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数字电压表的设计 1. 方案选择 2. A/D转换接口电路设计 3. 放大电路设计 4. 显示电路设计 5. 自检与自动校准、自动量程转换电路设计 6. 外部通讯接口 7. 基本要求 8. 扩展要求 1. 方案选择 全硬件实现； 基于单片机实现； 1.1 全硬件实现 选择具有直接驱动LED或LCD显示的A/D转换器，其工作过程完全由硬件控制。该类ADC如ICL7106。 原理框图 1. 方案选择 1.1 基于单片机实现 方案要点 选择合适的A/D转换器； 工作过程由单片机软件控制； 优点：扩展功能；数据处理；外部数据通讯 原理框图 2. A/D转换接口电路设计 ADC类型：数字电压表中常采用双积分式ADC。具有较高的抗干扰特性。 分辨力与转换速度：12~16bit或31/2~41/2 ；几次~几百次/秒。 启动信号：输出接口的某个位；单片机中可采用具有位操作的口线，如P1x。 转换状态信号： 查询方式：通过输入接口的某个位读取转换状态信号； 通过单片机具有位操作的口线读取，如P1x。 中断方式：将转换状态信号用作中断信号。 2. A/D转换接口电路设计 参考（基准）电压：根据双积分A/D转换原理，需要一个参考电压，对于没有内部基准的ADC，需外部提供。需注意基准电压源的温度系数。如对于16bit ADC，1LSB=1/216=1/65536=15ppm，即基准电压源的温度系数应好于15ppm。 参考时钟：一般可采用外部晶体振荡器构成。 A/D转换结果的数字量读取：二进制或十进制；输出编码方式；并行或串行；内部输出锁存；对8位单片机需用软件两次读取。 溢出、极性：A/D转换结果除数字量外，一般还有溢出位和极性位。 积分电容、积分电阻： 基本关系式： 3. 放大电路设计 仪用放大器（IA，Instrument Amplifier） 基本结构： 增益公式 3. 放大电路设计 特点： 三运放结构； 高共模抑制比； 双端差分输入?单端输出； 通常改变电阻R1，可改变增益； 设计选型 采用三运放构成，如OP07； 采用集成IA，如AD620、PGA系列； 对于小信号放大，通常采用两级放大。 4. 显示电路设计 显示方式选择： 静态显示/动态扫描； 对于3~4位数字电压表，可采用静态显示方式 显示器件：LED或LCD 静态显示接口设计： BCD?七段码译码器； 驱动器； 锁存器； 通常：采用集成化器件，即译码器+驱动器+锁存器，如常用的CD4511。 注意：加限流电阻。 自检与自动校准、自动量程转换电路设计 自检 输入为已知的参考电压或接地（0V），检测A/D转换结果。 多个量程的自检，需要不同的参考电压。参考电压大小一般可设置为80~90%FS。 通过多路转换开关（MUX）切换参考电压和被测电压。 自动校准 测量电路、内部器件存在零点和增益的漂移。 校准原理： 5. 自检与自动校准、自动量程转换电路设计 5. 自检与自动校准、自动量程转换电路设计 自动量程转换 当被测电压变化时，选择合适的输入放大器增益，充分利用A/D转换器的动态范围，有利于提高测量分辨力。 改换量程方式：手动、自动。 自动量程转换原理： 注：相邻量程之间应有一定重叠。 6. 外部通讯接口 常用接口方式：RS-232、EPP、USB RS-232: 电平转换； 设计：UART芯片（如8250）或单片机的UART（最简单的三线串口：发送、接收、信号地）。 通讯规约：自定义——需考虑引导头、数据块、校验码等。实现——软件编程。 7. 基本要求 1. 基本功能：数字电压表的电压测量。 2. 注重独立完成资料查阅、方案设计、原理设计、器件选型、实验板制作、调试、测试、分析、撰写设计报告的全过程训练。 3. 可参考已有设计或其它同学设计，但必须对设计方案和原理进行较细致的阐述。 4. 分辨力： 31/2~41/2 或12bit~16bit。 5. 量程：4档，可手动切换。 6. 设计报告： 按科技文献的规范化要求撰写。 应有测试数据及误差分析。 8. 扩展要求 除基本要求外，包括以下一项或多项： 1. 电流或电阻测量功能； 2. 自检； 3. 校准； 4. 自动量程转换； 5. LCD显示； 6. 外部通讯接口； 6. 较好的设计工艺，具有一定的实用价值； 7. 设计报告规范、完整、图表齐全、逻辑性强、可读性好、数据分析正确。 综合电子技术实验 第*页 ICL7106及 辅助元件 LCD显示器 量程切换电路 被测量 ? ? ? ? ? ? ? ? 校准过程： （1）零点校准： （2）参考电压校准： （3）接入被测电压： 校准后结果：