数字交流毫伏表的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

数字交流毫伏表的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

个方向的发展趋势：一是向多功能、多参数、高精度、高速度方面发展，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。 本文所研制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 ，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 — 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。 6 2 设计工具的简介 PROTEL99 简介 本次毕业设计主要是印制电路板（简称 PCB 板）的设计，采用的是 Protel 99SE。 Protel 软件以其易学易用而著称。 Protel 99 SE 这套电路设计软件，主要包括四部分： Schematic99 SE、 SIM99SE、 PLD99SE、 PCB99SE、 PCB99CE。 除了上述四大部分之外， PROTEL99 也提供了一些基本工具，如特别使用与电路设计的文字编 辑器的工具，适用于电路数据管理的电子表格编辑器和统计图编辑器等工具。 绘制 PCB 时的注意事项 从焊接面看，组件的排列方位尽可能保持与原理图相一致布线方向最好与电路图走线一致。 布线方向最好与电路图走线方向一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样便于生产中的检查，调试以及检修。 ，分布要合理和均匀，力求整齐美观，结构严谨的工艺要求。 (1)当电路组件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放。 (2)竖放 ：放电路的组件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般上采用竖放。 在稳压器中用来调输出电压，故设计电位器应满足顺时针输出电压升高，逆时针调节输出降低，在可调恒流充电器中电位器用来调节充电电流的大小，设计电位器是应满足顺时针调节时，电流增大。 电位器安放应当满足整体结构安装及面板布局的要求。 因此应尽可能放在边缘，旋转板朝外。 ，组件脚间距要合理。 ，设计时应力求走线合理，少用外接跨线。 图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。 7 ，导线的宽度要定好尺寸，不能太粗和太细，导线间距要尽量统一适中，以防短路。 在不违背原理的前提下可以从元件中调用其他元件替代本元件。 8 3 工作原理 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。 其原理框图如图 31所示。 图 31 数字电压表的原理框图 A／ D 转换是数字电压表的核心，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，即可确定其电压值。 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 图如图 32所示。 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转换电路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 转换输入电路 A/D 转换 计数器 显示器 逻辑控制 9 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相放大器的放大倍数。 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。 图 32 工作原理框图 输入通道的设计 本电压表的输入通道分为高压 (500V一 5V)输入通道和低压 (5V以下 )输入通道。 通道的切换采用人工手动切换，其原理图如图 33所示。 由图可见，输入通道由衰减器和跟随器两部分组成。 低压 (5V 以下 )输入直接进入由运算放大器构成的跟随器，而高压 (500V 一 5V)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。 在本仪表中为了输入通道 反向放大器 AC/DC 转换 V/F 转换 量程自动转换控制电路 计数器 显示部分 秒脉冲发生器 10 消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，如图33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： (Cl十 C2)／ C1=(R1十 R2)／ R2；即 C1Rl＝ C2R2。 该电压表需要衰减100 倍的衰减器，故有 (Cl十 C2)／ C1=(R1十 R2)／ R2＝ 100；且 Rl十 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的，信号从运放的同相端输入，其理想的输入阻抗为 ∞ ，实际为几十 兆欧。 跟随器的输出与输入波形相同且相位 — 致，使信号无畸变地送入测量电路。 图 33 输入通道 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，为了更精确地测量它，必须将信号放大。 这里用反相放大器，其电路如图 34 所示。 由反相放大器的放大倍数的幅值 AU＝ UO/UI=Rf /R 可知，当 R＝ l kΩ 时，根据 KA KA2的通断， Rf分别取 lkΩ 、 10kΩ 、 100kΩ 时．则放大倍数分别等于 1 11 倍、 10 倍、 100 倍。 而量程电动切换正是利用输入电压的值控制继电器器 KAKA2的通断，从而调整放大倍数进行准确测量的。 图 34 反相放大器 AC／ 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饱和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截止区的影响。 因此，本仪表中采 用了有源全波整流，其电路如图 35所示。 12 图 35 全波整流电路 当输入信号 ui处于正半周时， D2 截止， uo1为虚地， uo1≈ 0；当 ui处于负半周时， D1 截止， D 2 导通，形成负反馈。 此时 uo1＝一 (R2u1)／ Rl，且二极管的非线性截止区不会影响输出。 Uo1的波形为半波整流波形。 U2和 R3一 R5构成反相加法器，若取 R4＝ 2R3，则输出 uo2＝一 R5(uo1十 u1／ 2)/R3，即正弦波同半波整流波形相加，形成全波整流输出。 电容 C的作用是滤除高频干扰。 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，其电路如图 36所示。 13 图 36二阶有源低通滤波器 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。 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，其原理框图如图37所示。 14 图 37 量程自动转换的原理框图 (1)模拟比较。