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第一篇：电压表设计论文范文
简易数字电压表的设计
摘 要：设计采用计数器74LS160、74LS161、V-F转换器LM331、集成运算放大器、555定时器、石英晶体震荡器和共阳极数码管为主要硬件，分析了数字电压表的proteus、multisim软件仿真电路的设计，最后用PROTEL软件完成印刷电路板的设计制作。设计的数字电压表可以完成正弦波，三角波和方波幅度测试，电压峰峰值Vpp为500mV～10V，测量误差小于3%。
关键词：数字电压表 V-F转换 设计
1 方案选择
通常情况对于电压的数字测量，采用A/D转换器如(ADC0809)实现模拟量电压到数字量转换，控制核心ATC89C51等单片机对转换结果进行运算处理，最后驱动输出装置显示测量结果。此种方案的测量精度较高，但成本也较高，软件编程复杂，对于一些低测量精度精度要求场合并不适用。于此决定采用一种不需要使用A/D转换和单片机的低成本方案。将电压模拟量通过LM331(电压—频率转换芯片)线性转换为与之对应的频率量，并通过构建的计数显示电路显示测量结果。
2 电路设计——V-F(电压-频率)转换电路
此电路由LM331芯片、电阻电容等元器件构成。
LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331的动态范围宽, 可达 100dB;线性度好，最大非线性失真小于 0.01%，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高，数字分辨率可达12位;外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。
电参数计算公式如下：
转换要求输入1V时，其输出频率为1000Hz;输入5V时，其输出频率为5000Hz，从而计算得到Rs=18K，Ri=100K，Rt = 8.8K，Ct = 0.01uf。
3 峰值检波电路
为实现精密的线性整流，必须解决两个问题：(1)改善二极管的非线性特性，以实现良好的线性转换关系;(2)减少二极管阈值电压的影响，使其能对尽可能小的输入信号进行转换。
采用运放和普通二极管组成的有源整流电路，能有效的解决以上两个问题。
设计电路由LM358AD运算放大器，二极管1N5617，电阻，电容等元器件构成。此电路是由一级运放构成，二极管D2至于反馈电路中。运算放大器U3与电容C1一道构成峰值检波电路;运算放大器U1构成跟随器，使峰值检波电路与后面的电路隔离。此部分电路可以记忆并追随输入的三角波，方波，正弦波的最大正峰值并输出检波后的直流电压信号。
4 频率计数显示电路
直接使用十进制计数器74LS160完成对脉冲的计数，同时利用晶振电路产生一秒的高电平，运用门电路及单稳控制计数器在一秒高电平中完成计数。最后使用锁存器计数所得数值并输送给译码显示电路。
4.1 时间基准T=1S产生电路
测量频率是按照频率的定义进行的，若T=1s，计数器显示数字N，则Fx=N。若取T=0.1s，通过闸门的脉冲个数为N1时，则Fx=N1/0.1=10N1。由此可见闸门时间决定量程，T的大小可以通过分频器选择，选择大一些，测量准确度就高一些。根据被测频率选择闸门时间，闸门时间为1S，被测信号频率通过计数锁存可以直接从计数显示器上读出。
这部分的作用就是提供准确的计数时间T，它由高稳度的石英晶体振荡器，分频整形电路组成。无源晶振产生F=32.768KHZ的脉冲，其幅度经过74LS14整形为0-5V的方波，其频率经过四个74LS161计数器进行16次分频，输出频率为0.5HZ的方波信号。
4.2 计数脉冲形成电路
这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲，它一般由放大整形电路和主门(与门)电路组成。被测输入周期信号(频率为Fx，周期为Tx)经放大整形的周期为Tx的窄脉冲，送至与门的一个输入端。主门的另一个控制端输入的是时间基准产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门期间，周期为Tx的窄脉冲才能经过主门，在主门的输出端产生输出。在闸门脉冲关闭主门期间，周期为Tx的窄脉冲不能经过主门，在主门的输出端产生输出。
4.3 计数显示电路
这部分电路的作用简单的说，就是计数被测周期信号在闸门宽度T的时间内重复的次数，显示被测信号的频率。它由计数器、锁存器、译码器、单稳态触发器和显示器组成。其中计数器按十进制计数。如果在系统中不接锁存器，则显示器上数字就会随计数器的状态不停地变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以，在计数器后边必须接锁存器。锁存器的工作是受单稳态触发器控制的。单稳的上升沿作为锁存器的锁存脉冲。
锁存器在锁存脉冲作用下，将门控信号周期T内的计数结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用，同时把所存出的状态送入译码器译码，在显示器上得到稳定的计数显示。
为了使计数器稳定准确的工作，利用开关的开启闭合产生清零脉冲，使所有的计数器74LS160清零，为下次测量做好准备。
5 理论误差分析
5.1 计数器计数误差(€·误差)
测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，也就是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，即便在相同的主门开启时间T 内，计数器所得的数却不一定相同，造成多计一个数或者少计一个数。€%=N的取值只有三个值，即€%=N=0，1，-1。所以，脉冲计数的最大相对误差为
式中，fx为被测信号频率，T为闸门时间。
5.2 闸门时间误差(时基误差)
闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，产生测频误差。闸门时间T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc，分频系数为K，所以 由误差合成原理可知
5.3 计数测频总差
有误差合成原理可得计数总误差最大为
由于晶振相对量化误差很小，所以忽略不计。将测量下限fc=50Hz代入上式，可得最大频率测量误差约为2%。
5.4 电压峰值检波误差
经过Multisim仿真，输入1kHz，峰峰值为1V的三角波，检波电路输出为0.99446V的直流电压。相对误差为(电压越小，相对误差越大，且方波、正弦波检波误差均小于三角波)。
5.5 电压测量总误差
根据误差合成原理
代入上式计算可得
参考文献：
[1] 康华光.电子技术基础(数字部分)(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[2] 李希文.电子测量技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.
作者：张俊 钟知原 王曰根
第二篇：基于ＰＣ的数字电压表设计
本文运用AT89S51和AD678进行A/D转换，根据数据采集的工作原理，设计实现数字电压表，最后完成单片机与PC的数据通信，传送所测量的电压值
数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。传统的数字电压表各有特点，它们适合在现场做手工测量，要完成远程测量并要对测量数据做进一步分析处理，传统数字电压表是无法完成的。然而基于PC通信的数字电压表，既可以完成测量数据的传递，又可借助PC，做测量数据的处理。所以这种类型的数字电压表无论在功能和实际应用上，都具有传统数字电压表无法比拟的特点，这使得它的开发和应用具有良好的前景。
新型数字电压表的整机设计
该新型数字电压表测量电压类型是直流，测量范围是-5～+5V。整机电路包括：数据采集电路的单片机最小化设计、单片机与PC接口电路、单片机时钟电路、复位电路等。下位机采用AT89S51芯片，A/D转换采用AD678芯片。通过RS232串行口与PC进行通信，传送所测量的直流电压数据。整机系统电路如图1所示。
数据采集电路的原理
在单片机数据采集电路的设计中，做到了电路设计的最小化，即没用任何附加逻辑器件做接口电路，实现了单片机对AD678转换芯片的操作。
AD678是一种高档的、多功能的12位ADC，由于其内部自带有采样保持器、高精度参考电源、内部时钟和三态缓冲数据输出等部件，所以只需要很少的外部元件就可以构成完整的数据采集系统，而且一次A/D转换仅需要5ms。
在电路应用中，AD678采用同步工作方式，12位数字量输出采用8位操作模式，即12位转换数字量采用两次读取的方式，先读取其高8位，再读取其低4位。根据时序关系，在芯片选择/CS=0时，转换端/SC由高到低变化一次，即可启动A/D转换一次。再查询转换结束端/EOC，看转换是否已经结束，若结束则使输出使能/OE变低，输出有效。12位数字量的读取则要控制高字节有效端/HBE，先读取高字节，再读取低字节。整个A/D操作大致如此，在实际开发应用中调整。
由于电路中采用AD678的双极性输入方式，输入电压范围是-5～+5V，根据公式Vx10(V)/4096*Dx，即可计算出所测电压Vx值的大小。式中Dx为被测直流电压转换后的12位数字量值。
RS232接口电路的设计
AT89S51与PC的接口电路采用芯片Max232。Max232是德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。Max232芯片起电平转换的功能，使单片机的TTL电平与PC的RS232电平达到匹配。
串口通信的RS232接口采用9针串口DB9，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连。在实验中，用定时器T1作波特率发生器，其计数初值X按以下公式计算：
串行通信波特率设置为1200b/s，而SMOD=1，fosc=6MHz，计算得到计数初值X=0f3H。在编程中将其装入TL1和THl中即可。
为了便于观察，当每次测量电压采集数据时，单片机有端口输出时，用发光二极管LED指示。
软件编程
软件程序主要包括：下位机数据采集程序、上位机可视化界面程序、单片机与PC串口通信程序。单片机采用C51语言编程，上位机的操作显示界面采用VC++6.0进行可视化编程。在串口通信调试过程中，借助“串口调试助手”工具，有效利用这个工具为整个系统提高效率。
单片机编程
下位机单片机的数据采集通信主程序流程如图2所示、中断子程序如图3所示、采集子程序如图4所示。单片机的编程仿真调试借助WAVE2000仿真器，本系统有集成的ISP仿真调试环境。
在采集程序中，单片机的编程操作要完全符合AD678的时序规范要求，在实际开发中，要不断加以调试。最后将下位机调试成功而生成的.bin文件固化到AT89S51的Flash单元中。
人机界面编程
打开VC++6.0，建立一个基于对话框的MFC应用程序，串口通信采用MSComm控件来实现。其他操作此处不赘述，编程实现一个良好的人机界面。数字直流电压表的操作界面如图5所示。运行VC++6.0编程实现的Windows程序，整个样机功能得以实现。
功能结果
根据上面所述工作原理及实施方案，在实践中很好地实现了整个样机的功能，各项指标达到了预先的设计要求。电路工作稳定，每次测量均伴有LED发光指示，可视化界面显示也正常。
AD678转换精度是12位，它的分辨率为1/4096。这为整机系统的高精度提供了保障。为了提高测量精度，运用了AD678自带的校准电路，这样使其A/D转换精度更高。在实际测量中，整机测量精度达到了0.8%。
作者：王守华 李 智
第三篇：一种简易数字电压表的设计
摘要：在现代检测技术中，常需用高精度数字电压表进行现场检测，将检测到的数据送入微计算机系统，完成计算、存储、控制和显示等功能。本文中的数字电压表的控制系统采用ATMEL 89C51单片机，A/D转换器采用TLC549为主要硬件，实现数字电压表的硬件电路与软件设计。该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化。
关键词：单片机;数字电压表;A/D转换;模拟信号
1、引言
数字电压表(Digital Voltmeter)簡称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
2、系统硬件设计
硬件电路设计主要包括：ATMEL89C51单片机系统，A/D转换电路，显示电路。图1是数字电压表硬件电路原理图。
2.1 ATMEL 89C51单片机系统和显示电路
由于单片机体积小、重量轻、价格便宜，所以本系统采用ATMEL 89C51单片机，其原理图如图1所示。
89C5l的P1、P3.0～P3-3端口作为四位LED数码管显示控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作TLC549的A/D转换数据读入用，P2端口用作TLC549的A/D转换控制。
2.2 A/D转换电路
D/A转换电路就是将数字信号转换成模拟信号的电路。数据转换精度和转换速度是衡量D/A转换器的重要指标。A/D转换由集成电路TLC549完成。TLC549 A/D转换电路如图2所示。TLC549具有8路模拟信号输入端口，地址线(23～25脚)可决定对哪一路模拟信号进行A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2 s宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。l0脚为0809的时钟输入端，利用单为0809的时钟输入端，利用单片机30引脚的六分频晶振频率再通过14024Z分频得到1MHz时钟。
3、系统软件设计
3.1 初始化程序
系统上电，初始化程序将70H～77H内存单元清0，P2口置0。系统默认为循环显示8个通道的电压值，当进行一次测量后，将显示每一通道的A/D转换值，每个通道显示时间为1 S。70H～77H内存单元存放采样值，78H～7BH内存单元存放显示数据，依次为个位、十位、百位、通道标志位。
3.2 A/D转换子程序
A/D转换子程序用来控制对0809/k路模拟输入电压的A/D转换，并将对应的数值存入70H～77H内存单元。
3.3显示子程序
显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示。测量数据在显示时需转换成BCD码放在78H～7BH内存单元中，其中7BH存放通道标志数。R3作为8路循环控制，R0用作显示数据指针。
4、结语
51系列单片机系统在实际中应用广泛。该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，设计简单，容易实现，适合于要求不同的电子技术应用领域。
参考文献：
[1]《新课程的深化与反思》余文森 、吴刚平著 首都师范大学出版社 2004.1
[2]《单片机原理与应用——基于Proteus与Keil C》林立著 电子工业出版社 2009.7
[3]《点子线路综合设计》，谢自美[J].北京：华中科技大学出版社，2006.
[4]《单片机原理、应用与PROTEUS仿真》张靖武著 电子工业出版社 2008.8
作者：郝岷