7.第三章 结果与论讨论.doc

第三章 硬件电路设计 3.1 电压测量电路 如图3.2.1所示，被测电压（0-200V）从DC V端输入，通过单片机控制模拟开关CD4052选择相应的量程，将被测电压值衰减到0-200mV，然后在经过由精密运算放大器OP07组成的放大电路，将电压值放大10倍后输入到A/D转换器MC14433的Vin端。分压电阻采用误差为±0.5%的精密金属膜电阻。 图3.2.1 直流电压测量电路 在实践中采用该方案时，若输入信号小于正5伏，结果正确，但是当输入信号大于正5伏时，模拟开关CD4052和集成运放OP07CP均工作不正常。向老师请教后，得知该方案中，输入信号不经过任何衰竭直接加在模拟开关的1脚，使模拟开关处于不受保护的状态，当输入信号为大信号时，可能会使模拟开关工作不正常，甚至烧毁模拟开关,且模拟开关与运放直接相连，导致运放处于不受保护的工作状态。 为了解决这些问题，我修改了设计电路。如下图3.2.2所示，该电路输入信号经过100千欧的电阻，从集成运放的反相输入端输入，由电阻、模拟开关和运放组成放大倍数可调的比例电路，并且这个100千欧的电阻还可以起到限流的作用，成功的解决了原电路的弊端。实践证明，该电路可以达到任务书的要求。 图3.2.2 改进后的直流电压测量电路 3.2 直流与交流的转换电路 方案一：半波整流电路。利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，且能满足设计要求。 方案二：采用真有效值转换芯片,性能参数方面也都能满足设计要求,并且还能测量非正弦波，但一般真有效值转换芯片价格比较贵。 鉴于此，故采用方案一。 如图3.3所示,这个电路是利用低漂移单运算放大器TL062与二极管D1 1N4148组成平均值响应的线性半波整流电路。该电路可避免二极管在小信号整理时所引起的非线性误差，使交流/直流转换电路的输入电压与输出电压成线性关系，适合测量40-400Hz的正弦电压，测量准确度优于±1%。 图3.3 交流/直流转换电路图 3.3 电阻与电压的转换电路 方案一：利用运算放大器采用反相比例运算的方法进行测量。该方法实现比较简单，且能满足设计要求。 方案二：采用分压原理，利用流过标准电阻R0和被测电阻Rx的电流基本相等来得到电压与电阻的关系，但当电阻很小时电流过大。 鉴于此，故采用方案一。 如图3.5所示。稳压二极管1N4730A的稳压值为3.9V（即B点处电压值），采用运算放大器反相比例运算的方法，将B点处的电压值衰减到2V（即A点处电压值），单片机通过控制模拟开关MAX4618（超低导通电阻）选择适当的标准参照电阻R1 ，再利用运算放大器反相比例运算的方法，将被测电阻RX的阻值转换成与之相对应的电压量，输入A/D转换电路。 电阻/电压转换电路的计算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1* Uin/ UA。 图3.5 电阻/电压转换电路图 3.4 A/D转换电路 A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。所以我依据设计性能指标要求，并综合A/D转换器的性能指标和价格选择了ICL7106和MC14433这两个A/D转换器作为候选芯片。ICL7106的输入阻抗为1010Ω，转换速率为0.1-15次/s，转换准确度为±0.05%±1个字；MC14433的输入阻抗为109Ω，转换速率为3-10次/s，转换准确度为±0.05%±1个字，因此这两块芯片的性能指标大大超过设计要求的性能指标。由于以上我们经过论证，MC14433为更好的选择，所以我们选用MC14433作为我们的A/D转换芯片。 MC14433是美国摩托罗拉（Motorola）公司生产的COMS单片3 1/2位A/D转换器，也是目前国内外数字式多用表中普遍采用的一种芯片。 MC14433的主要特点： 工作电压为±4.5-±8V。一般选典型值±5V，工作电流小于2mA，功耗为8mW。 输入阻抗为109Ω，转换速率为3-10次/s，转换准确度为±0.05%±1个字。 采用CMOS工艺制成的大规模集成电路(LSI)。 芯片内部设有时钟振荡器，使用时仅需外接一只振荡电阻。亦可采用外部时钟输入方式，时钟频率范围大约为48kHz-160kHz。 有多路调制的BCD码输出，可直接配微型计算机或打印机。 具有超量程、欠量程指示信号，便于实现自动量程转换。 能增加读数保持功能。 采用动态扫描显示方式。 如图3.1所示,MC1403提供输出可调基准电压Vref（大小为2V），被测信号（0-2V的直流电压）从MC14433的Vin引脚输入A/D转换器MC14433，每次当A/D转换结束时，MC14433的EOC引脚会输出一个高电平脉冲送给单片机，然后单片机会对MC14433的DS1-DS4引脚进行动