使用不同技术方案下的数字式电压表的设计以及开发外文翻译资料

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使用不同技术方案下的数字式电压表的设计以及开发

摘要

电气参数的测量在现实世界中扮演着举足轻重的角色。对电压的测量是开发大量应用程序的主要任务之一。这篇论文聚焦于使用不同技术的数字电压表的设计以及开发。从最简单的电压测量表到专业级数字式电压表，目前都已被实现运行。不同种类的技术都已被应用于电压表的制作，结果则是要比较它们的测量精确度。我们已用Proteus ISIS 7.10软件完成了对所有技术的软件模拟仿真并且在硬件电路上实现运行。用于开发电压表的技术有基于比较器的数字式电压表技术,基于芯片8051单片机的数字式电压表技术，基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表技术。数字式电压表的精确度已用软件Proteus ISIS进行软件模拟仿真显示，并也在硬件电路上实现运行。

关键词：运算放大器，微型控制器，模拟数字转换，精确度，软件模拟仿真

1. 介绍

电压测量是任何测量电路的重要部分，这就是数字式电压表用于电压测量的原因。在这篇论文中，我们使用到的不同的电压测量技术大致可以分为两种类型，第一种类型是基于模拟芯片的技术设计方案，另一种类型是基于微型控制器芯片的技术设计方案。基于模拟芯片的技术设计方案，包括基于比较器的数字式电压表设计方案，其使用了运算放大器，不需要任何编程控制。在基于比较器的数字式电压表设计方案中，许多运算放大器被用作比较器，当输入电压高于参考电压时，比较器的输出电平将变为高电平。通过检测连接在其输出电路上的发光二极管的发光状态来测量电压。对于基于微型控制器芯片的技术设计方案，我们制作了基于芯片8051单片机的数字式电压表以及基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表。而且8051单片机系列中的AT89S52微型控制器要与ADC0804模拟数字转换芯片一同工作。当待测量的电压将会送与模拟数字转换器，它将会把输入的电压转换为相应的数字电压输出，再由8051单片机微型控制器测量并且显示于LCD液晶显示器上。这种技术比基于比较器的数字式电压表的设计方案将会更加精准，并且能够输出精确度达到毫伏级的输出电压。我们准备了其软件模拟仿真分析及其硬件电路实现运行。在图1中的框图展示了用于开发数字式电压表的各种技术。

图1.用于设计数字式电压表的各种技术框图

在基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表技术中，使用了带有一个10位8通道内置模拟数字转换器的可编程中断控制器PIC16F877A微型控制器，所以无须外置模拟数字转换器。这种数字式电压表能够同时测量多路输入信号电压电压源，这在某些场合下将会十分有用。在精确度方面，这种数字式电压表技术优于其他技术。它同样也可以给出毫伏级的输出电压，而且将会更加的准确。

1. 基于比较器的数字式电压表设计方案

在基于比较器的数字式电压表设计方案中，运算放大器被用作比较器来用于开发数字式电压表。比较器主要地将输入信号电压以及参考电压进行比较并产生相应的输出信号电压。许多比较器连接在一起，而它们各自的参考电压不尽相同。通过这种设计方法，可以在输入电压为零时，各个比较器的输出电压将会保持低电平，且发光二极管将会保持截断。而当输入信号电压值处于数字式电压表测量范围内时，发光二极管将会变亮来指示出当前电压值。当输入信号电压超出数字式电压表的测量范围时，所有发光二极管都将会变亮。基于比较器的数字式电压表设计方案的软件模拟仿真已在软件Proteus ISIS 7.10中完成，并展示于图2以及图3。

图2.在 5至6V输入电压信号下的比较器数字式电压表的proteus软件模拟仿真

虽然基于比较器的数字式电压表的测量范围仅为0-7V，但是其测量范围可以通过增加比较器的数目来扩大。这种数字式电压表下的各个比较器的参考电压各不相同，如有1V, 2V, 3V, 4V, 5V, 6V 及7V，这使得它可以表征出输入电压的范围。如图2所示，当输入信号电压的大小介于2至3V时，只有头两盏发光二极管显亮以表示信号电压达到2V以上，而第三、第四盏发光二极管保持截止以表征输入电压低于3V。

图3. 在2至3V电压信号输入下的比较器数字式电压表的proteus软件模拟仿真

如图3所示，当输入信号电压介于5至6V间时，头五盏发光二极管将会显亮，而剩余的LED保持截止，这表征着信号电压高于5V且不超过6V。因此，通过这种方法，我们可以测量出输入电压值。但由于精确度比较差，这种技术并不非常理想。例如如图2中所示，当输入电压介于2至3V时，我们并不知道电压的准确值是2.5V还是2.8V，我们只知道该值介于2至3V。在硬件电路实现运行时，像LM358以及LM324的运算放大器都可适用。为进一步提高其精确度，我们需要使用更多数目的运算放大器，这将会使系统更加复杂且成本开销更加大，所以这种方法虽然较为基础但是并不适用于对精确度要求较高的专业级用途。

1. 基于芯片8051单片机的数字式电压表设计方案

注意到基于比较器的数字式电压表技术的极差的精确度，我们则使用微型控制器技术来开发数字式电压表，这可以让我们在需要时进一步开发出其新功能。综合以上考虑，我们选择了芯片8051单片机.由于其没有内置的模拟数字转换器,故需连接外部模拟数字转换器来开发数字式电压表。ADC0804模拟数字转换芯片可以用于将模拟信号电压转换为数字信号电压数据。为满足设计方案的必要要求，我们需要使用运算放大器搭建一个衰减电路。众所周知，运算放大器的基本类型为反向放大器以及同向放大器。同向放大器的增益值为：

公式中A_f 为增益值，R_f 为反馈阻抗，R_in 为输入阻抗。

如果R_f/R_in很小可忽略，输出信号电压的大小将会等于输入信号电压值，因此同向放大器不可以使用于搭建衰减器电路。而另一种放大器为反向放大器，它的增益值为：

通过选择合适的R_in的值使之大于R_f，我们可以搭建出衰减器电路，但是其输出将会为负值，所以我们需要串联两个反向放大器使之输出不为负值。例如，假若我们选取的R_f 以及 R_in 的值分别为 1kΩ以及10KΩ，则在第一步中，反馈增益值A_f1将会达到-0.1，而在第二步中，串联中的R_f 以及 R_in 值将相等，所以其反馈增益值将会达到-1。这种配置方式的总增益值为：

这种衰减器电路使用了反向放大器来搭建。在考察了这种数学公式运算结果后，我们将使其软件模拟仿真于Proteus ISIS软件。用反向放大器所设计的衰减器软件模拟仿真如图4所示。

图4. 使用反向放大器所设计的衰减电路的软件模拟仿真

反向放大器的最终的输出端能够连接在模拟数字转换器的输入端以至于可以限定输入到模拟数字转换器的电压大小。分压电路是衰减器的最佳选择，这是由于通过选择合适的大小及功率的电阻，它可以工作在更加高的电压下。由于其简洁性及低成本，所以这种方案将更加可取。我们使用分压电路将会输入电压值缩小10倍，以至于0至50V的电压测量可以通过使用分压电路以及ADC0804模拟数字转换芯片及8051单片机微型控制器成功实现运行。基于芯片8051单片机的数字式电压表设计方案软件模拟仿真已用Proteus软件实现运行，如图5、6所示。

图5. 基于芯片8051单片机的数字式电压表测量低电压软件模拟仿真

检测系统的精确度可以通过比较LCD液晶显示器显示屏的读数以及Proteus ISIS软件的内置电压来完成，如图5、6所示。在Proteus软件模拟仿真中，高电平以及低电平都将被送与ADC0804模拟数字转换芯片中。在图5、6所示中基于8051单片机的数字式电压表看似十分精准。

图6.基于8051单片机的数字式电压表高电压测量软件模拟仿真

基于8051单片机的数字式电压表设计方案的硬件电路实现运行如图7、8所示。硬件电路实现运行于万用板上，并且在万用板左方留下较多的空余位置以便后期对电路进一步的改进以及拓展。该种数字式电压表技术的精确度性能通可以过比较LCD液晶显示器显示屏的读数以及万用表读数来观察，如图7、8所示

图7.基于8051单片机的数字式电压表低电压测量精确度显示

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图7.基于8051单片机的数字式电压表高电压测量精确度显示

在硬件电路的实现运行上，其精确度并不如软件模拟仿真中的理想。而精确度是设计任何一种测量电路时所需考虑的最重要的方面之一，所以高精确度十分必要。

1. 基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表设计方案

对于基于比较器的数字式电压表设计方案而言，其精确度极其糟糕。到了基于芯片8051单片机的数字式电压表设计方案时，精确度得到了提升。而进一步的实验将会使用可编程中断控制器PIC16F877芯片。它拥有内置的10位兼8路模拟通道的模拟数字转换器，这使得其测量精确度得以大大提升。可以从外部或内部灵活地设置参考电压，使之等于V_dd 的值。在我们的设计中，我们为内置模拟数字转换器使用了内部参考电压，而且使用了两路通道模拟数字转换器同时对两个不同的外部信号电压源进行测量。这种数字式电压表的测量范围为0至100V，所以较大的输入电压也可以使用这种技术进行测量。由于任何一路模拟通道的电压不能超过5V，所以构建了由2.2kΩ以及100Ω电阻构成的分压电路，对输入电压进行约20倍的缩小以限制模拟输入电压的大小。基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表设计方案的 proteus软件模拟仿真如图9、10所示。在软件模拟仿真中，这种测量系统的读数精确度可以通过与连接在各路信号电压源的proteus软件中的自带直流电压表读数进行比较。

图9. 基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表对高电压以及低电压测量的Proteus ISIS软件模拟仿真

图10. 基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表对两电压信号电压源平均电压及高电压测量的Proteus ISIS软件模拟仿真

尽管基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表设计方案的软件模拟仿真结果十分精确，但是也十分有必要将其实现运行于现实世界中，以便检查其性能以及精确度。为了更好地开发出硬件电路，Proteus Ares 7.10软件开发出了PCB布局功能。该种数字式电压表的PCB布局如图11所示。

图11. 基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表设计方案在Proteus ARES 7.10软件中的PCB布局软件模拟仿真

这种系统在进行PCB布局后变得更为紧凑而且复杂度大大降低。Proteus ARES 7.10软件可以进行3D显示硬件电路板，这对于设计者而言十分重要。整体设计的3D显示如图12所示。

图12. 基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表设计方案的硬件电路在Proteus ARES 7.10软件中的3D显示

当完成系统的PCB布局后，PCB在硬件电路上实现运行了。我们使用丝网印刷技术开发出PCB电路板。丝网印刷技术是一种专门用于制造PCB电路板的技术手段。而且这种技术已被印度众多的PCB制造商所采用。基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表设计方案的PCB硬件电路如图13所示。

图13. 基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表设计方案的硬件电路

这种技术的精确度性能需要在硬件电路上进行充分考察，可以通过对其所测出的电压值读数以及万用表所测电压值读数进行比较来考察。在这种硬件电路的实现运行中，我们没有100V的稳压电源，但是我们使用了30V的稳压电源进行实验也观察到了PCB硬件电路的实验结果。信号电压源1的电压值以及其相应的万用表读数如图14所示。信号电压源2在与信号电压源1相同的观测方法下进行测量与试验，其结果如图15所示。

图14. 信号电压源1的电压值以及万用表读数精确度比较

图15. 信号电压源2的电压值以及万用表读数精确度比较

无论是读数的精确度，电路的紧凑性还是运行的可靠性，基于可编程中断控制器PIC的数字式电压表设计方案在各个方面都十分优越。图14、15展示了这种数字式电压表读数十分精确，这是因为这种数字式电压表的电压值读数与专业级别的万用表电压值读数之间的差别几乎可以忽略不计。这种技术拥有同时测量两路电压的优势，这是普通万用表所不具备的。它也可以通过在系统增加设

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