基于單片機的數(shù)字電壓表設(shè)計

李 成

（江西農(nóng)業(yè)大學 南昌商學院，南昌 330044）

一、方案論證與比較

（一）數(shù)字電壓表設(shè)計常用的基本方法

方案一（如圖1所示）

采用比較器、減法器、電子開關(guān)以及少量的分立元件，將電壓輸出到ADC0809再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送單片機控制，然后通過顯示器顯示。但由于元件分散性太大，即使采用了單片機最小系統(tǒng)，由于電子開關(guān)IC4066的內(nèi)阻較大，導(dǎo)致在其上的壓降也較大，使小信號衰減嚴重，輸入到ADC0809的電壓值與待測電壓相差較遠，抗干擾能力較弱，不能達到本題目的基本要求。

圖1 方案一示意圖

方案二（如圖2所示）

采用壓頻轉(zhuǎn)換器，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，再用單片機對其頻率進行采樣測量，然后再通過軟件查表的方式，查出與此頻率相對應(yīng)的電壓值。本方案可靠性高，易于控制，精度也較高，但由于條件有限，短時間內(nèi)無法買到V-F轉(zhuǎn)換器，故此方案難以實現(xiàn)。

圖2 方案二示意圖

方案三（如圖3所示）

通過單片機控制的DAC0832產(chǎn)生不同的輸出電壓值控制減法器，在足夠的精度范圍內(nèi)使輸入電壓滿足ADC0809輸入有效范圍，最后通過單片機讀取、處理并顯示數(shù)據(jù)，其精度可以達到5mV。

圖3 方案三示意圖

（二）方案論證

方案一中，雖然理論上達到要求，但實際操作中因為電子開關(guān)內(nèi)阻的存在，導(dǎo)致在其上面的壓降較大，故而產(chǎn)生的誤差也較大，所以我們不采用此方案。

方案二中采用的V-F轉(zhuǎn)換器能夠達到設(shè)計要求，擴展和發(fā)揮也較方便，但由于條件的限制，V-F轉(zhuǎn)換器暫時無法買到，故而也沒有采取。

方案三中，通過單片機來控制DAC0832，使其輸出電壓分別為 0V、1.28V、2.56V、3.84V、5.12V、6.4V、7.68V、8.96V、10.24V，來控制輸入到減法器電壓值，從而調(diào)整輸入到ADC0809的電壓，同時將ADC0809的基準電壓調(diào)到1.28V，這樣精度就可達到5mV，從而在精度和輸入電壓范圍等各方面達到了題目的要求，經(jīng)過權(quán)衡比較，我們采取了此方案。

二、系統(tǒng)設(shè)計

（一）總體設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)框圖

模塊說明：

1.減法器的基準檔位電壓輸入電路

用單片機控制DAC0832，使其輸出分別為0V、1.28V、2.56V、3.84V、5.12V、6.4V、7.68V、8.96V、10.24V等各檔位，然后經(jīng)反相器反相后送入到減法器的反相端。

2.減法器電路

用運算放大器NE5532設(shè)計一個減法器（增益為1），將待測電壓輸入到同相端，根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換輸入到反相端不同的電壓值，可得到滿足DAC0809輸入有效范圍的輸入電壓，從而保證了轉(zhuǎn)換精度。

3.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

采用集成芯片ADC0809將其基準電壓調(diào)至1.28V，使其精度達到了5mV，其輸入端是減法器的輸出，然后與單片機接口。

4.單片機控制模塊

采用AT89C52單片機，輔以8279、鍵盤、顯示器等器件構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，來控制其它各部件的正常工作。

（二）各模塊設(shè)計與計算

1.ADC0809基準電壓計算

因為ADC0809是8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，根據(jù)精度計算公式：

在此，當采用基準電壓為5.12V時，n=8，VREF（+）=5.12V，VREF（-）=0V，所以其精度為 20mv，剛好達到題目要求，然而當有干擾時此精度達不到；故為了提高精度，滿足題目要求，需降低ADC0809的基準電壓，現(xiàn)將其調(diào)為1.28V，其精度為1.28V/256=0.005V即5mV，完全達到題目要求。

2.ADC0809的電壓輸入計算

因為ADC0809的量化誤差為1LSB，要達到5mV的精度要求，其輸入電壓必須在0～1.28V之內(nèi)，否則的數(shù)據(jù)將會是全1，即無效數(shù)據(jù)。在滿足設(shè)計的輸入電壓范圍的要求前提下，為了將ADC0809的輸入電壓范圍限定在1.28V以內(nèi)，需在前放置一個減法器，控制輸入電壓量。當待測電壓處于下列各檔次時，對應(yīng)的DAC0832的輸出電壓如表1所示：

表1 DAC0832的輸出電壓表

3.減法器電路

其原理圖如圖5所示。

要使其達到減法器要求（增益為1，必須使Rf=R1，故可通過電位器來調(diào)節(jié)使反饋電阻Rf=R1=100K，所以 UO=Ui—UR，通過變化 UR使 UO控制在1.28V之內(nèi)，從而達到題目要求。

圖5 單片機最小系統(tǒng)

（三）軟件系統(tǒng)

1.流程圖（如圖6所示）

圖6 主程序和子程序流程圖

圖7 系統(tǒng)設(shè)計圖

2.D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換部分程序

3.電壓測量程序

本程序采取將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送到單片機后，再通過單片機送顯示器顯示，達到用顯示器顯示各待測電壓值的要求。

系統(tǒng)設(shè)計圖（如圖7所示）

三、系統(tǒng)調(diào)試

（一）硬件調(diào)試

1.ADC0809的調(diào)試

連接好ADC0809以及相關(guān)的電路后，開始調(diào)試，先將基準電壓調(diào)至1.28V，然后輸入不同的電壓，再編程用單片機顯示電壓值，測量數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)下表的數(shù)據(jù)可知，其誤差在5mV之內(nèi)。

基準電壓由穩(wěn)壓和分壓電路得到，因電位器存在誤差，只能將參考電壓調(diào)到1.27V。

基準電壓電路圖如圖8所示：

表2 ADC0809的調(diào)試

2.DAC0832與減法器的調(diào)試

連接好DAC0832與減法器以及相關(guān)電路后，使DAC0832基準電壓調(diào)為10.24V，然后用單片機來輸入不同的數(shù)據(jù)，再用數(shù)字萬用表測量其輸出電壓以及減法器的輸出電壓值，測量數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，該減法器完全能夠達到要求。

表3 DAC0832與減法器的調(diào)試

（二）軟件調(diào)試

編好各模塊子程序后，分別進行調(diào)試，當各模塊調(diào)試成功后，再系統(tǒng)調(diào)試一次。得知，該程序完全正常。

（三）軟件、硬件一起調(diào)試

編好各模塊程序后，連接好各模塊的線路（特別要注意各芯片的電源端和地端的接法），再用仿真器運行仿真，最后通過觀察結(jié)果可知，該程序能使系統(tǒng)運行，而且能達到設(shè)計要求。

四、指標測試及結(jié)果分析

（一）測試儀器

數(shù)字萬用表：DY2102萬用表一塊

仿真器：TOPICE/52Y仿真儀一臺

示波器：CA8020A示波器一臺

電壓源：EM1715A電壓源一臺

（二）指標測試

數(shù)據(jù)見表4所示：

表4 指標測試

從表4數(shù)據(jù)可知，待測電壓范圍可達到12.8V，而題目只要求到10V，完全滿足題目的設(shè)計要求。

由理論計算可知，整個系統(tǒng)誤差為5mv，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可知，實際誤差為10mv左右，而題目只要求20mV，所以，本設(shè)計方案完全達到題目的精度要求。

（三）誤差分析

對于任何系統(tǒng)，誤差是不可避免的。本設(shè)計的輸出信號誤差主要來自于以下幾個方面：

1.D/A，A/D轉(zhuǎn)換器件的非理想性誤差

雖然我們在設(shè)計中充分考慮到了精度要求，但轉(zhuǎn)換器件本身存在的固有量化誤差是不可能克服的，同時轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換速率、溫度系數(shù)、輸入輸出電平的差異等因素都造成了轉(zhuǎn)換器件的非理想特性。

2.運算放大器、電阻電容引起的誤差

設(shè)計中采用的運放和電阻電容等一些常用元件，在實際應(yīng)用中，都或多或少存在著誤差，如：隨著溫度的變化，電阻阻值的變動以及運放的漂移，電容的非理想性造成了系統(tǒng)頻率相應(yīng)的改變。

3.電源噪聲、數(shù)字信號跳變引起的噪波和布線中的分布電容和感生電感

在PCB布線中由于跡線和部分元件的非理想性，在高頻工作時，這些器件產(chǎn)生分布電容感生電感。電網(wǎng)電壓的變化引起的欠壓、過壓以及在線路傳輸中隨機竄入的高頻噪聲等都有可能通過電源引入到系統(tǒng)中。設(shè)計中使用大量數(shù)字芯片高頻工作時的電平跳變以及單片機晶振都是誤差的產(chǎn)生源。我們在電路的實際設(shè)計中，采用了多種措施來減少這種誤差的滲入，如：電源的濾波、線間的去耦、重干擾源的屏蔽、加寬電源線和地線以減少噪聲的傳輸路徑。

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)采用單片機控制ADC0809和DAC0832實現(xiàn)了對電壓信號的測量，并通過數(shù)碼管顯示，總體來看完成了題目的基本要求，達到了基本指標，而且還完成了發(fā)揮部分的要求。由于時間有限，我們認為還可以對本系統(tǒng)進行擴充。本方案設(shè)計的系統(tǒng)易于擴展，將其他信號通過相應(yīng)的傳感器件和相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過本系統(tǒng)設(shè)計就可以對不同性質(zhì)的信號進行高精度測量，如：交流電壓、頻率、電流、溫度、壓力、光強等。實用范圍比較廣泛。本系統(tǒng)最大的特點是高精度數(shù)字化，用低價格、低精度器件實現(xiàn)高價格、高精度器件的功能。

［1］江曉安.數(shù)字電子技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2008.

［2］江曉安.模擬電子技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2010.

［3］劉書明，劉斌.高性能模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2009.

［4］張偉.單片機原理及應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［5］何立明.單片機中級教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.