G题《积分式直流数字电压表》解析

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1、积分式直流数字电压表2007年全国大学生电子设计竞赛试题G题武汉职业技术学院吴贻文2008.07.10积分式直流数字电压表(G题)一.题目要求二.题目分析及系统框图三.方案论证及设计主要内容:积分式直流数字电压表(G题)一.题目要求1．任务在不采用专用A/D转换器芯片的前提下，设计并制作积分型直流数字电压表。积分式直流数字电压表(G题)2．要求一.题目要求(1)．基本要求①测量范围：10mV～2V；②量程：200mV，2V；③显示范围：十进制数0～1999；④测量分辨率：1mV（2V档）；⑤测量误差：≤±

2、0.5％±5个字；⑥采样速率：≥2次/秒；⑦输入电阻：≥1M；⑧具有抑制工频干扰功能。积分式直流数字电压表(G题)(2)．发挥部分①测量范围：1mV～2V；②量程：200mV，2V；③显示范围：十进制数0～19999；④测量分辨率：0.1mV（2V档）；2．要求一.题目要求⑤测量误差：≤±0.05％±5个字；⑥具有自动校零功能；⑦具有自动量程转换功能；⑧其他。积分式直流数字电压表(G题)二.题目分析及框图设计1．A/D转换电路分析¤数字电压表的核心部分是A/D转换电路。¤目前A/D转换电路形式有：逐次逼

3、近型、并行比较型、双积分等。¤各种转换形式各有优缺点。¤其中双积分的A/D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。¤各类均有专用A/D转换器芯片。¤题目明确的指出采用双积分A/D，且不能用专用A/D芯片（例如7135等）。积分式直流数字电压表(G题)二.题目分析及框图设计2．系统框图电源控制处理单元（MCU）滤波电路自动校零程控放大小信号处理积分器显示键盘输入积分式直流数字电压表(G题)二.题目分析及框图设计3．系统框图组成¤程控放大电路：完成输入信号的调理和量程（200mV，2V

4、或更多）的转换。¤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。¤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。¤键盘、显示电路：完成人机对话。¤电源电路：为各电路提供电源。积分式直流数字电压表(G题)三.方案论证及设计1．程控放大器根据题目要求我们将量程分成三档：20mV、200mV、2V,其中200mV、2V为题目的要求，20mV为扩展量程。当输入信号小于20mv时放大100倍，当输入信号大于20mV但小于200mv时放大10倍，输入信号为2

5、00mv～2v时输入信号不放大，这样处理后使各输入电压统一调理为0～2V。为防止自动量程转换时的抖动，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，同时输入级要求输入电阻≥1M。积分式直流数字电压表(G题)三.方案论证及设计1．程控放大器方案一:采用同相放大器,如下图：S1、S2、S3三个开关由单片机控制，分别完成放大1、10、100的功能，S1、S2、S3的闭合情况由单片机根据Vo的值自动完成，能实现自动量程转换功能；同时采用了同相放大器，输入阻抗Rif＝Ri×（1＋AF）,满足输

6、入电阻≥1M。此电路的缺点为：不能实现差分输入，且抗共模干扰能力还需加强。积分式直流数字电压表(G题)方案二:采用三运放构成的仪表放大器，如下图：S1、S2开关由单片机控制，分别完成放大1、10、100的功能，能实现自动量程转换，计算如下：当S1闭合、S2断开时：放大倍数A1=1+2R1/RG1≈100(选择合适的RG1)当S2闭合、S1断开时：放大倍数A2=1+2R1/RG2≈10(选择合适的RG2)当S1断开、S2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等优点。

7、积分式直流数字电压表(G题)积分式直流数字电压表(G题)三.方案论证及设计1．程控放大器方案三:采用专用仪表放大器芯片（如INA128等）。此方案除具有方案二的优点外，还具有外围接线简单的优点，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入电阻≥1M的要求。积分式直流数字电压表(G题)三.方案论证及设计2．自动校零电路输入电压信号经过信号调理电路（程控放大等）、双积分电路等处理，最后转化成时间信号，单片机将时间量化成数字信号输出。由于外界因素（如温度等）的影响，即使输入的电压信号等于0，输出的数

8、值也不等于0，且数值随外界因素（如温度）的变化而变化，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。积分式直流数字电压表(G题)三.方案论证及设计2．自动校零电路方案一：手动零点调节：每次适应时，先将输入手动短路，调节相应的电位器，使输出等于0。此方案实时性差，当环境（温度等）发生变化时，需要重新校零，且需要手动调节电位器，不满足题目的“自动校零”的要求。积分式直流数字电压表(G题)三.方案论证及设计2．自动校零电路