摘  要： 介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)且量程可自動(dòng)切換的積分式直流數(shù)字電壓表的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法?；陔p積分A/D轉(zhuǎn)換原理，提出了新的轉(zhuǎn)換過程，提高了轉(zhuǎn)換速度，降低了零點(diǎn)漂移率。與常規(guī)電壓表相比，該電壓表精度更高，線性度好，抗干擾性強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞： STC89C52單片機(jī)；量程切換；雙積分A/D轉(zhuǎn)換

0 引言

　　雙積分A/D轉(zhuǎn)換器是一種將電壓轉(zhuǎn)換為時(shí)間的A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高，轉(zhuǎn)換過程需提供基準(zhǔn)電壓，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在儀表、測(cè)控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]，而采用單片機(jī)控制在電壓表、電壓源等的設(shè)計(jì)過程中越來越重要[3-4]。本文介紹了一種基于雙積分A/D轉(zhuǎn)換原理，且具有自動(dòng)切換量程功能的數(shù)字直流電壓表。該電壓表在A/D轉(zhuǎn)換過程中采用了與常規(guī)不同的積分過程，提高了A/D轉(zhuǎn)換速度，降低了零點(diǎn)漂移率。結(jié)果表明，該電壓表具有線性度好、精度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 雙積分式直流電壓表的硬件設(shè)計(jì)

　　該電壓表由模擬和數(shù)字兩部分組成，采用硬件和軟件相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　在模擬部分，被測(cè)電壓被衰減后送入量程自動(dòng)切換電路，然后雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并送入數(shù)字部分。模擬部分的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)噪聲和某些特定頻率（如工頻）的干擾有很好的抑制作用。

　　數(shù)字部分以STC89C52單片機(jī)為核心，模擬部分得到的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷輸入口，單片機(jī)將輸入電壓值轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)值，經(jīng)計(jì)算后得到被測(cè)電壓值，并用5位數(shù)碼管顯示，同時(shí)點(diǎn)亮3盞LED燈之一提示所選的量程。

　　1.1 輸入衰減電路及量程自動(dòng)切換電路

　　該電壓表的電壓衰減器利用多個(gè)電位器并聯(lián)，調(diào)節(jié)各個(gè)電位器進(jìn)而得到衰減電壓，具體電路如圖2所示。電壓表共分為200 mV、2 V和20 V三個(gè)擋位，用5位數(shù)碼管來顯示被測(cè)電壓，同時(shí)用3盞LED燈分別表示這三個(gè)檔位。被測(cè)電壓被衰減到0~200 mV之后送入積分器，積分器將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的積分時(shí)間并送到單片機(jī)的外部中斷輸入口。單片機(jī)中與積分時(shí)間相對(duì)應(yīng)的是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。若2 V、20 V量程里計(jì)數(shù)值小于2 000，或者200 mV、2 V量程里計(jì)數(shù)差值大于20 000，單片機(jī)通過控制模擬開關(guān)改變電壓擋位重新計(jì)數(shù)。當(dāng)輸入電壓超過20 V時(shí)，表頭全部顯示H，當(dāng)輸入電壓小于0 V時(shí)，表頭全部顯示L。

　　1.2 基于雙積分原理的A/D轉(zhuǎn)換電路

　　以往的基于雙積分的A/D轉(zhuǎn)換電路都是分為三個(gè)階段：自動(dòng)校零階段、積分階段和反積分階段。積分階段時(shí)間固定，自動(dòng)校零階段和反積分階段的總時(shí)間固定，一般為積分階段的3倍[5]。本文基于雙積分原理，提出了一種新的積分方式，將一次完整的A/D轉(zhuǎn)換調(diào)整為可變長(zhǎng)。當(dāng)積分時(shí)間相同時(shí)，由于受單片機(jī)控制與常規(guī)雙積分相比，該方法的轉(zhuǎn)換時(shí)間更快。

　　A/D轉(zhuǎn)換電路原理如圖3所示，主要利用了HCF4052四選一開關(guān)、TL062C運(yùn)放、TL431和積分電容等。其中，HCF4052多路開關(guān)用來選擇不同的電壓輸入；運(yùn)放中一個(gè)用來作積分器，另一個(gè)用來作比較器；TL431提供了比較器同相輸入端的比較電壓。

　　該電壓表中A/D轉(zhuǎn)換電路的積分過程如圖4所示，共分為了4個(gè)不同的階段，分別為零（Vgnd）輸入、參考電壓（Vref）輸入、被測(cè)電壓（Vin）輸入和參考電壓（Vref）再次輸入。單片機(jī)通過兩個(gè)I/O口來控制四選一開關(guān)，切換這四個(gè)階段。注意R38與R39之間的電壓Vcom是一個(gè)重要的參考點(diǎn)，考慮到運(yùn)放失調(diào)電壓的影響，Vcom的電壓控制在220 mV左右。

　　在階段1，單片機(jī)選通模擬開關(guān)將Vgnd送入運(yùn)放5腳。根據(jù)虛短路的特點(diǎn)，運(yùn)放的6腳和5腳具有相同的電壓值，Rint右端的電壓比左端大，積分電容開始放電。階段1持續(xù)時(shí)間T1固定為20 ms，然后進(jìn)入階段2，同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)數(shù)。階段1的放電量為：

　　在階段2，模擬開關(guān)選通Vref輸入。此時(shí)，Rint右端電壓比左端小，積分電容開始充電。當(dāng)積分電容左端的電壓大于2.5 V時(shí)，比較器產(chǎn)生一個(gè)低電平送入單片機(jī)的外部中斷輸入口，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)，進(jìn)入階段3。階段2總的充電量為：

　　在階段3，模擬開關(guān)選通Vin輸入。此時(shí)，Rint右端電壓大于左端，電容再次放電。階段3持續(xù)時(shí)間T3也固定為20 ms。當(dāng)達(dá)到20 ms時(shí)，進(jìn)入階段4，同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)數(shù)。階段3的放電量為：

　　在階段4，Vref再次被選通輸入，Rint左端電壓大于右端，電容再次充電。當(dāng)積分電容左端的電壓超過2.5 V時(shí)，比較器產(chǎn)生一個(gè)低電平送入單片機(jī)外部中斷輸入口，同時(shí)單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。此后，單片機(jī)控制進(jìn)入到階段1，重復(fù)執(zhí)行上述過程。階段4的充電量為：

　　由于階段1的放電量與階段2的充電量相等，階段3的放電量等于階段4的充電量。并且當(dāng)計(jì)數(shù)周期為Tcp時(shí)，固定時(shí)間的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)可根據(jù)N=T/Tcp得出。依據(jù)這兩點(diǎn)可以得到：

　　已知Vcom、Vref、N1均為一確定值。事實(shí)上，當(dāng)N1確定時(shí)，N2也是確定的，即輸入電壓Vin與積分階段2和階段4的計(jì)數(shù)差（N2-N4）成正比例關(guān)系，只需求得這兩階段的計(jì)數(shù)差，即可按比例關(guān)系得到輸入電壓值。式（5）得到的被測(cè)電壓與常規(guī)的雙積分原理得到的有所區(qū)別[6]，是因?yàn)樵撾妷罕淼腁/D轉(zhuǎn)換電路中加入了偏移電壓Vcom，可對(duì)雙極性電壓進(jìn)行測(cè)量。需要說明的是，參考點(diǎn)2電壓的跳變是由運(yùn)放的虛短路特點(diǎn)引起的。由于A/D轉(zhuǎn)換主要的干擾來自工頻（50 Hz）或工頻倍頻的干擾[7]，采樣時(shí)間為20 ms時(shí)，為工頻電源周期的整數(shù)倍數(shù)可以有效地抗工頻干擾。

　　1.3 顯示電路

　　顯示電路主要由5位共陽極數(shù)碼管、顯示量程的3個(gè)LED燈和單片機(jī)I/O口組成，采用動(dòng)態(tài)掃描的方式顯示。單片機(jī)的P0口作為段碼輸出端口，P2口的高5位作為數(shù)碼管的尾端選通端，低3位接LED燈用于顯示所選量程。

2 雙積分式直流電壓表的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括4個(gè)部分：A/D轉(zhuǎn)換部分、擋位自動(dòng)切換部分、單片機(jī)控制部分和顯示部分。該電壓表首先選通最高擋位對(duì)輸入電壓進(jìn)行衰減，然后送到A/D轉(zhuǎn)換部分將電壓轉(zhuǎn)為計(jì)數(shù)值。擋位自動(dòng)切換部分根據(jù)所得計(jì)數(shù)值是否落在已定區(qū)間，來判斷輸入電壓是否屬于該擋位。若2 V、20 V擋位時(shí)計(jì)數(shù)值小于2 000，單片機(jī)控制模擬開關(guān)切換到低一擋位；若200 mV、2 V計(jì)數(shù)值大于       20 000，則切換到高一擋位重復(fù)A/D轉(zhuǎn)換并計(jì)算電壓值。最終得到穩(wěn)定的被測(cè)電壓值并進(jìn)行顯示，同時(shí)顯示所選的擋位。通過采樣得到的實(shí)測(cè)電壓在1 s的時(shí)間內(nèi)有12~16個(gè)電壓值，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的特性，這些實(shí)測(cè)的電壓值總是處在一定的波動(dòng)狀態(tài)，采用加權(quán)平均濾波的方法對(duì)所得數(shù)值進(jìn)行濾波，可以減小數(shù)據(jù)的波動(dòng)，使電壓顯示值更加穩(wěn)定。軟件的設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3 測(cè)試實(shí)例

　　這一部分將該電壓表實(shí)測(cè)電壓（表1中改進(jìn)型一欄）、常規(guī)雙積分的電壓表（表1中常規(guī)型一欄）和標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，該電壓表精度最小可以達(dá)0.01 mV。與常規(guī)電壓表相比，該電壓表的測(cè)量誤差更小，主要是因?yàn)殡p積分電壓表的準(zhǔn)確度與參考電壓的準(zhǔn)確性和零點(diǎn)電位的穩(wěn)定性有很大關(guān)系，而本文中的零點(diǎn)電位直接接地，減小了干擾。在測(cè)量過程中還發(fā)現(xiàn)，該電壓表比常規(guī)型電壓表的轉(zhuǎn)換速度更快，這主要是A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短的緣故。

　　圖6所示為該電壓表和常規(guī)電壓表的線性度曲線對(duì)比。

　　從圖6可以看出，兩表的線性度曲線與理想型很接近。相比之下，該方法電壓表比常規(guī)電壓表的線性度更好。除此之外，由于該電壓表通過計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換過程的第2階段和第4階段計(jì)數(shù)差值來獲得被測(cè)電壓值，這一方法大大降低了零點(diǎn)漂移率，得到了比較理想的測(cè)量精度。

4 結(jié)論

　　本文基于雙積分原理，實(shí)現(xiàn)了一種高精度、可變量程的積分式直流電壓表，測(cè)量范圍最大可以達(dá)到0~20 V，測(cè)量誤差最大不超過0.16%，測(cè)量的最小精度可以達(dá)到0.01 mV，是一款性能可靠的高精度直流電壓表。

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