關于數字電壓表的設計分析

1、<p>　　關于數字電壓表的設計分析</p><p>　　摘要：由于傳統(tǒng)的數字電壓表成本相對較高、且技術較低端，在維護方面也存在不便，因此，為了符合現代測量儀器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本文在對數字電壓表原理進行分析的基礎上，對數字電壓表的設計作簡要探討，該數字電壓表以單片機為控制核心，采用TLC7135進行A/D轉換，并通過LED顯示轉換結果。 </p><p>　　關鍵詞：數字，電壓表

2、，設計 </p><p>　　Abstract: because the traditional digital voltage meter costs are relatively high, and the lower end of the maintenance technology, also has not, therefore, in order to meet the development tre

3、nd of modern measurement instrument system, based on the analysis of digital voltage meter principle, are discussed in the design of digital voltage meter, the digital voltage meter to single chip microcomputer as contro

4、l core, using TLC7135 for A/D conversion, and display the conversion results by LED. </p><p>　　Keywords: digital, voltage meter, design </p><p>　　中圖分類號： S611文獻標識碼：A文章編號： </p><p><

5、;b>　　一、引言 </b></p><p>　　上世紀五十年代，數字電壓表開始出現，到了六十年代研制 </p><p>　　出了電壓測量儀表（DVM），它結合了數字化測量技術，將連續(xù)的模擬量轉變?yōu)閿嗬m(xù)的數字量，然后再進行數字處理通過顯示器加以顯示?，F階段，數字電壓表已經逐步取代了過去的模擬指針式電壓表。因為傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表功能缺乏，測量精度很低，并且在讀數時也極為

6、不變，很容易出現錯誤。而運用單片機作為核心控制芯片、以TLC7135作為A/D轉換芯片所設計的數字電壓表相對來說提高了測量精度，加快了運行速度，并且在讀數時也非常方便。不僅如此，它較傳統(tǒng)電壓表來說，提高了抗干擾能力與可擴展性強。逐漸應用于電子及電工的測量、工業(yè)自動化儀表以及自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域。因此，研究基于單片機控制的數字電壓表具有非常重要的意義。 </p><p>　　二、數字電壓表的組成原理 <

7、;/p><p>　　數字電壓表是利用模數（A/D）轉換原理，將被測電壓（模擬量）轉換為數字量，并將測量結果以數字形式顯示出來的一種電子測量儀器。一臺典型的直流數字電壓表主要由輸入電路、A/D轉換器、控制邏輯電路、顯示器以及電源電路等幾部分組成。輸入電路和A/D轉換器統(tǒng)稱為模擬電路部分，而顯示器和控制邏輯電路統(tǒng)稱為數字電路部分。因此，一臺數字電壓表除供電電源外，主要由數字和模擬兩部分構成。A/D轉換器是數字電壓表的核心

8、，實現被測電壓轉換成與其成比例的數字量。由于電壓是一個最基本的電量，并且其他許多物理量都能方便地轉換成電壓，因此，電壓—數字轉換器是一種最基本、最常用的A/D轉換方式。由于電壓—數字轉換的原理和方案有很多種，相應地也具有各種不同類型的數字電壓表。 </p><p>　　三、TLC7135簡介 </p><p>　　一個設計的成敗核心問題就是主要器件的選用問題。前面已經提到的A/D轉換器是數

9、字電壓表的核心，因此，A/D轉換器的選用非常重要。TLC7135是高精度4位CMOS雙積分型A/D轉換器，提供±20000（相當于14位A/D）轉換精度（±1）的計數分辨率。 </p><p>　　擁有雙極性相對較高的高阻抗差動輸入、自動進行調零、量程檢測及輸出為動態(tài)掃描的BCD碼等功能。 </p><p>　　TLC7135相對外圍電路提供6個控制信號，所以，除了具有

10、數字電壓表的功能外，還可以和微處理器、非同步接收/發(fā)送器以及其它控制電路進行連接使用。 </p><p>　　位選掃描信號UNDERRANGE（欠量程時）自動調零＋零積分（放電）10001個脈沖信號積分10000個脈沖OVE（超量程時）BUSY（狀態(tài)信號）完整測量40002個時鐘周期1000 COU-NTST2T1D5D4D3D2D1。TLC7135一 次A/D轉換周期分為4個階段：自動調零（AZ）、信號積分（I

11、NT）、基準電壓反向積分（DE）和積分回零（ZI）。 </p><p><b>　　四、系統(tǒng)整體設計 </b></p><p>　　儀表以單片機為控制核心，采用TLC7135進行A/D轉換，并通過LED顯示轉換結果。系統(tǒng)設計如下圖所示。 </p><p>　　輸入信號通過模擬開關通路來選擇合適的量程轉換，然后將輸入信號輸入到A/D轉換電路中去，

12、通過A/D輸出由模擬量轉換成數字量，最后通過單片機編程實現從數字量編碼轉換到七段譯碼，最后送到數碼管顯示輸出測量結果。 </p><p>　　單片機選擇的是MCS-51系列。51系列是一種很經典的單片機，具有較高的時鐘頻率和較大的存儲空間，并且還能采用嵌入式操作系統(tǒng)。這些都極大地提高了它的性能，擴大應用范圍。 </p><p>　　TLC7135與單片機系統(tǒng)連接如下圖所示，如果采用TLC7

13、135的并行采集方式，那么既要與BCD碼數據輸出線進行連接，還要連接BCD碼數據的位驅動信號，應該有9根I/O串口線。所以，該系統(tǒng)在電路連接上較復雜，并且軟件編程也不簡單。采用TLC7135串行方法則是經過計錄數字脈沖的方式，進行得到測量數據轉換后的數據結果。 </p><p>　　由時序分析圖可以得到，在De-Integrate相位期間，數字脈沖數與模數轉換的結果滿足對應關系。可以通過單片機的定時器T0或定時器

14、T1計錄數字脈沖的個數。由于定時器Ｔ０的時鐘頻率是該系統(tǒng)晶體振動固有頻率的一半，所以，可以把單片機的ALE信號端子看作TLC7135數字脈沖的輸入。在進行系統(tǒng)軟件設計編程過程中，如果單片機的指令中沒有MOVX指令，ALE端子產生的脈沖頻率為固有晶體振動頻率的1/6。最后，便可找到定時器所使用的頻率與單片機系統(tǒng)晶振頻率的關系，以及TLC7135所需的頻率輸入與單片機系統(tǒng)晶振頻率的關系。 </p><p>　　如果使

15、定時器T0所記錄的數字脈沖與TLC7135工作所需的脈沖個數完全相同，就可以把TLC7135的信號連接到單片機AT89S52的P3.2(INT0)引腳上，并且把單片機定時器T0對應的選通控制信號GATE位置1，該時刻定時器T0工作狀態(tài)將由BUSY信號來決定。通過時序邏輯圖可以得到，當TLC7135開始工作，也就是在積分波形對 應 的Singal-Integrate相位開始工作時，TLC7135的BUSY信號處于高電平狀態(tài)時，定時器T0才

16、開始工作，并且定時器T0的TH0、TL0所記錄的數據與TLC7135的測量脈沖（從積分波形Singal-Integrate相位開始工作到De-Integrate相位結束這一區(qū)間內的脈沖稱為測量脈沖）滿足某種比例關系。其系統(tǒng)連接如下圖所示。 </p><p>　　其中，Fosc為單片機系統(tǒng)固有的晶體振動頻率；Ftime為定時器所用頻率；Fale為單片機ALE的輸出頻率；Ficl為TLC7135所使用的輸入信號頻率，

17、該頻率可以通過Fale分頻得到。N是分頻比，對應12MHz晶振該系統(tǒng)中N應選為16。分頻數可根據TLC7135的需求和單片機的時鐘頻率進行選擇，在該系統(tǒng)中采用４分頻工作，即選125KHz供TLC7135工作，這樣可以確保定時器T0在對測量數字脈沖計數的過程中不會超出所規(guī)定的范圍。如果運用分頻數大于4的頻率，那么需要通過編制軟件進行改進。要得到A/D轉換結果所對應的脈沖數可以使用所測量數字脈沖數目減去10001。該轉換過程通常可采用軟件編

18、程的方式來完成。被測的模擬量完全可以通過A/D轉換結果所得到的脈沖數來得到。分頻過程是由12位同步二進制計數器CD4040完成的。該芯片由12級主從觸發(fā)器構成，復位端高電平復位，共有引腳16個。該系統(tǒng)具有占用單片機端口線數少，能減少系統(tǒng)硬件資源的使用數量，并能改善系統(tǒng)的整體抗干擾能力，卻不需要增加擴展口器件的使用，使系統(tǒng)的成本達到最低。 </p><p><b>　　五、結束語 </b>&l

19、t;/p><p>　　本文通過１線串行的方法讀取TLC7135的模數轉換結果。以TLC7135為核心，利用TLC7135進行A/D轉換，最終在單片機的控制下通過LED顯示轉換結果，極大地簡化了電路設計，該系統(tǒng)具有結構簡單、編程簡潔、占用單片機資源少等特點，為單片機功能擴展提供了更大空間。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p&

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