shí)接外部鎖存器G端;ALE端平時(shí)會(huì)輸出周期正脈沖:f=fosc/6;對(duì)片內(nèi)ROM編程時(shí)編程脈沖由此端加入。PSEN尋址外部程序存儲(chǔ)器時(shí)選通外部ROM、EPROM的讀控制端（OE）低有效。PO.O-P0.7雙向IO(內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管上拉)，尋址外部程序存儲(chǔ)器時(shí)分時(shí)作為雙向8位數(shù)據(jù)口和輸出低8位地址復(fù)用口;不接外部程序存儲(chǔ)器時(shí)可作為8位準(zhǔn)雙向IO口使用。P1.0-P1.7準(zhǔn)雙向I/O口（內(nèi)置了上拉電阻）。P2.O-P2.7雙向IO(內(nèi)置了上拉電阻）尋址外部程序存儲(chǔ)器時(shí)輸出高8位地址;不接外部程序存儲(chǔ)器時(shí)可作為8位準(zhǔn)雙向I/O口使用。P3.0-P3.7雙功能口（內(nèi)置了上拉電阻)，它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能時(shí)它就是普通的通用準(zhǔn)雙向I/O口。P3口的第二功能見下表：引腳第二功能P3.0RxD:串行口接收數(shù)據(jù)輸入端P3.1TxD:串行口發(fā)送數(shù)據(jù)輸出端P3.2INT0:外部中斷0請(qǐng)求輸入端P3.3INT1:外部中斷1請(qǐng)求輸入端P3.4T0:定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.5T1:定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.6:片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端P3.7:片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路可以由外部提供或單片機(jī)上的晶體振蕩器提供，但在通用系統(tǒng)中經(jīng)常使用外部時(shí)鐘輸入。因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘輸入具有精準(zhǔn)度高、穩(wěn)定性好、使用方便的特點(diǎn)。因?yàn)橄到y(tǒng)工作是以時(shí)鐘為基準(zhǔn)，所以如果時(shí)鐘質(zhì)量不好，將很難保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此，在使用外部時(shí)鐘時(shí)，選擇晶體振蕩器應(yīng)對(duì)其穩(wěn)定性和毛刺進(jìn)行全面的檢查，以保證系統(tǒng)能夠可靠的工作。單片機(jī)的時(shí)鐘電路由外接的一只晶振、兩只起振電容和單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路構(gòu)成，通常MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶振在1.2~24MHz之間選擇，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用11.0592MHz的晶振。而電容可以在20~100pF之間選擇，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，C1、C2通常取22pF。在MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。時(shí)鐘電路如圖所示。復(fù)位電路復(fù)位電路是用于將\t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"電路恢復(fù)到其原始狀態(tài)的電路設(shè)備，其操作原理類似于計(jì)算機(jī)，但其啟動(dòng)原理和手段有所不同。復(fù)位電路有三種方式。一是在給電路通電時(shí)馬上進(jìn)行復(fù)位操作；二是在必要時(shí)可以由手動(dòng)操作；三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動(dòng)地進(jìn)行。復(fù)位電路都是比較簡(jiǎn)單的大都是只有\(zhòng)t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"電阻和\t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"電容組合就可以辦到了，再復(fù)雜點(diǎn)就有\(zhòng)t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"三極管等配合程序來進(jìn)行了。由于本文的數(shù)字毫伏表的系統(tǒng)運(yùn)行需要，我們采用按鍵復(fù)位的方式，如圖所示在單片機(jī)啟動(dòng)0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。復(fù)位使單片機(jī)進(jìn)入某種確定的初始狀態(tài)如下：·PC值歸零（0000H）；·各個(gè)SFR被賦予初始值： P0~P3=0FFH,Acc=0,B=0,TH0=0,TL0=0,TH1=0,TL0=0,SP=7,PSW=0·退出處于節(jié)電工作方式的停頓狀態(tài)，推出一切的程序進(jìn)程，推出程序 死循環(huán)，從頭開始。PC于SFR復(fù)位狀態(tài)見下表。寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTCON00HA00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUFXXHIE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H液晶顯示電路LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。4LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。原理圖如下LCD1602采用的是在標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其引腳功能如下：引腳引腳功能VSS電源地。VCC電源正極接5V。V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高的時(shí)候容易產(chǎn)生“鬼影”現(xiàn)象，實(shí)際使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整它的對(duì)比度）。RS寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平0時(shí)選擇指令寄存器。RW讀寫信號(hào)線，高電平1時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平0時(shí)進(jìn)行寫操作。E/RN使能端，高電平1時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。D0~D78位雙向數(shù)據(jù)端。LED+背光正極，接4.8~5V。LED-背光負(fù)極，接0V。直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)通常，毫伏表在測(cè)量范圍最小的信號(hào)時(shí)對(duì)外部信號(hào)非常敏感。如果毫伏表的電源和被測(cè)電路的電源共用同一地，則毫伏表的地與測(cè)量電路的地之間可能存在電位差，并且該電位差將被認(rèn)為是其中的一部分。毫伏表輸入信號(hào)的變化引起測(cè)量偏差。直流穩(wěn)壓電源是解決這一問題的有效方法。系統(tǒng)需要有穩(wěn)定的±5V、15V直流電源才能正常運(yùn)行，根據(jù)直流穩(wěn)壓電源的原理，其方框圖如圖所示。變壓器的選擇在串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，確定變壓器的次級(jí)電壓很重要。如果為了有富余而把二次電壓做得較高，就會(huì)增加調(diào)整管的損耗，這樣得相應(yīng)地增大散熱器。因此，要設(shè)計(jì)性能卓越的電源，通常需要多次調(diào)整變壓器參數(shù)的值。設(shè)計(jì)中采用的LM317的輸出電壓是在1.2~37V的變化范圍之內(nèi)，通過公式(為次級(jí)線圈產(chǎn)生的二次電壓)，而LM317輸入電壓與輸出電壓之差一般在5~15V范圍，取，得，經(jīng)計(jì)算可確定二次電壓為29.16V。于是確定變壓器的電感比值調(diào)為10000:174。整流器的選擇在設(shè)計(jì)中，整流二極管用于形成整流橋以進(jìn)行整流，因?yàn)槎O管的選擇需要根據(jù)二極管的反向耐壓和正向電流。由于濾波電容的容量愈大，二極管導(dǎo)通角愈小，通過二極管脈沖電流的幅度愈大，因此，整流管的幅值電流必須加以考慮。流過整流管的平均電流，考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的2~3倍。由于LM317負(fù)載電流最大為1.5A，但是本題要設(shè)計(jì)出最大電流為500mA，取二極管的平均最大電流為整流二極管IN4007的最大正向平均整流電流為1A，極限參數(shù)，符合上述條件，所以我們選擇IN4007作為整流二極管。濾波元件的選擇濾波電解電容的選擇原則是:取其放電時(shí)間常數(shù)大于充電周期的3～5倍，即。其耐壓值Uc必須大于脈動(dòng)電壓峰值。對(duì)于橋式整流電路來說，脈動(dòng)電壓峰值為的充電周期等于交流電源周期T的一半，即式中為整流后的等效負(fù)載電阻，而則值為930uF，取1000uF。穩(wěn)壓片的選擇為了穩(wěn)定電壓，通常會(huì)采用三端穩(wěn)壓芯片。三端穩(wěn)壓器件具有輸入、輸出和公共端三個(gè)端子，其內(nèi)部主要由采樣、基準(zhǔn)、放大、調(diào)整和保護(hù)電路組成，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。主要的穩(wěn)壓器件有78系列和79系列，其中78系列輸出正電壓，79系列輸出負(fù)電壓。在設(shè)計(jì)中需要正負(fù)15V和正負(fù)5V的電源，則使用7815和7805輸出正的15V和5V電源;使用7915和7905產(chǎn)生-15V和-5V電源。為了減小誤差，穩(wěn)壓器的輸入和輸出端子通常需要連接到電容器進(jìn)行濾波。輸入端接入電容是為了減小紋波、消振、抑制高頻和脈沖干擾，通常取0.1~0.47uF;輸出端的電容則是為了改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取1uF。外部引腳說明在設(shè)計(jì)過程中，用四個(gè)IN4007組成整流橋。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，前級(jí)濾波電容取1000uF，后級(jí)濾波電容取0.1uF就可以使該直流電源達(dá)到非常好的穩(wěn)定性;穩(wěn)壓片采用78系列均可以滿足要求;而且電源帶負(fù)載能力非常強(qiáng)，能很好完成對(duì)單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。在仿真的基礎(chǔ)上考慮實(shí)物調(diào)試時(shí)可能的誤差，就采用78的穩(wěn)壓管，該系列的穩(wěn)壓管輸入電壓為12V。硬件部分原理圖將以上介紹的部分整合設(shè)計(jì)，最終完成的電路原理圖如下圖所示軟件電路設(shè)計(jì)軟件部分主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、控制繼電器實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換和顯示測(cè)量電壓的有效值和單位等。由于各個(gè)部分之間沒有從屬關(guān)系，因此信息交換僅通過共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行，并且系統(tǒng)的主要功能是自動(dòng)完成信息以及系統(tǒng)中的相應(yīng)功能。將主控模塊和其他功能模塊相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部連接，達(dá)到智能化和自動(dòng)化的目的。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖所示。衰減電路控制及數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)位浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)需要我們的單片機(jī)將其轉(zhuǎn)換位字符數(shù)組，以便將其顯示在液晶屏上。我們需要編寫一個(gè)子程序，將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為字符型。轉(zhuǎn)換函數(shù)實(shí)際上是將各位數(shù)字分開，重新組合新的字符數(shù)組，然后將其顯示在液晶屏上。要將各位數(shù)分開，我們先將我們的待轉(zhuǎn)換數(shù)除以10000，這樣我們得到的整數(shù)就是萬位上的數(shù)，除以1000后，我們得到以千為單位的數(shù)，除以100后，我們得到以百為單位的數(shù)，以此類推。然后，將這些數(shù)字分別加上DX04，就可以得到轉(zhuǎn)換后的ASCII碼。獲得的ASCII碼送至液晶屏顯示數(shù)據(jù)。量程自動(dòng)切換根據(jù)本文的數(shù)字毫伏表的系統(tǒng)要求，數(shù)字毫伏表的量程為0V~36V，我們可以把它分為2個(gè)檔位：0~2V和2~36V。先從AD7705芯片中讀取到測(cè)量出的電壓值，將測(cè)量出的電壓值與2V電壓值相比較，如果小于2V電壓值，則不需要衰減，將電壓值直接送至LCD顯示即可。如果大于2V則需要衰減，然后再送至LED顯示A/D轉(zhuǎn)換對(duì)AD7705設(shè)置它的程序代碼，用來實(shí)現(xiàn)電壓采集。向通信寄存器寫數(shù)據(jù)，并且選擇CH1作為有效的通道，將下一個(gè)操作設(shè)為對(duì)時(shí)鐘寄存器進(jìn)行寫操作。對(duì)時(shí)鐘寄存器進(jìn)行寫操作，設(shè)置CLKDIV位，將外部時(shí)鐘除以2。更新速率選為50Hz。向通信寄存器寫數(shù)據(jù)，選擇CH1作為有效通道，將下一個(gè)操作設(shè)置為對(duì)設(shè)置寄存器的寫操作。向設(shè)置寄存器寫數(shù)據(jù)，將增益設(shè)為1，設(shè)置雙極性，非緩沖模式，清楚濾波器同步，開始自校準(zhǔn)查詢DRDY輸出從數(shù)據(jù)寄存器上讀數(shù)據(jù)跳回5、6步，知道從選定的通道中取出指定數(shù)量的采樣液晶顯示液晶顯示在系統(tǒng)中的作用是將經(jīng)過處理的模擬信號(hào)電壓值顯出出來。首先要初始化LCD，設(shè)置顯示屏的工作模式，使LCD屏顯示兩行，每行16個(gè)字，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)。這樣的兩行顯示能將數(shù)值和毫伏表檔位同時(shí)顯示出來。初始化LCD后進(jìn)行讀、寫操作，將經(jīng)過處理的模擬信號(hào)電壓值寫入LCD寄存器內(nèi)，再調(diào)用顯示程序，將電壓值和量程檔位顯示出來。測(cè)量結(jié)果和誤差成品設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，計(jì)算其誤差值是否在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。采用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值和設(shè)計(jì)的數(shù)字毫伏表的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。測(cè)量過程我們采用了F40型數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。F40型數(shù)字信號(hào)發(fā)生器是一臺(tái)精密的測(cè)量?jī)x器。具有輸出函數(shù)信號(hào)、調(diào)頻、調(diào)幅、FSK、PSK、猝發(fā)、頻率掃描等信號(hào)功能。在進(jìn)行對(duì)比測(cè)量時(shí)，主要用的是輸出函數(shù)信號(hào)的功能。下圖為儀器的前面版圖。使用儀器前，先檢查電源電壓是否符合儀器電壓工作范圍，確認(rèn)無誤后，方可將電源線插入電源插座內(nèi)。仔細(xì)檢查測(cè)試系統(tǒng)的電源情況，保證其良好連接，儀器外殼和所有外露金屬均接地。按下面板上的電源按鈕，接通電源，先設(shè)定1kHz的頻率。按【頻率】鍵，顯示當(dāng)前頻率值。然后用鍵盤輸入頻率值，或調(diào)節(jié)旋鈕輸入頻率值然后設(shè)置輸出信號(hào)的有效值，按下【幅度】鍵，顯示出當(dāng)前幅度值，幅度值的輸入和顯示有三種格式：峰峰值Vp-p、有效值Vrms和dBm值。用不同的單位區(qū)分輸入。用鍵盤或旋鈕輸入我們需要的電壓有效值，然后選擇單位【Vrms】就可以輸出我們需要的信號(hào)有效值。還可以選擇輸出波形，按下【shift】鍵后再按下波形鍵，就可以選擇正弦波、方波、三角波、等五種常用的波形。本文使用的被測(cè)信號(hào)為正弦波，頻率為20Hz~1MHz。將輸出的信號(hào)與數(shù)字毫伏表的端口相接，接地端接地。就可以在屏幕中讀出經(jīng)過毫伏表測(cè)量出來的數(shù)據(jù)。毫伏表測(cè)量出來的有效值與信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的有效值進(jìn)行對(duì)比，便得到了測(cè)量結(jié)果。在0~2V和2~36V之間均勻選擇點(diǎn)位，依次對(duì)比測(cè)量。整理測(cè)量出來的數(shù)據(jù)得到下表。測(cè)量結(jié)果下圖是本文的設(shè)計(jì)成品，在量程0~2V間的測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示：測(cè)量結(jié)果測(cè)量次數(shù)/V/V絕對(duì)誤差/V相對(duì)誤差10.200.19-0.01-5.00%20.400.410.012.50%30.600.630.035.00%40.800.840.045.00%51.001.020.022.00%61.201.18-0.02-1.67%71.401.430.032.14%81.601.630.031.87%91.801.78-0.02-1.11%102.001.98-0.02-1.00%在量程2~36V間的測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示：測(cè)量結(jié)果測(cè)量次數(shù)/V/V絕對(duì)誤差/V相對(duì)誤差12.001.98-0.02-1.00%26.006.040.040.67%310.009.95-0.05-0.50%412.0011.94-0.06-0.50%516.0015.98-0.02-0.12%620.0019.96-0.04-0.20%724.0023.92-0.08-0.33%828.0027.91-0.09-0.32%932.0031.89-0.11-0.34%1036.0035.85-0.15-0.42%誤差計(jì)算在0~2V間，測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差；在2~36V間，測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差。經(jīng)過測(cè)量，可以看出本文設(shè)計(jì)的數(shù)字毫伏表在2~36V量程檔位內(nèi)誤差最小，整體誤差小于3.00%。符合數(shù)字毫伏表的系統(tǒng)要求。結(jié)語本次的課程設(shè)計(jì)需要我運(yùn)用大學(xué)四年以來所有的知識(shí)，從最基礎(chǔ)的電路基礎(chǔ)知識(shí)，到模擬電路、數(shù)字電路基礎(chǔ)，還有單片機(jī)技術(shù)。在設(shè)計(jì)的過程中，我也充分的認(rèn)識(shí)到了我的不足之處。在導(dǎo)師的幫助下，在我大學(xué)的第四年完成了這個(gè)設(shè)計(jì)。剛拿到這個(gè)課題時(shí)，我就有了一些的靈感。在我們平常使用萬用表做電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常需要我們?nèi)デ袚Q它的檔位，找到合適的檔位后才能讀出我們需要的參數(shù)。如何去改進(jìn)這一點(diǎn)呢？在單片