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数字电压表设计方案比较研究陈帅峰

发表时间：2021/4/25 来源：《论证与研究》2021年3期作者：陈帅峰彭彦钊王娜

[导读] 摘要：电压表是测量仪器中不可缺少的设备，目前广泛应用的是采用专用集成电路实现的数字电压表。本文针对三种不同的设计方案进行比较分析与论证。

                                                          陈帅峰彭彦钊王娜
                                                （西华大学四川成都 610039）
        摘要：电压表是测量仪器中不可缺少的设备，目前广泛应用的是采用专用集成电路实现的数字电压表。本文针对三种不同的设计方案进行比较分析与论证。
        关键词：数字电压表；设计方案；方案比较
        一、设计背景
        数字电压表的基本工作原理是利用A/D 转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电压表。较之于一般的模拟电压表，数字电压表具有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。
        电压表的数字化测量，关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成数字量，完成这种转换的电路叫模数转换器(A/D)。数字电压表的核心部件就是AD转换器,由于各种不同的AD转换原理构成了各种不同类型的DVM。一般说来，A/D转换的方式可分为两类:积分式和逐次逼近式。
        积分式A/D转换器是先用积分器将输入的模拟电压转换成时间或频率，再将其数字化。根据转化的中间量不同，它又分为U-T(电压-时间）式和U-F（电压-频率）式两种。
        逐次逼近式A/D转换器分为比较式和斜坡电压式，根据不同的工作原理，比较式又分为逐次比较式及零平衡式等。斜坡电压式又分为线性斜坡式和阶梯斜坡式两种。
        在高精度数字电压表中,常采用由积分式和比较式相结合起来的复合式A/D转换器。本设计以8051单片机为核心，以逐次比较型A/D 转换器ADCO809、LED显示器为主体，构造了一款简易的数字电压表，能够测量1路0~5V直流电压，最小分辨率0.02V。
        近入21世纪，随着信息技术一日千里的发展，电压表也必经历从单一测量向数据处理、自动控制等多功能过度的这一历程，特别是计算机技术的发展必将出现智能化技术。因此，把电压表和计算机技术相结合的智能化电压表就将成为21世纪的新课题。目前，数字化仪器与微处理器取得令人瞩目的进展，就其技术背景而言，一个内藏微处理器的仪表意味着计算机技术向仪器仪表的移植，它所具有的软件功能使仪器呈现出有某种延伸，强化的作用。这相对于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破，其发展潜力十分巨大，这已为70年代以来仪表发展的历史所证实。
        二、总体方案设计
        该设计是基于单片机的数字电压表，大体上分为单片机部分与测量部分以及显示部分。本设计主要是实现模拟量的采集，然后使其转换为数字量，最后将其转化为直观的十进制示值。
        （一）比较方案
        对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下两种方案对同一目的实现方法。并比较两种方案的优劣。
        1、方案一
        方案一基本原理图如下：

图1方案一的原理图

        方案一的原理简述:
        该方案的数模转换器为ADC0808，该数模转换器件能将模拟量直接转换为对应16进制的编码。经过AT89C51单片机处理后可以直接送往七段译码管显示数值。
        2、方案二
        方案二基本原理图如下：

图2方案二的原理框图

        方案二原理简述：
        该方案的89S52单片机作为中央处理器及控制核心，控制数字电压表采集电压，数字电压A/D转换器HI7159A在采集到电压后直接输出数字量，传给单片机进行处理，单片机将传回的二进制数据处理后转换为相应数值，由译码显示电路以十进制形式显示在数码管上。
        3、方案三
        方案三基本原理图如下：

图3方案三的原理框图

        方案三的原理简述:
        该方案由模拟及数字元器件组成的控制电路程序作为核心，控制数字电压表采集电压，数字电压表在采集到电压后直接输出数字量，传给控制电路程序进行处理，控制电路将查表并传回的二进制数据处理后转换为相应数值，由译码显示电路以十进制形式显示在数码管上。
      （二）方案论证
        以上三种方案都是可行的，第一种方案的优点在于使用了我们所熟悉的C51单片机为核心，并且使用的ADC0808使用方法更为简单。第二种方案使用了89S52单片机作为核心，且使用了更加精确的HI7159A。但是相比于AT89C51这些器件反而相对陌生。第三种方案更着重于程序上的使用，所以在程序编译过程中就更为复杂庞大。
       （三）方案选择
        考虑到自己已经系统学习过单片机知识，以及模电数电课程的掌握情况，经过对上面三个方案的具体分析，第一个方案的可行性高，故我们选择第一个方案作为设计方案。
        参考文献：
        [1]李群芳,张士军,黄建.《单片机微型计算机与接口技术》[M]. 北京：电子工业出版社，2005
        [2]李朝青编单片机原理及接口技术（第 3 版）[M]. 北京航天航空大学出版社，2005
        [3]李华．单片机原理与接口技术，北京：清华大学出版社，33－80．
        [4]祁伟, 杨亭. 单片机 C51 程序设计教程与实验[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
        [5]谈世哲,胡少宏.电路设计与制版 Protel 98[M].北京：人民邮电出版社，1998
        [6]张茂青,吴坚,胡继康等.AVR 单片机在新型干手机中的应用[J].江苏电器,2003（03）：27～29,38
        作者简介：陈帅峰（1998-），男，汉，四川省内江市，本科，研究方向：信息工程。
        彭彦钊（1999-），男，汉，四川省绵阳市，本科，研究方向:信息工程。
王娜（1999-），女，汉，四川省南充市，本科，研究方向：汉语言文学。