G题积分式直流数字电压表解析.pptx
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1、积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)一一.题目要求题目要求二二.题目分析及系统框图题目分析及系统框图三三.方案论证及设计方案论证及设计主要内容主要内容:积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)一一.题目要求题目要求1任务任务 在不采用专用在不采用专用A/D转换器芯片的转换器芯片的前提下,设计并制作积分型直流数字前提下,设计并制作积分型直流数字电压表。电压表。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)2要求要求一一.题目要求题目要求 (1)基本要求基本要求 测量范围:测量范围:10mV2V;量程:量程:200mV,2V;显示范围:十进制数显示范围:十进制数0199
2、9;测量分辨率:测量分辨率:1mV(2V档);档);测量误差:测量误差:0.55个字;个字;采样速率:采样速率:2次次/秒;秒;输入电阻:输入电阻:1M;具有抑制工频干扰功能。具有抑制工频干扰功能。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)(2)发挥部分发挥部分 测量范围:测量范围:1mV2V;量程:量程:200mV,2V;显示范围:十进制数显示范围:十进制数019999;测量分辨率:测量分辨率:0.1mV(2V档);档);2要求要求一一.题目要求题目要求 测量误差:测量误差:0.055个字;个字;具有自动校零功能;具有自动校零功能;具有自动量程转换功能;具有自动量程转换功能;其他。其
3、他。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)二二.题目分析及框图设计题目分析及框图设计1A/D转换电路分析转换电路分析 数字电压表的核心部分是数字电压表的核心部分是A/D转换电路。转换电路。目前目前A/D转换电路形式有:逐次逼近型、并行比较型、转换电路形式有:逐次逼近型、并行比较型、双积分等。双积分等。各种转换形式各有优缺点。各种转换形式各有优缺点。其中双积分的其中双积分的A/D具有精度高,抗干扰强等优点,但具有精度高,抗干扰强等优点,但速度慢,适合测量静态或准静态信号。速度慢,适合测量静态或准静态信号。各类均有专用各类均有专用A/D转换器芯片。转换器芯片。题目明确的指出采用双积分题
4、目明确的指出采用双积分A/D,且不能用专用,且不能用专用A/D芯芯片(例如片(例如7135等)等)。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)二二.题目分析及框图设计题目分析及框图设计2系统框图系统框图电电 源源控制处理单元(控制处理单元(MCU)滤波电路滤波电路自动校零自动校零程控放大程控放大小信号处理小信号处理积积 分分 器器显显 示示键键 盘盘输入输入积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)二二.题目分析及框图设计题目分析及框图设计3系统框图组成系统框图组成 程控放大电路:完成输入信号的调理和量程(程控放大电路:完成输入信号的调理和量程(200mV,2V或更多)的转换。
5、或更多)的转换。自动校零电路:完成自动校零功能。自动校零电路:完成自动校零功能。积分器电路:由运放组成,完成电压时间的转换。积分器电路:由运放组成,完成电压时间的转换。控制部分:控制量程转换、自动校零和积分器的正常控制部分:控制量程转换、自动校零和积分器的正常工作,并完成人机对话功能。工作,并完成人机对话功能。键盘、显示电路:完成人机对话。键盘、显示电路:完成人机对话。电源电路:为各电路提供电源。电源电路:为各电路提供电源。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计1程控放大器程控放大器 根据题目要求我们将量程分成三档:根据题目要求我们将量程分成三档:
6、20mV、200mV、2V,其中其中200mV、2V为题目的要求,为题目的要求,20mV为扩展量程。为扩展量程。当输入信号小于当输入信号小于20mv时放大时放大100倍,当输入信号大于倍,当输入信号大于20mV但小但小于于200mv时放大时放大10倍,输入信号为倍,输入信号为200 mv2v时输入信号不放大,时输入信号不放大,这样处理后使各输入电压统一调理为这样处理后使各输入电压统一调理为02V。为防止自动量程转换。为防止自动量程转换时的抖动,相邻挡应有一定的重叠区。时的抖动,相邻挡应有一定的重叠区。要求控制芯片根据采集值能对量程自动化切换,同时输入级要要求控制芯片根据采集值能对量程自动化切换
7、,同时输入级要求输入电阻求输入电阻1M。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计1程控放大器程控放大器方案一方案一:采用同相放大器采用同相放大器,如下图:如下图:S1、S2、S3三个开关由单三个开关由单片机控制,分别完成放大片机控制,分别完成放大1、10、100的功能,的功能,S1、S2、S3的闭的闭合情况由单片机根据合情况由单片机根据Vo的值自的值自动完成,能实现自动量程转换动完成,能实现自动量程转换功能;同时采用了同相放大器,功能;同时采用了同相放大器,输入阻抗输入阻抗RifRi(1AF),满足输入电阻满足输入电阻1M。此电路的缺点为:不能实此电
8、路的缺点为:不能实现差分输入,且抗共模干扰能现差分输入,且抗共模干扰能力还需加强。力还需加强。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)方案二方案二:采用三运放构成的仪表放大器,如下图:采用三运放构成的仪表放大器,如下图:S1、S2开关开关由单片机控制,分由单片机控制,分别完成放大别完成放大1、10、100的功能,能的功能,能实现自动量程转换,实现自动量程转换,计算如下:计算如下:当当S1闭合、闭合、S2断开时:断开时:放大倍数放大倍数A1=1+2R1/RG1100(选择合适的选择合适的RG1)当当S2闭合、闭合、S1断开时:断开时:放大倍数放大倍数A2=1+2R1/RG210(选择合
9、适的选择合适的RG2)当当S1断开、断开、S2断开时,放大倍数断开时,放大倍数A3=1 此电路的输入电阻高、能实现差分输入,且抗共模干扰能力强此电路的输入电阻高、能实现差分输入,且抗共模干扰能力强等优点。等优点。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计1程控放大器程控放大器 方案三方案三:采用专用仪表放大器芯片(如采用专用仪表放大器芯片(如INA128等)。等)。此此方方案案除除具具有有方方案案二二的的优优点点外外,还还具具有有外外围围接接线线简简单单的的优优点点,但成本较高。但成本较高。上述三种方案
10、均能实现自动量程转换和满足输上述三种方案均能实现自动量程转换和满足输入电阻入电阻1M 的要求。的要求。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计2自动校零电路自动校零电路 输输入入电电压压信信号号经经过过信信号号调调理理电电路路(程程控控放放大大等等)、双双积积分分电电路路等等处处理理,最最后后转转化化成成时时间间信信号号,单单片片机机将将时时间间量量化化成成数数字字信信号号输输出出。由由于于外外界界因因素素(如如温温度度等等)的的影影响响,即即使使输输入入的的电电压压信信号号等等于于0,输输出出的的数数值值也也不不等等于于0,且且数数值值随随外外界界
11、因因素素(如如温温度度)的的变变化化而而变变化,即零点漂移。实际测量值必须减除零点值才能反映真实的输入。化,即零点漂移。实际测量值必须减除零点值才能反映真实的输入。积分式直流数字电压表积分式直流数字电压表(G题题)三三.方案论证及设计方案论证及设计2自动校零电路自动校零电路 方案一:手动零点调节:方案一:手动零点调节:每每次次适适应应时时,先先将将输输入入手手动动短短路路,调调节节相相应应的的电电位位器器,使使输输出出等等于于0。此此方方案案实实时时性性差差,当当环环境境(温温度度等等)发发生生变变化化时时,需需要要重重新新校校零零,且且需需要要手手动动调调节节电电位位器器,不不满满足足题题目
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