毕业设计75济源职业技术学院机电一体化毕业论文01.docx
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毕业设计75济源职业技术学院机电一体化毕业论文01
济源职业技术学院
毕业设计
题目
数字交流毫伏表
系别
机电系
专业
机电一体化
班级
姓名
学号
指导教师
日期
设计任务书
设计题目
数字交流毫伏表
设计要求：
随着电子技术的不断发展，电子仪器的发展也是令人瞩目的。
总的来说，电子仪器有两个方向的发展趋势；一是向多功能，多参数，高精度，高速度发面发展，另一个是向实用化，小型化，数字化，廉价的通用或单一用途方面发展。
对于数字式电压表来说，一方面趋向于合并于数字式万用表中，另一方面趋向于使用方便，小型廉价的单一用途电压表。
本文所设计的数字式交流毫伏表的显著特点是测量范围宽，可测电压范围为500V以下，最大分辨率为0.01mV，且可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。
该电压表还具有在一定的测量范围内将量程自动选择在最佳位置的功能，从而可以快速、方便、准确地测量电压。
设计进度要求
第一周——第四周下达任务书，查阅、收集资料.
第五周——第六周毕业设计大纲的撰写
第六周——第十二周资料的整理及输入
第十三周——第十七周毕业设计的细节化修饰
指导教师（签名）
目录
摘要………………………………………1
引言………………………………………2
关键词………………………………………3
概述………………………………………3
工作原理………………………………………3
原理设计………………………………………5
电源设计………………………………………23
整机调试组装…………………………………25
致谢………………………………………27
参考文献………………………………………28
摘要
本设计讲述了数字交流毫伏表的应用及其工作原理，并着重讲述了其原理，同时也涉及到它的一些应用和在实际测量中的应用。
大家可能在学习实践中也接触过数字交流毫伏表，它的应用很广泛，比如在电量的测量中，电压，电流和频率是最基本的三个被测量。
其中，电压量的测量最为经常。
而且随着电子技术的发展，更需要测量弱电的电压，所以毫伏电压表就成为一种必不可少的测量仪器。
另外，由于数字式仪器具有读数准确方便，精度高，误差小，灵敏度和分辨率高，测量速度快等特点，而倍受用户青睐，数字式交流毫伏表就是基于这种需求而发展起来的。
随着电子技术的不断发展，电子仪器的发展也是令人瞩目的。
总的来说，电子仪器有两个方向的发展趋势；一是向多功能，多参数，高精度，高速度发面发展，另一个是向实用化，小型化，数字化，廉价的通用或单一用途方面发展。
对于数字式电压表来说，一方面趋向于合并于数字式万用表中，另一方面趋向于使用方便，小型廉价的单一用途电压表。
本文所设计的数字式交流毫伏表的显著特点是测量范围宽，可测电压范围为500V以下，最大分辨率为0.01mV，且可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。
该电压表还具有在一定的测量范围内将量程自动选择在最佳位置的功能，从而可以快速、方便、准确地测量电压。
而且随着社会的发展仪器仪表也成为了一个十分重要的行业，通过近几年的社会需求来看，社会对仪器仪表方面的人才需求在逐年增加，所以本设计也有它的突出作用，希望大家借鉴，并提出宝贵的意见，不对之处请给予指正，谢谢！
关键词：
集成运算放大器，三极管，电阻，二极管
—、概述
在电量的测量中，电压，电流和频率是最基本的三个被测量。
其中，电压量的测量最为经常。
而且随着电子技术的发展，更需要测量弱电的电压，所以毫伏电压表就成为一种必不可少的测量仪器。
另外，由于数字式仪器具有读数准确方便，精度高，误差小，灵敏度和分辨率高，测量速度快等特点，而倍受用户青睐，数字式交流毫伏表就是基于这种需求而发展起来的。
二、工作原理
1.一般数字电压表的基本原理
数字电压表是利用模拟－数字转换原理，将被测电压（模拟量）转换为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种电压测量仪器。
因此，对于一台数字电压表来讲，除了供电电源之外，一般均可分为模拟和数字两部分。
起原理框图如下图
（1）所示。
数字电压表原理框图
（1）
A/D转换是䕰字电压表的核心，它将被测电压量（模拟量）转换成与之成比例的数字量。
数字电压表常用的A/D转换有两种方式：
一种是将模拟电压信号直接转换成二进制的数字量，这一般通过A/D转换器来完成；另一种是将模拟电压量转换成与之成比例的频率量，然后通过计数器测量出频率值，即可确定其电压。
2．本设计所研制的数字电压表的工作原理
同大多数数字式交流电压表一样，本表也分为模拟和数字两部分。
但由于本表具有量程自动转换功能，所以它又具有不同于一般电压表的特点。
本表的工作
原理框图如下图
（2）所示。
图
（2）
输入电压信号Ui经过输入通道进入放大器部分，经过放大之后，由AC/DC转换为与交流电压有效值相等的直流电压。
该直流电压经过V/F转换电路输出相应的频率量，然后计数器部分在秒脉冲的控制下进行计数测量，最后显示出读数，从而完成电压的测量。
量程自动转换控制电路根据AC/DC转换电路输出的直流电压值决定反向放大器的放大倍数。
这样，可以根据输入电压Ui的大小改变放大器的放大倍数，从而使AC/DC转换电路输出的直流电压值符合V/F转换电路的输入电压范围。
这也是量程自动转换的实质。
工作原理框图中各部分的具体电路及工作原理将在下文中详细说明。
三．单元电路的原理及设计
3．1输入通道的设计
本电压表.的输入通道分为高压（500V~5V）输入通道和低压（5V以下）输入通道。
两个通道的切换采用人工手动切换，其原理图如下图（3）所示。
图（3）
可见，输入通道由衰减器和跟随器两部分组成。
低压（5伏以下）输入直接进入由运算放大器构成的跟随器，而高压（500伏~5伏）输入经过衰减器衰减后进入跟随器。
衰减器基本分为电阻式和电容式两种。
实际电路中，为了改善电路的性能，常采用阻容混合式衰减器，阻容串联或阻容并联均可。
在本仪表中为了清除电阻对地的杂散电容及分布电容的影响，采用了阻容并联式衰减器，如上图所示。
为了使衰减器的衰减倍数不因电压幅值和频率的变化而变化，阻容值应满足下列条件：
（C1+C2）/C1=（R1+R2）/R2;即C1R1=C2R2.该电压表需要衰减100倍的衰减器，故有（C1+C2）/C1=（R1+R2）/R2=100;且R1+R2为高压输入通道内阻。
由此即可确定电阻，电容的值。
输入通道是利用跟随器来提高输入阻抗信号从运放的同相端输入，其理想的输入阻抗为无穷大，实际为几十兆欧。
跟随器的输入与输出波形相同且相位一致，使信号无畸变地送入测量电路。
3．2反相放大器的设计
当较小的被测电压信号送入测量电路时，为了更精确的测量它，必须将信号放大。
这里采用相放大器，其电路如下图（4）所示。
图（4）
由反相放大器放大倍数进行准确测量的。
而量程自动切换正是利用输入电压的值控制继电器KA1,KA2的通断，从而调整放大倍
数的幅值Au=Vo/Ui=Rf/R可知，当R=1KΩ时，根据KA1,KA2的通断，Rf分别取1KΩ,10KΩ,100KΩ时，则放大倍数分别等于1倍，10倍，100倍。
3．3AC/DC转换部分的设计
在测量交流信号时，交，直流转换是一个非常重要的环节，交，直流电压
转换一般由整流电路和滤波电路构成。
整流电路一般有无源和有源两种。
其中，无源整流电路由于二极管的非线性
的影响。
因此，本仪表中采用了有源全波整流，其电路如下图所示。
和死区的存在影响测量精度。
而有源整流电路则可以消除二极管的非线性和死区
的影响。
因此，本仪表中采用了有源全波整流，其电路如下图（5）所示。
图（5）
当输入信号Ui处于正半周时，D2截止，U01为虚地，U01约等于零；当Ui处于负半周时，D1截止，D2导通，形成负反馈。
此时U01=-（R2Ui）/R1，且二极管的非线性和死区不会影响输出。
U01的波形为半波整流波形。
U2和R3~R5构成反相加法器，若取R4=2R3,则输出U02=-R5（U01+Ui/2）/R3，即正弦波整流波形想加，形成全波整流输出。
电容C的作用是滤波高频干扰。
滤波电路一般也分为有源滤波和无源滤波。
为了提高精度，本仪表采用了二阶有源低通滤波器，其电路如下图（6）所示。
图（6）
对于输入的全波整流信号，低通滤波器的作用是滤除其中的交流成分，只让直流成分通过。
因此，将低通滤波器的截止频率定为2Hz。
4．量程自动转换电路的设计
量程自动转换是实现精密仪器自动测量的重要组成部分，也是本仪表的核心控制部分。
本仪表采用的是模拟比较法量程自动转换。
模拟比较法量程自动转换电路是由模拟比较器，量程寄存器，量程开关和译码器组成，其原理框图如下（7）
所示。
CP_
禁返
图（7）
（1）模拟比较器
模拟比较器的作用主要是衡量输入信号Ui是否处于预定的电压范围内。
当Ui高于“超出基准”时，则能输出进位脉冲CP+;当Ui低于“不足基准”时，则能输出退位脉冲CP_。
模拟比较器由两个比较器和两个或门组成，如下图所示。
比较器由LM311构成，“超出基准”预定为5V，“不足基准”预定为0.5V。
如果输入信号Ui超过5V，则比较器LM311
（1）输出低电平，脉冲CP通过“或
”门输出CP+；当Ui低于0.5V时，则比较器LM311
（2）输出低电平，脉冲CP通过“或”门输出CP—；当Ui处于5V~0.5V之间时，则两个比较器均输出高电平，此时既没有CP+也没有CP_输出。
LM311有一个控制端S，当S=1（高电平）时，比较器处于工作状态；当S=0（低电平）时，比较器处于禁止状态，此时比较器输出为高电平。
因此，当“禁进”或“禁返“信号传送过来之后，比较器将处于禁止状态，由“禁进”或“禁返”信号来控制CP+或CP-的输出。
（2）量程的划分
由于低压输入通道有运算放大器组成的电压跟随器，受该电压跟随器的限制，其输入电压有效值最高不得大于5V。
因此，仪表的基本量程定为5V~500mV，故比较器的上，下限电压相应为5V和0.5V。
根据比较器的上，下限电压，可将仪表的量程划分为五档。
其中，高压部分为两档，低压部分为三档，即
高压部分：
500V~50V
50V~5V
低压部分：
5V~500mV
500Mv~50Mv
50mV以下
高压输入通道输入的电压经过衰减器后衰减为5V以下的电压，即可进行低压测量。
因此，只需确定低压部分三个量程的对应放大倍数即可。
由前文可知，本仪表的反相放大部分有1倍，10倍和100倍三种放大倍数，而反相放大器的放大倍数Au与继电器KA1,KA2的通断有密切关系。
量程放大倍数Au与继电器KA1,KA2状态的对应关系如下表所示。
其中0和1表示继电器的断开和闭合。
Au与KA1、KA2状态的对应关系表
量程
Au
KA2
KA1
5V~500MV
1
1
0
500MV~50MV
10
0
1
50MV以下
100
0
0
由此可见，量程的自动转换实际上可以归结为继电器KA1，KA2状态的转换
（3）量程寄存器
量程寄存器是量程自动转换的核心部分，它的输入信号为CP+和CP-，而它的输出则控制量程的转换。
根据前面的分析，量程的顺次转换可以表示为继电器KA1,KA2状态的不同组合，也就可以表示为两位二进制数的减，加计数。
因此，这里选用二进制可逆计数器74LS193作为量程寄存器，其连接电路图如下图所示。
74LS193为异步二进制计数器，这里只利用它的加，减计数和QA,QB两个输出。
根据其功能，当CP+有脉冲输入，CP-为高电平时，其输出QA,QB进行二进制加计数；当CP+为高电平，CP-为脉冲输入时，其输出QA,QB进行减计数；当CP+,CP-同为高电平时，其输出QA,QB保持不变。
比较器输入与量程寄存器的关系如下表所示。
Ui
CP+
CP-
量程转换
计数方式
>5V
CP
1
升量程
加计数
<0.5V
1
CP
降量程
减计数
0.5V~5V
1
1
不变
不计数
（4）量程开关
量程的切换是通过量程开关来实现的，本仪表的量程开关是继电器KA1,KA2。
通过继电器KA1,KA2可以使放大器的放大倍数发生变化，从而实现量程的转换。
从74LS193输出的控制信号QA,QB为数字信号，为了用该信号控制继电器的通断，采用如下图所示的驱动电路。
继电器的线圈为感性负载，当晶体管关断时，二极管D起到为继电器的线圈续流的作用，从而保证驱动电路的正常工作。
由于继电器KA只需断开，闭合一条线路，故只需单触点继电器即可，这里选用HG4100型。
（5）译码器
译码器的作用主要是根据量程的控制信号指示量程的位置，因此又称为量程指示器。
由于本仪表为数字显示，因此量程指示就体现为显示单位和小说点的变化。
换句话说就是译码器的输出决定了显示器的单位和小数点的变化。
由于高，低压量程的切换是手动的，因此要用一位数字信号来表示这一变化。
兹规定，当使用低压量程时，信号QC为低电平0；当使用高压量程时，信号QC为高电平1。
本仪表的显示为四位BCD码，单位可以采用伏（V）和毫伏（mV）两种。
量程和显示的关系如下表所示。
量程和显示的关系
量程
4位BCD码显示
单位
500V~50V
4
9
9.
9
V
50V~5V
4
9.
9
9
V
5V~500mV
4
9
9
9
mV
500mv~50mv
4
9
9.
9
mV
50mv以下
4
9.
9
9
mV
单位和小数点均可以用数字信号的高低电平驱动发光二极管来表示。
当数字信号为高电平时，发光二极管亮；当数字信号为低电平时，发光二极管熄灭。
因此，单位和小数点的亮与熄灭可以用二进制数0和1来表示，可得逻辑真值表如下表所示。
逻辑真值表
量程
译码器输出
译码器输入
Qc
Qb
Qa
第二位小数点S1
第一位小数点S2
V
S3
mV
S4
500V~50V
1
1
0
0
1
1
0
50V~5V
1
0
1
1
0
1
0
5V~500mV
0
1
0
0
0
0
1
500Mv~50mV
0
0
1
0
1
0
1
由上面逻辑真值表可以写出译码器输入，输出的逻辑表达式为：
第二位小数点S1=QCQBQA+QCQBQA
第一位小数点S2=QCQBQA+QCQBQA
VS3=QC
MVS4=Q
同时，译码器还需要输出“禁进”，“禁返”信号。
当量程切换到最高档500V~50V或5V~500MV时，若直流输出仍高于“超出基准”，则必须产生“禁进”信号。
同样，当量程处于最低档50V~5V及50MV以下时，若直流输出仍低于“不足基准”，则必须产生“禁返”信号。
因此，可以得到如下表所示真值表。
“禁进”，“禁返”信号真值表
量程
QC
QB
QA
禁进S5
禁返S6
500V~50V
1
1
0
1
0
50V~5V
1
0
1
0
1
5V~500MV
0
1
0
1
0
500MV~50MV
0
0
1
0
0
50MV以下
0
0
0
0
1
由表可得如下逻辑表达式
禁进S5=QCQBQA+QCQBQA
禁返S6=QCQBQA+QCQBQA
此处采用三线——八线译码器74LS138和与非门74LS00来产生信号S1~S60。
至此，量程自动转换电路已设计完毕。
该电路可以根据输入信号的大小，自动地转换到合适的量程上，从而完成精确测量。
四、V/F转换电路部分的设计
V/F变换即电压到频率的变换，表示输出信号频率fo与输入电压VI成正比。
目前实现V/F变换的变换方法很多，有由分离元件组成的变换电路，也有各种集成电路，这类集成电路使用简单，调试方便，转换精度也比较高，是目前首选器材。
下面将重点介绍LMx31系列V/F变换器在转换电路的应用。
1、LMx31系列V/F变换器组成的变换电路的介绍
LMx31系列包括LM131A/LM131、LM231A/LM231、LM331A/LM331，该系列的器件是一种性能价格比较高的集成电路，很适合用作精密频率电压转换器、长时间积分器、线形频率调制或解调等功能电路。
另外该系列的器件十分适合用于低电源电压的数字系统，用电池供电的V/F变换器输出的频率可方便地通过光电隔离，从而提供良好的共模抑制能力。
LM131/231/331使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4V电源电压下都有极高的精度。
精度定时电路具有低的偏置电流，100KHZ的V/F转换所需要的高速响应也没有退化现象。
输出可驱动三个TTL负载，高压输出可达40V。
其主要特点有：
·双电源或单电源供电（单电源在4～40V范围内均能工作）。
·高的线性度（0.01%）。
·脉冲输出与所有逻辑形式兼容。
·稳定性好，温度系数小于等于50×（1/1000000）/摄食度
·功耗低，当电源为5V时，功耗为15mW。
·动态范围宽（10KHZ满量程频率下最小值为100Db）。
·满量程频率范围（1HZ～100KHZ）。
·成本低。
LMx31系列集成变换器的管脚排列图如下图（8）所示。
各管脚的功能如下：
1脚：
输出电流I0输出端。
它是内部一个精密电流源的输出端。
2脚：
基准电流Is输出端。
该脚对地电压的典型值为1.9V。
在使用时，一般对地接一电阻Rs，其典型值取14千欧，实际应用时取3.8千欧～150千欧。
3脚：
脉冲频率fouT输出端。
该端子是内部一个三极管集电极，且集电极开路输出。
故在使用时，一定要外接一上拉电阻。
4脚：
接地端（或负电源端）。
5脚：
外接定时电阻和定时电容端。
该脚是内部单稳态触发器的外接定时元件端子。
6脚：
阈值电压输入端。
它是内部一个比较器的反相输入端，该端的电压与7脚输入电压相比较，并根据比较结果启动内部的单稳态定时电路。
7脚：
被转换的外部电压输入端。
8脚：
正电源端。
2、LMx31系列V/F变换器组成的转换电路应用实例
（1）组成V/F变换器
下图（9）是LMx31组成的简单的V/F变换器。
图中RIN，CIN组成输入滤波环节,RW1为调零电位器，RW2为转换增益调节，RW2要选用多圈电位器。
在CL上串联RB产生一个附加的滞后效应，改善线形度。
根据压频转换公式。
FouT=（1/2.09）（Rs/Rl）（1/RtCt）Vin
Rin取100千欧，使7脚的偏流能抵消6脚的偏流影响，以减少频率失调。
CIN取0.01~0.1微法，当输入信号纹波较大时，也可取1微法，但无论如何不应使Cin远小于Cl，以防止Vin微小的变化会导致fout的瞬时停顿。
按照电路所示的元件值，该电路的指标：
输入电压0~+10V，输出频率为0~10KHZ，非线形误差为百分之三十。
图（9）
（2）下图（10）是LMx31组成的精密V/F变换器。
该电路中主要是增加了积分器（由A,CF构成）。
因为是反相积分，故要求输入电压为负值。
当A的输出电平超过LMx31的6脚阈值电平时，就启动器件的转换周期，流入运放求和节点（2端）的平均电流I正好等于Vin/RIN，两者平衡。
所以LMx31输入端比较器的失调电压所产生的频率失调，不影响V/F的转换精度。
由于恒流源1脚恒为低电平，不管输入信号Vin是大是小它总不变，故改善了线形度。
本电路的压频转换公式不变。
本电路指标：
输入电压0~-10V，输出频率为0~10KHZ，非线形度可达正负百分之十。
图（10）
五、秒脉冲发生器的设计
1、脉冲信号产生电路
（1）集成门电路构成的方波发生器
由CMOS反相器组成的方波振荡器如下图（11）所示。
该电路仅用一片六反相器CD4069构成。
这种电路的优点是起振容易，即使采用低阻值电阻或小容量电容也能起振：
振荡频率范围宽，稳定性好。
输出方波的频率表达式为：
f=0.455/（R1C+RpC）
G3反相器是起缓冲隔离作用，提高方波发生器的带负载能力。
改变电位器Rp，即可改变振荡频率。
当Rp=100千欧时，最低振荡频率为：
fmin约等于4.5KHZ
当Rp=0时，最高振荡频率为：
fmax约等于4.5MHZ
输出方波的幅度近似等于电源电压Vcc。
在上述电路中，选用高速CMOS反相器74HC04，则最高频率可到40MHZ，可实现高频方波发生器
图（11）
2，石英晶体振荡方波发生器
在数字仪器仪表，自动测试系统及高精度定时控制中，往往需要一个高稳定度，高精度的方波信号源。
为此将石英晶体配以CMOS门电路或专用集成电路，即可构成石英晶体振荡电路。
下图（12）电路是石英晶体和集成CMOS门电路构成的方波发生器的典型结构。
在电路中，电阻Rf是偏置电阻，其目的是保证反相器G1工作在线形区。
一般Rf的取值5.1~30兆欧。
石英晶体在并联谐振时呈感性，其等效电感L0与电容器C1,C2构成选频网络，组成三点电容式振荡器。
G2门的作用有两个：
第一，起放大整形作用，把G1门输出的近似正旋波信号变换成前后沿陡峭的方波。
第二，起隔离作用，提高晶体振荡电路的带负载能力。
图（12）
六、计数及显示部分的设计
计数器具有累积计数脉冲的功能。
它是数字电路系统中一个十分重要的逻辑部件，目前生产厂家已制造出了具有不同功能的集成计数芯片，各种计数器的不同点主要表现在计数方式（同步计数或异步计数），输出编码形式（自然二进制，BCD编码，时序分配输出），计数规律（加法计数或可逆计数），预置方式（同步预置或异步预置）以及复位方式（同步复位或异步复位）等六个方面。
下面将简单介绍几种常用的集成计数器。
二进制计数器。
常用多级异步二进制计数器有CD4020，CD4024,CD4040及CD4060其中CD4024是7级串行二进制计数器。
它们的共同特点是仅有两个输入端，一个是时钟输入端“CP”，另一个是清零端“R”。
在清零端R上加高电平“1”时，计数器输出全部被清零，当R端为低电平“0”，在时钟脉冲“CP”的作用下完成计数，且在CP脉冲的下跳沿计数器翻转。
当多级计数器连接构成计数规律更大的计数器时，方法相当简单，只需将上一级最高位的输出连到下一级计数器的“CP”即可。
十进制计数器的编码一般都是BCD码，常见的十进制加法计数器有74LS160,74LS162及CD4518等。
74LS160和74LS162管脚排列和逻辑功能完全相同（与74LS161,74LS163管脚相同，但74LS161,74LS163是4位二进制计䕰器），所不同的是74LS160是异步清零，而74LS162是同步清零。
CD4518是双BCD码计数器。
CD4518中的每个计数器包含两个时钟输入端：
CP和EN。
CP用于上升沿触发，要求EN=1；EN用于下降沿
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