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1、學(xué)號(hào)：14092500090畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目：數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)作 者 屆 別2013院 部物理與電子學(xué)院專(zhuān) 業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)老師 職 稱(chēng)副教授完成時(shí)間2013.05 I 摘 要在工農(nóng)業(yè)，科研和教學(xué)中，數(shù)字電壓表是不可或缺的儀器，以前的電壓測(cè)量工具為傳統(tǒng)的指針式電壓表，這種電壓表操作繁瑣，穩(wěn)定性較差，特別地，測(cè)量精度不夠高，不能滿(mǎn)足日星月異的現(xiàn)代電子測(cè)量需求。在這種情況下，數(shù)字電壓表應(yīng)運(yùn)而生。本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表是以 A/D 轉(zhuǎn)換器為核心。對(duì) AD 轉(zhuǎn)換電路，譯碼電路和顯示電路等進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)。最后設(shè)計(jì)出的數(shù)字電壓表具有正負(fù)電壓極性，過(guò)量程顯示、小數(shù)點(diǎn)顯示,基本量程換檔等等指標(biāo)和功能。本課題

2、所設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表，其硬件系統(tǒng)所有的電子元器件較少，易于調(diào)節(jié)，造價(jià)低廉，實(shí)踐表明，此方案可行。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：數(shù)字電壓表；A/D轉(zhuǎn)換器；硬件系統(tǒng) IIAbstract In agriculture and industry, research and teaching, voltage meter is a necessity. The voltage measurement tools that used previously are traditional pointer voltage meter. It is characterized by cockamamie manipulatio

3、n, poorer stability. Especially, the measurement accuracy is not that high, which cant meet the demand of modern electronic measurement that changing quickly. Under the circumstances. The digital voltage emerged as the times require. The A/D converter is the core processor of DVM in this thesis。This

4、 thesis did design to AD switching circuit, decoding circuit and display circuit by module design. It is with the positive and negative voltage polarity, over range show，decimal show indicators and basic range shift function. The DVM designed here, have less components in the hardware system, easier

5、 testing and lower cost，After theoretical research, this program will work.Keyword: DVM；A/D converter；The hardware system 1目目 錄錄摘 要-IABSTRACT-II第一章緒 論-21.1 引言 -21.2 數(shù)字電壓表國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 -21.3 課題的目的和意義 -21.4 課題各章節(jié)的安排 -2第二章 數(shù)字電壓表概述-42.1 數(shù)字電壓表的組成原理 -42.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性 -52.2.1 測(cè)量范圍 -52.2.2 分辨率 -52.2.3 測(cè)量誤差和測(cè)量速率

6、-62.2.4 輸入電流與輸入阻抗 -62.2.5 響應(yīng)時(shí)間和抗干擾能力 -72.3 設(shè)計(jì)指標(biāo) -8第三章 數(shù)字電壓表硬件部分的設(shè)計(jì)-93.1 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)部分 -93.1.1 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇和 A/D 轉(zhuǎn)換電路工作原理-93.1.2 A/D 轉(zhuǎn)換器 CC14433 的性能特點(diǎn)-113.2 譯碼電路設(shè)計(jì)部分 -123.2.1 譯碼電路工作原理 -123.2.2 BCD 碼七段譯碼驅(qū)動(dòng)器 CC4511 -143.3 顯示電路設(shè)計(jì)部分 -153.3.1 顯示電路工作原理介紹 -153.3.2 七路達(dá)林頓晶體管列陣 MC1413 -163.4. 超量程設(shè)計(jì) -173.5 總體電路設(shè)計(jì)

7、-19第四章 數(shù)字電壓表的干擾及防護(hù)設(shè)計(jì)-214.1 數(shù)字電壓表的干擾介紹 -214.1.1 串模干擾 -214.1.2 共模干擾 -224.2 干擾的抑制-234.2.1 對(duì)串模干擾的抑制-234.2.2 共模干擾的抑制 -24參考文獻(xiàn)-28總結(jié)與展望-29致 謝-30 2第一章緒 論1.1 引言 數(shù)字電壓表,英文名稱(chēng)是 digital voltmeter,即 DVM。是一種利用 A/D 轉(zhuǎn)換原理使被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。最終顯示電壓的大小是數(shù)字量的一種精密的電子測(cè)量?jī)x器。數(shù)字電壓表主要構(gòu)成器件是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與以前的指針式電壓表相比較，數(shù)字電壓表主要具有功能多樣性的突出優(yōu)勢(shì)。而且數(shù)字電壓表還具

8、有高精確度、很強(qiáng)的抗干擾能力和具有一定拓展性等優(yōu)點(diǎn)。并且可以與個(gè)人電腦實(shí)行實(shí)時(shí)通信。目前數(shù)字電壓表已經(jīng)較多的應(yīng)用于工業(yè)方面的自動(dòng)化儀表、電工電子元器件的測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量測(cè)試領(lǐng)域。數(shù)字電壓表為現(xiàn)代化的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。1.2 數(shù)字電壓表國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況數(shù)字電壓表是一種智能化儀表，在最近幾十年間得到巨大的發(fā)展，其核心器件已從早期的中小規(guī)模電路發(fā)張到大規(guī)模的電路，目前國(guó)際以數(shù)字-模擬條圖雙顯示數(shù)字電壓表為流行款式。伴隨著信息時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電壓表從以前的傳統(tǒng)單一的測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換到智能化的方向發(fā)展，即把電壓表與計(jì)算機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，組成智能化數(shù)字電壓表。目前已取得了令人興奮的進(jìn)展，發(fā)展?jié)摿κ?/p>

9、分巨大，數(shù)字電壓表正以廣泛應(yīng)用新技術(shù)，新工藝，新材料為突破口，不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，并使其功能越來(lái)越多，操作越來(lái)越簡(jiǎn)單。1.3 課題的目的和意義隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)代科技的需要，測(cè)量?jī)x器特別是精密測(cè)量?jī)x器越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用，而作為精密儀器之一的數(shù)字電壓表也成為了推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的不可或缺的一種工具，數(shù)字電壓表與傳統(tǒng)的電壓表相比，最突出的特點(diǎn)是測(cè)量精度高，能滿(mǎn)足現(xiàn)代精準(zhǔn)測(cè)量的需求，其次還有量程寬，顯示位數(shù)多，分辨率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)出一個(gè)以數(shù)模轉(zhuǎn)換器為核心的數(shù)字電壓表是具有現(xiàn)實(shí)實(shí)際意義的。1.4 課題各章節(jié)的安排第一章系統(tǒng)地闡述了目前國(guó)內(nèi)外數(shù)字電壓表的總體發(fā)展情況。數(shù)字電壓表的應(yīng)用與發(fā)

10、展。為何要設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表這一問(wèn)題的提出。 3第二章介紹了數(shù)字電壓表的組成，包括對(duì)測(cè)量范圍、輸入電流與輸入阻抗、和抗干擾能力等工作特性作了介紹。第三章闡述了數(shù)字電壓表硬件部分的設(shè)計(jì)，其中包含了電子元器件的選擇，特別地，對(duì) CC14433 芯片的特點(diǎn)作了重點(diǎn)介紹，此外還對(duì)硬件部分的工作原理和功能作了介紹。其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換電路，電壓顯示電路等。第四章為抗干擾的設(shè)計(jì)，其中包含了硬件和軟件部分的抗干擾設(shè)計(jì)。 4第二章 數(shù)字電壓表概述2.1 數(shù)字電壓表的組成原理數(shù)字電壓表（DVM）運(yùn)用了 A/D 轉(zhuǎn)換原理，將作為模擬量的測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換成離散量（即數(shù)字量） ，最后采用數(shù)字形式把測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)的一種電子

11、測(cè)量?jī)x器。一臺(tái)典型的直流數(shù)字電壓表主要由輸入電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，顯示部分，以及電源電路等幾部分組成。如圖 2.1 所示。因此一臺(tái)數(shù)字電壓表除供電電源外，主要有模擬和數(shù)字兩大部分組成。輸入電路A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)器顯示器控制邏輯電路電源電路圖 2.1 直流數(shù)字電壓表的基本方框圖由圖可知，被測(cè)電壓作為模擬信號(hào)首先被 A/D 轉(zhuǎn)換單元采集并量化，再對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)度變換，這樣便得到了被測(cè)電壓的數(shù)值，然后把所得數(shù)據(jù)由SOI 串行數(shù)據(jù)接口輸出到驅(qū)動(dòng)顯示單元，驅(qū)動(dòng)顯示單元對(duì)該平均值完成譯碼，最后驅(qū)動(dòng)譯碼管顯示。A/D 轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表的核心，由于在數(shù)字電壓表中使用的 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為與

12、之成比列的數(shù)字量，因而是一個(gè)電壓-數(shù)字（V/D）轉(zhuǎn)換器。因?yàn)殡妷菏且粋€(gè)最基本的電量，且許多物理量都能方便地轉(zhuǎn)換成電壓，因此電壓-數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)一種最基本，最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換方式。因?yàn)槭孪入妷?數(shù)字轉(zhuǎn)換的原理和方案有許多種，因而相應(yīng)地也有各種不同類(lèi)型的數(shù)字電壓表。數(shù)字電壓表與指針式電壓表相比。具有速度較快，數(shù)字顯示讀數(shù)準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它的數(shù)字輸出可由打印機(jī)記錄，也可送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。它與計(jì)算機(jī)及其他數(shù)字測(cè)量?jī)x器，掃描儀、繪圖儀，計(jì)時(shí)器等外圍設(shè)備配合可以構(gòu)成各種各樣的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，目前，數(shù)字電壓表廣泛用于電壓的測(cè)量和校準(zhǔn)。直流數(shù)字電壓表是數(shù)字電壓表中最常用的一種。

13、在直流表 5的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加入各種輸入轉(zhuǎn)換裝置，便可以構(gòu)成能測(cè)交流電壓的交流數(shù)字電壓表。2.2 數(shù)字電壓表的主要工作特性2.2.1 測(cè)量范圍測(cè)量范圍是指能測(cè)的最小電壓到最大電壓之間的這一范圍。除此之外，還應(yīng)寫(xiě)明量程的選擇方式（如手動(dòng)、自動(dòng)和遙控等） 。1) 量程：擴(kuò)大量程主要借助于電阻分壓和輸入放大器。我們把沒(méi)有通過(guò)衰減或者放大的量程定義為基本量程。基本量程也是測(cè)量誤差最小的量程，例如DS-14 的量程分為 500V,50V,5V,0.5V 等四檔，其中 5V 為基本量程（沒(méi)有經(jīng)過(guò)放大和衰減，直接加到 A/D 轉(zhuǎn)換器） 。本設(shè)計(jì)中的基本量程為 2V。2) 位數(shù)：位數(shù)是表示數(shù)字電壓表性能的一個(gè)基

14、本參量。數(shù)字電壓表位數(shù)是以完整的顯示位數(shù)（能顯示 09 的 10 個(gè)數(shù)碼的顯示位）的多少來(lái)決定的，因此最大顯示為 9999、11999 和 19999 的數(shù)字電壓表均有四位完整顯示位。3) 超量程能力：超量程能力是數(shù)字電壓表的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。超量程能力能在被測(cè)量超過(guò)允許最大值時(shí)保證測(cè)量結(jié)果的精度和分辨率。例如，當(dāng)滿(mǎn)量程時(shí) 10V 的數(shù)字電壓表時(shí)，其輸入電壓從 9.999V 變成 10.000V 時(shí)，如果數(shù)字電壓表沒(méi)有超量程能力，則必須轉(zhuǎn)換用 100V 量程檔，從而得到“10.00V”的顯示結(jié)果，這樣會(huì)丟失 0.001V 的信息。在通常情況下，把最大量程是 9999 的叫做 4 位數(shù)字電壓表

15、。最大顯示為 19999 的稱(chēng)為 4.5 位數(shù)字電壓表，最大顯示為 39999 或者 59999 的叫做 3.75 位數(shù)字電壓表。除此之外，也經(jīng)常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示超量程能力，例如 3 位（約為 1000）有 100的超量程能力。2.2.2 分辨率分辨率是數(shù)字電壓表能夠顯示的被測(cè)電壓的最小變化值。顯然，在不同的量程上，數(shù)字電壓表的分辨率是不同的。在最小量程上的分辨率對(duì)應(yīng)的便是最高的分辨率，我們常把最高分辨率作為數(shù)字電壓表的分辨率指標(biāo)，例如，DS-14 型電壓表的最小量程檔為 0.5V，末位跳一個(gè)字所需要的平均電壓為 10V，故稱(chēng) DS-14 型電壓表的分辨率為 10V，在某些時(shí)候也用百分比來(lái)表示，

16、例如 3.5 位的分辨率是 0.05。因?yàn)榉直媛逝c數(shù)字電壓表中的 A/D 的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越少，則分辨率就越低，所以有時(shí)候稱(chēng)具有多少位的分辨率。例如，稱(chēng) 8 位 A/D 的分辨率便是 8 位， 6同時(shí)，分辨率越高，被測(cè)電壓越小，電壓表越靈敏，所以有的時(shí)候又把分辨率稱(chēng)為靈敏度。2.2.3 測(cè)量誤差和測(cè)量速率數(shù)字電壓表的固有誤差用絕對(duì)誤差表示，其表示方式是; (2.1)(mXUbUaU式中，為被測(cè)電壓的指示值，為該量程的滿(mǎn)度值，a 為誤差的相對(duì)項(xiàng)xUmU系數(shù)，b 為誤差的固定系數(shù)。上式的右邊第一項(xiàng)與讀數(shù)成正比，稱(chēng)為讀數(shù)誤差，第二項(xiàng)為不隨讀數(shù)變xU化而變化的固定誤差項(xiàng)，稱(chēng)為滿(mǎn)度誤差。讀數(shù)誤差包含刻度

17、系數(shù)，即轉(zhuǎn)換系數(shù)和非線(xiàn)性等因素產(chǎn)生的誤差。滿(mǎn)度誤差包括偏移，量化等產(chǎn)生的誤差。由于滿(mǎn)度誤差不隨讀數(shù)而變，所以可用 n 個(gè)字（d）的誤差表示，即： （2.2）)(dUaUX任一讀數(shù)的先對(duì)誤差為： （2.3）)(xmxUUbaUU由式（2.3）可見(jiàn)，隨讀數(shù)減小而增加，所以在測(cè)量最小電壓時(shí)，用較xU小的量程檔比較合適，以提高測(cè)量精度，這個(gè)結(jié)果與模擬電壓表是一樣的。測(cè)量速率是指測(cè)量一次所需要的時(shí)間，它是由數(shù)字電壓表中采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率來(lái)決定的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以在外部或者內(nèi)部的啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)下工作，數(shù)字電壓表內(nèi)部有一個(gè)取樣速率發(fā)生器，也稱(chēng)為觸發(fā)振蕩器。用來(lái)提供內(nèi)觸發(fā)信號(hào)，改變信號(hào)的重復(fù)頻率，就能改變

18、測(cè)量速率。2.2.4 輸入電流與輸入阻抗目前，多數(shù)數(shù)字電壓表的輸入級(jí)用場(chǎng)效應(yīng)管組成。當(dāng)為小量程的時(shí)候，其輸入阻抗可高達(dá)至少M(fèi)，當(dāng)為大量程的時(shí)候 (如 1000V、10000V 等)，由于使410用了分壓器的緣故，輸入阻抗通常是 10M。數(shù)字電壓表的輸入等效電路時(shí)不能只有一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源電阻來(lái)表示，必須iR用圖 2.2 所示的有源網(wǎng)絡(luò)來(lái)等效。這時(shí)由于數(shù)字電壓表采用場(chǎng)效應(yīng)管作為輸入級(jí)時(shí)，管中有漏電流建立一個(gè)附加的電壓（在 20時(shí)，通常為 10pA 以下） ，這0I個(gè)電流將通過(guò)被測(cè)信號(hào)源，從而在被測(cè)信號(hào)源內(nèi)阻上建立一個(gè)附加電壓，SR0ISR 7如圖 5.3，這個(gè)電壓將會(huì)與被測(cè)電壓疊加，會(huì)引起測(cè)量誤差。

19、由于被測(cè)源不xUSR同，的值也不同，因此的影響不能夠用調(diào)零的辦法來(lái)消除，為了減小其0ISR0I影響，必須減小的數(shù)值，例如 DS-14 型電壓表規(guī)定 時(shí)，0.通過(guò)過(guò)零比較器翻轉(zhuǎn)，閘門(mén)打開(kāi)，輸出由低電平跳轉(zhuǎn)AV1tAV2A到高電平。脈沖 CP 對(duì)計(jì)數(shù)器作用，使其從 0 開(kāi)始計(jì)數(shù)，記過(guò)設(shè)定時(shí)間=-1T2t 11以后產(chǎn)生溢出脈沖，在邏輯控制電路作用下?lián)Q接基準(zhǔn)電壓,此時(shí)定時(shí)積分1t0SRV結(jié)束，最高電壓= VXT1/RC(=VXN1/Rcfo)，然后基準(zhǔn)電壓被第 2 積分定值積maxV分，當(dāng) t=時(shí)，基準(zhǔn)電壓被積分器反向積分，它的輸出電壓呈線(xiàn)性下降，2t1AAV為 0 時(shí)，比較器第二次翻轉(zhuǎn)，輸出由高電平

20、跳轉(zhuǎn)到低電平，閘門(mén)關(guān)閉，計(jì)AV2A數(shù)停止，定值積分結(jié)束。輸出為-VREFT/RC，進(jìn)行定值積分的時(shí)間為 T2=t3-maxVt2=N2/f 。所以可以得出結(jié)論 VREFN2/N1,CC14433 芯片將 A/D 轉(zhuǎn)換功能和xV計(jì)數(shù)電路集成在一起。經(jīng)綜合分析，所以本課題中選擇的是 A/D 轉(zhuǎn)換器為 CC14433 芯片。3.1.2 A/D 轉(zhuǎn)換器 CC14433 的性能特點(diǎn)CC14433 是 CMOS 雙積分式 3位 A/D 轉(zhuǎn)換器。它是將模擬電路和數(shù)字電路的多個(gè) MOS 晶體管集成在一個(gè)芯片上，它有 24 只引腳，采用雙列直插式的辦法，引腳功能如圖 3.3 所示CC14433VDDQ3Q2Q1

21、Q0DSIDS2DS3DS4OR EOC VSSVAGVRVXR1R1 /C1C1C01C02DUCP1CP0VEF123456789101112131415161718192021222324圖 3.3 CC14433 芯片引腳圖引腳功能說(shuō)明:VAG(1 腳)：被測(cè)電壓 Vx 和基準(zhǔn)電壓 VR 的參考地。VR(2 腳)：外接基準(zhǔn)電壓（2V 或 200Mv）輸入端。Vx(3 腳)：被測(cè)電壓輸入端。R1（4 腳）、R1/C1(5 腳)、C1(6 腳)：外接積分阻容元件端。C1=0.1F(聚酯薄膜電容器)，R1=470k（2V 量程）。R1=27 k（200mV 量程）。C01（7 腳）、C02（

22、8 腳)：外接失調(diào)補(bǔ)償電容端，典型值 0.1F。 12DU（9 腳）：實(shí)時(shí)顯示控制輸入端。若 EOC（14 腳）端連接，則每次 A/D轉(zhuǎn)換均顯示。CP1(10 腳)、CP0(11 腳)：時(shí)鐘振蕩外接電阻端，典型值為 470k。VEE（12 腳）：電路的電源最負(fù)端，接5V.VSS(13 腳)：除 CP 外所有輸入端的低電平基準(zhǔn)（通常與 1 腳連接）。EOC（14 腳）：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)記輸出端，每次當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換周期結(jié)束的時(shí)候，EOC 輸出一個(gè)正脈沖，其寬度為時(shí)鐘周期的一半。(15 腳)：當(dāng) VX 的絕對(duì)值大于 VR 時(shí)， 輸出為低電平。ORORDS4-DS1(16-19 腳)：多路選通脈沖輸入

23、端，DS1對(duì)應(yīng)于千位，DS2對(duì)應(yīng)于百位、DS3對(duì)應(yīng)于十位，DS4對(duì)應(yīng)于個(gè)位。Q0-Q3（20-23 腳）：BCD 碼數(shù)據(jù)輸出端，DS2,DS1，DS4 在選通脈沖的期間，輸出三位完整的十進(jìn)制數(shù)，當(dāng) DS1選通脈沖的這段時(shí)間，輸出千位 0 或者 1及過(guò)量程、欠量程和被測(cè)電壓極性標(biāo)志信號(hào)。CC14433 具有自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換和自動(dòng)調(diào) 0 等功能，可以測(cè)量正或者負(fù)電壓值。當(dāng) CP1、CP0均接入 470k 的電阻時(shí)，時(shí)鐘頻率大約為 66KHz,進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換的頻率為 4，它的使用方便快捷。能與單片機(jī)和其它數(shù)字系統(tǒng)兼容，在數(shù)字萬(wàn)用表，數(shù)字溫度計(jì)，數(shù)字面板表，數(shù)字量具和遙測(cè)和遙控系統(tǒng)有較廣泛的應(yīng)用。3.

24、2 譯碼電路設(shè)計(jì)部分3.2.1 譯碼電路工作原理七段譯碼器顯示原理如圖 3.4 所示。譯碼器的真值表見(jiàn)表 1。A，B，C，D 為四位二進(jìn)制輸入信號(hào)。a,b,c,d,e,f,g 為譯碼輸出.通過(guò)撥號(hào)開(kāi)關(guān)改變輸入二進(jìn)制碼.則輸出數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的數(shù)值。 13abcdefgabcdefg按撥號(hào)開(kāi)關(guān)接數(shù)碼板接口七段譯碼器譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)電路圖 3.4 譯碼器邏輯圖表 1 譯碼器的真值表輸入輸出數(shù)值A(chǔ)BCDabcdefg0000011111101000101100002001 11101101300111111001401000110011501011011 01160110101111170111

25、11100008100011111119100111110114 個(gè)數(shù)碼管如果按照傳統(tǒng)的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式，即靜態(tài)掃描方式。則需要 4 個(gè)七段譯碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣既浪費(fèi)資源，有時(shí)電路工作也不可靠。所以現(xiàn)在最常見(jiàn)的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)不用上述的靜態(tài)掃描方式了，而是采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方式。這種方式只需一個(gè)譯碼器就可以實(shí)現(xiàn)電路正常、可靠的工作，這樣大大節(jié)省資源。動(dòng)態(tài)數(shù)碼掃描顯示方式是利用了人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，把 4 個(gè)數(shù)碼管按一定順序，從左至右或從右至左，進(jìn)行點(diǎn)亮，當(dāng)點(diǎn)亮的頻率，即掃描頻率不大時(shí)。 14我們看到的是數(shù)碼管一個(gè)個(gè)的點(diǎn)亮。然而，當(dāng)點(diǎn)亮頻率足夠大時(shí)，我們看到的不再是一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)亮，而是全部同時(shí)顯

26、示。點(diǎn)亮與傳統(tǒng)方式得到的視覺(jué)效果，完全一樣。因此我們只要給數(shù)碼管這樣一個(gè)掃描頻率，那么就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上的數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮。而這個(gè)頻率我們可以通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生。只要計(jì)數(shù)頻率足夠大，就可以實(shí)現(xiàn)我們的要求。事實(shí)上，因?yàn)閿?shù)碼管點(diǎn)亮不是瞬間就可以的。它也需要一定的時(shí)間，該時(shí)間與數(shù)碼管的選擇有關(guān)系。為了折中這一對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)中一般可將計(jì)數(shù)頻率選擇在 100Hz 左右肯定可以滿(mǎn)足上述兩個(gè)要求。所示的是4 位數(shù)碼掃描顯示電路，其中每個(gè)數(shù)碼管的 8 個(gè)段 h、g、f、e、d、c、b、a、h 是小數(shù)點(diǎn)，都分別連在一起。4 個(gè)數(shù)碼管分別由 8 個(gè)選通信號(hào) k1、k2、 k4 來(lái)選擇。被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，其余關(guān)

27、閉。如在某一時(shí)刻，k3 為高電平，其余選通信號(hào)為低電平，這時(shí)僅 k3 對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管顯示來(lái)自段信號(hào)端的數(shù)據(jù)，而其它 3 個(gè)數(shù)碼管呈現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)這種電路狀況，如果希望在 4 個(gè)數(shù)碼管顯示希望的數(shù)據(jù)，就必須使得 4 個(gè)選通信號(hào) k1、k2 k4 分別被單獨(dú)選通，并在此同時(shí)在段信號(hào)輸入口加上希望在該對(duì)應(yīng)數(shù)碼管上顯示的數(shù)據(jù)，于是隨著選通信號(hào)的掃變就能實(shí)現(xiàn)掃描顯示的目的。 實(shí)驗(yàn)參考掃描顯示程序中 clk 是掃描時(shí)鐘，SG 為 7 段控制信號(hào)，由高位至低位分別接 g、f、e、d、c、b、a 7 個(gè)段。BT 是位選控制信號(hào)。agK1K2K3K4圖 3.5 4 位數(shù)碼管電路圖 15abcdefgabcdef

28、g千百十個(gè)CC4511fgabcde1007DDVBCABILEDSSV譯碼驅(qū)動(dòng)LT4只LED共陰極數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)選擇開(kāi)關(guān)3K100123456789101112131415161001009013“1”圖 3.6 譯碼器與 LED 數(shù)碼管連接圖3.2.2 BCD 碼七段譯碼驅(qū)動(dòng)器 CC4511BCD 碼七段譯碼驅(qū)動(dòng)器型號(hào)有共陰極的 CC4511，74LS48 和共陽(yáng)極的74LS47，本課題中是用的是共陰極的 CC4511BCD 碼鎖存/七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。圖 3.7 為其引腳圖。CC451112345678910111213141516VccfgabcdeVssABCDLELT

29、BI圖 3.7 CC451 引腳排列引腳功能：A,B,C,D:BCD 碼輸入端；a,b,c,d,e,f,g:譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來(lái)驅(qū)動(dòng)共陰極 LED 管；:測(cè)試輸入端，為“0”時(shí)，譯碼輸出都為“1”；LTLT:消隱輸入端，為“0”時(shí)，譯碼輸出都為“1”；BIBILE：鎖定端，LE 是“1”時(shí)，譯碼器維持在鎖定（保持）的狀態(tài)，譯碼輸出 16維持在 LE=0 時(shí)的數(shù)值，LE=0 時(shí)，正常譯碼。3.3 顯示電路設(shè)計(jì)部分3.3.1 顯示電路工作原理介紹位選信號(hào) D,D,D,D通過(guò)位選開(kāi)關(guān) MC1413 分別控制著千位，百位，1S2S3S4S十位，個(gè)位上的 4 只 LED 數(shù)碼管的公共陰極。即

30、它們分別與位選開(kāi)關(guān) MC1413的 1,2,3,4 腳相連接，16，15,14,13 腳則分別控制著 4 只 LED 數(shù)碼管的千，百，十，個(gè)位。數(shù)字信號(hào)經(jīng)七段譯碼管 CC4511 譯碼后，驅(qū)動(dòng) 4 只 LED 數(shù)碼管各段陽(yáng)極。這樣就能把 A/D 轉(zhuǎn)換器按時(shí)間的順序輸出的數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)掃描的形式在四只數(shù)碼管上一次顯示出來(lái)。顯示電路工作原理如圖 3.8. abcdefgabcdefg千百十個(gè)MC1413(ULN2003)91011121314151612345678+5V4只LED共陰極數(shù)碼管位選開(kāi)關(guān)圖 3.8 顯示電路原理圖3.3.2 七路達(dá)林頓晶體管列陣 MC1413MC1413 是由摩托羅拉公司

31、研發(fā)反向驅(qū)動(dòng)器，可以對(duì)以前要由標(biāo)準(zhǔn)緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理。它結(jié)構(gòu)是 NPN 型 Darlington 復(fù)合晶體管，具有很大 17的輸入阻抗和電流增益，對(duì) MOS 或者 CMOS 輸出的信號(hào)能夠直接接受，并把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，此電路中含有 7 個(gè)集電極開(kāi)路反向器，即 OC 門(mén)。它運(yùn)用了具有 16 引腳的雙列直插式封裝，每一驅(qū)動(dòng)輸出端都接有一個(gè)抑制二極管，其主要作用是用來(lái)釋放電感負(fù)載能量。其具有很高的工作電壓、很大的工作電流耐高壓的優(yōu)點(diǎn)。其引腳排列如圖 3.9。1111111V01V07VCCVi1Vi7GND16151413121110987654321圖

32、3.9 MC1413 引腳排列3.4. 超量程設(shè)計(jì)通過(guò) CC14433 芯片中的超量程信號(hào)的使用，可以用其來(lái)對(duì)雙向移位寄OR存器的移位的方向進(jìn)行控制。DS1，DS2，EOC,Q0組成了移位脈沖 CP。其自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路如圖 3.10 所示：當(dāng)信號(hào)超過(guò)數(shù)字電壓表的最大量程顯示時(shí)=0,這時(shí)候 CC14433 在位選通OR信號(hào) DS1的輸出 Q0=1，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)移位脈沖送到移位寄存器，使移位寄存器產(chǎn)生一個(gè)位移，由于 S0=0，S1=0，所以使 74LS194 向右移開(kāi)升量程。同理，測(cè)量信號(hào)大于當(dāng)前量時(shí)，=0，Q0=1，使得 S2=0，S1=1，這便使得 74LS194 向OR左移降量程。 1874

33、LS194VccCR0D1D2D3D1S0SGNDCPSLD0Q1Q2Q3Q=1=1=1=11&MC1443374LS74ORDS1 DS2EOC0Q1RD1Q1SD1CPVcc圖 3.10 量程轉(zhuǎn)換電路 現(xiàn)在通過(guò)換檔來(lái)實(shí)現(xiàn)量程擴(kuò)大，原理圖如 3.11 所示。在基準(zhǔn)電源前，即外部可以串聯(lián) 9M,900K,90K,9K,900，100 不同電阻，以改變擴(kuò)大倍率，進(jìn)而改變量程的大小。MC14039M900K90K9K9001001MS圖 3.11 擴(kuò)大量程原理圖如果需要使用 200V 的電壓，則需要在 200mv 的基礎(chǔ)上要擴(kuò)大 1000 倍，由公式擴(kuò)大倍率=/。即總電阻是負(fù)載電阻的 1000 倍

34、，由圖 3.11 所示可以把接總R負(fù)R總R為 10M,負(fù)載電阻是 10K，量程便擴(kuò)大了 1000 倍，同理可知，最后可以有 200mv, 2V, 20V, 200V, 1000V 等 5 個(gè)不同的量程檔位。 193.5 總體電路設(shè)計(jì)電壓是一種模擬量，但數(shù)字電壓表卻是以數(shù)字形式顯示的，數(shù)字卻是一種離散量。因此，數(shù)字電壓表要實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量必然需要一種能把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器叫模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即 A/D 轉(zhuǎn)換器，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的數(shù)字化測(cè)量。它首先將輸入的模擬電壓信號(hào)變換成易于準(zhǔn)確測(cè)量的時(shí)間量，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓信號(hào)的數(shù)字量。實(shí)際上，電壓

35、表的數(shù)字化就是指通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后把連續(xù)模擬的電壓量變?yōu)椴贿B續(xù)的離散的數(shù)字量并顯示出來(lái)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照?qǐng)D 2.1 把電路分成A/D 轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理輸出單元、驅(qū)動(dòng)單元和顯示單元四個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)。數(shù)字電壓表總體設(shè)計(jì)電路圖如 3.12 所示。abcdefgabcdefg千百十個(gè)CC4511fgabcde1007DDVBCABILEDSSV譯碼驅(qū)動(dòng)LTMC1413(ULN2003)91011121314151612345678+5VCC14433DDV3Q2Q1Q0Q1SD2SD3SD4SDOREOCSSVAGVRVXV1R11/ CR1C01C02CDU1CP2CPEEV4只LED共陰極數(shù)

36、碼管小數(shù)點(diǎn)選擇開(kāi)關(guān)位選開(kāi)關(guān)MC140310K基準(zhǔn)電源123+5V-5V1K10K1K0.01F47K470K470K470K0.1FA/D轉(zhuǎn)換器+5V3K100123456789101112-5V242322212019181716151413123456789101112131415161001009013“1”圖 3.12 三位半直流數(shù)字電壓表線(xiàn)路圖在計(jì)算機(jī)中的數(shù)字幾乎都是采用十六進(jìn)制的，而人們中日積月累的固定思維中更偏向于使用十進(jìn)制。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要把十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)并加以顯示，在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用的是 CC14433，其具有低功耗，工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。此外，數(shù)字電壓表的輸出采用的是

37、4 位數(shù)碼管顯示，所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要保證數(shù)字輸出與數(shù)碼管的接口良好。數(shù)據(jù)顯示用 8 段數(shù)碼管，為使亮度適中，使用壽命較長(zhǎng)，需要用單片機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描的方式驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)電路圖如圖 3.5 所示，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的被測(cè)直流電壓以動(dòng)態(tài)掃描的形xV式輸出，Q0Q1Q2Q3為數(shù)字量輸出端，它上面的熟悉信號(hào)（8421 碼）以時(shí)間先后的順序輸出，通過(guò)位選開(kāi)關(guān) MC1413,D,D,D,D分別控制著千位，百位，1S2S3S4S 20十位和個(gè)位上的四只 LED 數(shù)碼管的公共陰極.七段譯碼器 CC4511 對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行譯碼工作后，便開(kāi)始驅(qū)動(dòng)四只數(shù)碼管的各段陽(yáng)極。這樣就把數(shù)模轉(zhuǎn)換器按時(shí)間的順序輸出的數(shù)據(jù)以?huà)呙璺绞皆谒闹?/p>

38、 LED 數(shù)碼管上予以顯示出來(lái)，由于選通頻率較高的緣故，工作時(shí)從高位到低位以每位每次大概 300s 的速度循環(huán)顯示，所以一個(gè)四位數(shù)的周期是 1.2ms,所以我們能夠清晰的看到四位數(shù)碼管同時(shí)顯示三位半十進(jìn)制數(shù)字量。當(dāng)參考電壓為 2V 時(shí)，滿(mǎn)量程顯示 1.999V，為 200mV 時(shí)，其滿(mǎn)量程是RVRV199.9mV,可用選擇開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)千位和十位 LED 數(shù)碼管 h 筆經(jīng)限流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的對(duì)小數(shù)點(diǎn)的顯示的進(jìn)行控制。此時(shí)，數(shù)字電壓表能測(cè)的電壓范圍為-2.000V+2.000V，不能滿(mǎn)足日常測(cè)量需要，現(xiàn)在則需要擴(kuò)大量程。 因?yàn)樽罡呶伙@示時(shí)只有 b,c 兩根線(xiàn)與 LED 數(shù)碼管的 b,c 腳相連，所以

39、最高位（即千位）只顯示 1 或者不顯示，用千位的 g 筆端來(lái)宣示模擬量的負(fù)值而不顯示正值，也就是說(shuō)，g 段是通過(guò) CC14433 的 Q2端 NPN 晶體管 9013 來(lái)控制的。課題中使用 CMOS BCD 七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器 CC4511。 21第四章 數(shù)字電壓表的干擾及防護(hù)設(shè)計(jì)4.1 數(shù)字電壓表的干擾介紹數(shù)字電壓表在用于測(cè)量時(shí)，存在著各種各樣的干擾。在實(shí)驗(yàn)室或者工廠車(chē)間，用數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們應(yīng)考慮干擾源的作用，因?yàn)槠鋵?duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者影響生產(chǎn)的進(jìn)行甚至于精通電子科技的人，在用數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，有時(shí)候都難于發(fā)現(xiàn)出微伏量級(jí)的直流電壓誤差，所以不僅要求數(shù)字電壓

40、表有較好的抗干擾能力，而且在測(cè)量過(guò)程中，必須解決抗干擾的一系列問(wèn)題。否則，即使儀表的分辨率再高，也很難把被測(cè)信號(hào)從干擾中正確測(cè)量出來(lái)，綜上所述，對(duì)數(shù)字電壓表的砍干擾設(shè)計(jì)就顯得十分有必要。對(duì)數(shù)字電壓表來(lái)說(shuō)，除被測(cè)電壓外，任何能改變儀表輸入端電壓的源都叫做干擾源。4.1.1 串模干擾串模干擾也稱(chēng)常模干擾，是指干擾有效地與信號(hào)源及數(shù)字電壓表輸入端串聯(lián)在一起，即它與待測(cè)信號(hào)重迭在一起而同時(shí)被測(cè)量而引起干擾。比較常見(jiàn)的串模干擾形式是簡(jiǎn)單的交流聲，即迭加在直流信號(hào)上的 50Hz 交流噪聲，可以看做是電源中所固有的干擾，如直流電源中的紋波。另一種是空間磁場(chǎng)中引線(xiàn)感應(yīng)所引起的，如圖 5.1 所示，它們的效果是

41、相同的。DVM=（a）電源干擾示意圖DVM=信號(hào)源（b)外界干擾示意圖圖 4.1 串模干擾原理圖因?yàn)橐肓舜８蓴_，當(dāng)它超過(guò)了數(shù)字電壓表的抑制能力的最大限度值時(shí)，儀表顯示將出現(xiàn)跳字的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。用串模抑制比 SMR 來(lái)表示對(duì)串模干擾的抑制能力，它是串模干擾的最大值與指示值產(chǎn)生的最大誤差之比，并用數(shù)字來(lái)表示，即：UsmsmU 22 （db） (4.1)smsmUUSMRlg204.1.2 共模干擾共模干擾是同時(shí)加在數(shù)字電壓表高端和低端輸入端引線(xiàn)上的干擾，本課題中是直流電壓干擾。其數(shù)值一般在 1V 左右，示意圖如下圖 8.2DVM=(a）干擾示意圖UxHL=HLUxRxrn1rn2Uc

42、mrcmZiDVMIcm1Icm2(b)外界干擾示意圖圖 4.2 共模干擾原理圖為了說(shuō)明共模干擾電壓對(duì)數(shù)字,電壓表的影響，其有關(guān)參數(shù)標(biāo)在了上圖上，其中導(dǎo)線(xiàn)電阻為 rn1,rn2，接地間的電阻為rcm 。由于共模電壓 Ucm產(chǎn)生共模電流 Icm1,Icm2,并在 rn1,rn2上產(chǎn)生電壓降，所以在儀表的輸入端口 H,L 同時(shí)造成干擾電壓，因?yàn)橥瑫r(shí)作用于 H,L 端，所以我們稱(chēng)之為共模干擾，但是如果因?yàn)?Ucm造成的兩個(gè)干擾電壓相同的話(huà)，則對(duì)測(cè)量結(jié)果五影響，也即起不了干擾作用，但現(xiàn)實(shí)生活中并非如此，因?yàn)?H 支路 Zi很大，所以 Icm1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 Icm2，這樣在 rn1,rn2產(chǎn)生的壓降 Ucm

43、H 和 UcmL 不相等，也就是說(shuō)，有一個(gè)電壓UcmHUcmL 加在 H,L 之間，換言之，即共模電壓 UcmcmU形成了一個(gè)串模電壓，對(duì)數(shù)字電壓表的測(cè)量帶來(lái)誤差。一般用共模抑制比 CMR 來(lái)表示數(shù)字電壓表對(duì)共模干擾的抑制能力，它是共模干擾電壓峰值與指示值產(chǎn)生的最大誤差電壓Ucm之比，并用對(duì)數(shù)表示，即: (db ) (4.2) cmcmUUCMRlg20 234.2 干擾的抑制4.2.1 對(duì)串模干擾的抑制對(duì)于串模干擾，積分式儀表在總結(jié)的結(jié)論上都有這樣的一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)積分時(shí)間與干擾信號(hào)的周期的整數(shù)倍相等時(shí)，有無(wú)窮大的干擾抑制能力，基于工頻干擾是最主要的串模干擾信號(hào)，所以積分表的周期均區(qū)委工頻周期的

44、整數(shù)倍，在理論上，這樣就賦予了積分表對(duì)工頻干擾能力就有無(wú)窮大。當(dāng)被測(cè)直流電壓上加上一個(gè)串模干擾時(shí)，在一段積分時(shí)間xU)sin(tUs內(nèi)的平均值為：。其中,是干dttUUTUsTx)sin(/10平均Tf/22擾電壓的角頻率，是其相位角與的差值就是干擾源引起的測(cè)量誤差。XU平均U= = （4.3）平均UXU2)2(sin2sin2ttTUS顯然TTUtTUsssin2sin2max由于干擾電壓的相位是不能控制的，所以必須要考慮當(dāng)sin(1 時(shí)達(dá)到最大值。12/ )2tmax所以當(dāng)積分時(shí)間 T 是干擾信號(hào)的整數(shù)倍時(shí)，sin(T/)=0,則 SMR。一般在積分表中周期 T 是不變的，但由于工頻電源穩(wěn)

45、定性不好，與周期 T之間就發(fā)生了一定的偏離，這時(shí)候除串模抑制比 SMR 會(huì)減小。當(dāng)工頻出現(xiàn) 1偏離時(shí)，就有 1的串模干擾不能夠被平均掉從而會(huì)引起測(cè)量結(jié)果誤差，這時(shí)的抑制能力由無(wú)限大減小到 40db,當(dāng)工頻偏離 4時(shí)，使得數(shù)字電壓表對(duì)共頻道干擾抑制被限制到 30db 而不符合技術(shù)指標(biāo)。就積分儀表而言：積分時(shí)間 T 不變時(shí)，若積分儀表具有越高干擾頻率（即越小） ，則串模抑制比 SMR 就越大，干擾信號(hào)周期固定時(shí)，采樣周期 T 越大，則串模抑制比越大，當(dāng) T 為的整數(shù)倍時(shí)，此時(shí)有 sin(T/) =0，則串模抑制比為無(wú)窮大，即完全平均串模干擾，不引進(jìn)測(cè)量誤差?？偠灾?，要加強(qiáng)對(duì)工品干擾的抑制，可以對(duì)

46、儀表自身進(jìn)行改進(jìn)，為了提高串模干擾的抑制能力，采用的辦法如下幾種：采用時(shí)間始點(diǎn)同步法，市電同步二次采樣法和頻率自動(dòng)跟蹤法。如在實(shí)際電路中，借助于鎖相技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使得鐘頻能隨著工頻電源頻率的變化而變化，在電源 48Hz51Hz的變化范圍內(nèi)具有良好的跟蹤性能，最終可使 SMR 獲得很大的提高，具有顯著效果。 244.2.2 共模干擾的抑制若數(shù)字電壓表的的輸入電路中是采用的單端對(duì)地輸入的接法，也就是機(jī)殼與低輸入端連接在一起，當(dāng)是這種情況時(shí)，直接串聯(lián)被測(cè)信號(hào)和共模電壓然后進(jìn)入數(shù)字電壓表，這時(shí)共模干擾便會(huì)變成串模干擾，這對(duì)測(cè)量影響最大，因?yàn)楣材８蓴_的影響是通過(guò)由它引起一個(gè)串模干擾而產(chǎn)生

47、的誤差，所以為了減小共模干擾，就必須減少由它引起的串模干擾。若果把數(shù)字電壓表的低端不與地接在一起，而且數(shù)字電壓表與地是不導(dǎo)電的，我們通常稱(chēng)這種方法為浮浮地輸入技術(shù)，它將會(huì)減少大量的共模電流，如圖 4.3的浮地輸入的情況。電路低端一般稱(chēng)為輸入電路模擬，它與接大地之間的機(jī)殼也是不導(dǎo)電的，為模擬地與機(jī)殼的絕緣電阻，我們一般通過(guò)減小共模電流的方eR法來(lái)減小共模干擾電壓。=模擬地機(jī)殼ZiCeRe漏阻100Vrcmrn1rn2UxHLIcm2Icm1 圖 4.3 數(shù)字儀表浮地保護(hù)技術(shù)原理圖浮值以后可以使共模電流減小，但由于 L 端對(duì)機(jī)殼的阻抗比 H 端的小很多，所以公態(tài)電流的主要成分流入低端，很少量的流入

48、高端，若高端引線(xiàn)電阻 rn1小于低端引線(xiàn)電阻 rn2,這時(shí)因?yàn)橐€(xiàn)電阻的不均衡會(huì)引起很大的誤差，所以在測(cè)試CMR 時(shí)要接上標(biāo)準(zhǔn)值為 1K 的非平衡電阻，即 L 端引線(xiàn)電阻是 1K。在上圖8.3 中有浮地保護(hù)后的典型數(shù)據(jù)： MRe100krn12Vrn1003由于引線(xiàn)電阻比漏阻小很多，所以決定電流的大小，共態(tài)電流為：eR2cmI = (4.4)2cmIAV791010100在低端引線(xiàn)上產(chǎn)生的壓降為： 25 (4.5)VUcm4710100010 (4.6)610cmcmUUdbCMR12010lg206610引線(xiàn)電阻漏阻而漏阻比從上面的式子可以推斷出，漏阻的值完全決定了共態(tài)抑制系數(shù)的大小，如果，

49、則共態(tài)電流0，此時(shí)將不會(huì)產(chǎn)生誤差。除了漏阻外，在儀表電eR2cmI路和機(jī)殼間還存在分布電容（H 端的分布比 L 端小很多，因此 H 端沒(méi)有標(biāo)出eC來(lái)） ，其值可達(dá) 1000pF，在頻率為 50Hz,容抗為 3M 時(shí)，可以忽略并聯(lián)漏阻，eR仍舊?。ㄓ行е担?.VUcm100Krn12則交流共態(tài)電流的有效值： AIcm52103 . 3L 端引線(xiàn)壓降,mVUcm33dbCMR70我們注意到有效值 33mV,其峰值為 47Mv,若儀表沒(méi)有抑制串態(tài)干擾的能力，也沒(méi)有濾波器，則可能顯示出最大的 47mV 的最大誤差，由此可以看出交流共模抑制比要比直流共模抑制比低許多。在上述的各參數(shù)中，在結(jié)構(gòu)上，不能完全

50、避免漏阻引線(xiàn)和電阻，所以還有待改進(jìn)，也不能有效的提高抑制能力。若減小輸入引線(xiàn)上電流的大小，使電流從引線(xiàn)電阻上旁路掉，這時(shí)抑制能力會(huì)得到顯著改善。目前采用的一種比較廣泛的保護(hù)技術(shù)是得到改進(jìn)后的浮地保護(hù)技術(shù)，如圖 4.4 所示=模擬地內(nèi)屏蔽機(jī)殼HLGIe2Icm1Icm2rn2UxUcmrcmZiRe1Re2Ce1Ce3 26 圖 4.4 雙層浮地保護(hù)技術(shù)原理圖這種方法是除了利用機(jī)殼作一層屏蔽外，還在機(jī)殼內(nèi)把整個(gè)輸入電路裝在一個(gè)屏蔽盒里面使其與主機(jī)殼形成完全絕緣，內(nèi)屏蔽盒與模擬地也是形成絕緣的。為了形成一個(gè)屏蔽保護(hù)端子 G，可以在內(nèi)屏蔽單獨(dú)的引出一根線(xiàn)。它和 H 端，L端一起組成三端子連接形式的儀

51、表。由圖 8.4 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)保護(hù)端 G 和漏阻或者電容的共模電流就不會(huì)2eR2eC2eI產(chǎn)生串模干擾進(jìn)入輸入電路了，在 L 端與內(nèi)屏蔽間的漏阻 和電容上沒(méi)2eI1eR1eC有壓降，在 L 端引線(xiàn)上也沒(méi)有壓降，雖然也產(chǎn)生一個(gè)流經(jīng)引線(xiàn)電阻的共模電2nr流，但要經(jīng)過(guò)、和、，這時(shí)因漏阻很高，就很小，因2cmI2cmI1eR1eC2eR2eC2cmI此，抑制效果十分顯著。通常內(nèi)屏蔽對(duì)地的漏電阻很高，寄生電容很小，這種主要是由電2eR2eC2eC源變壓器產(chǎn)生的，由于電源變壓器的原端有一端是通過(guò)電網(wǎng)接地的，也就是相連于機(jī)殼接地。為了減少的影響，可分別屏蔽變壓器初級(jí)和付級(jí)，初級(jí)屏蔽接2eC機(jī)殼，付級(jí)屏蔽接內(nèi)屏

52、蔽，在這種情況下很小，可以達(dá)到更高的抑制比，下2eC面來(lái)分析一下雙層浮地保護(hù)的抑制效果。由圖 8.4.可列出下列方程式： (4.7)2122)(ZIIRIUcmeGecm (4.8)(1222ZrIRIncmGe將式 8.2 代入式 8.1 得： (4.9)(212212ZRZrZZrIUGnncmcm共模電流在上引起的串模電壓為：2cmI2nr （4.10）222ncmcmrIU由此可得共模抑制比為： (4.11)2212lg20nGnrZRZrCMR當(dāng)與 Z 相比很小時(shí)可把上式寫(xiě)成:2nr (4.12)dbrZRZCMRnG221lg20由上式可以看出，要提高 DVM 的抗干擾能力，要盡量

53、去提高和的值，1Z2Z并同時(shí)減小和的值，用其測(cè)量電壓時(shí)，應(yīng)將 G 端接到共模源上，不能把它GR2nr和機(jī)殼相連，否則就失去了浮地屏蔽的作用。在信號(hào)源內(nèi)阻不是一個(gè)單獨(dú)電阻時(shí)，G 可以接到信號(hào)源的低端，這時(shí)使用時(shí)應(yīng)該予以注意。 27由于共模抑制受漏阻和寄生電容的影響，因而分為交流共模抑制和直流共模抑制兩種情況。根據(jù)以上分析看出屏蔽措施的優(yōu)劣決定了 CMR 值，而與數(shù)字電壓表采用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法無(wú)關(guān)。實(shí)際上，保護(hù)盒與機(jī)殼“地”之間絕緣不可能很完善，總的漏阻抗約為910到1110歐姆，總電容大約為 20PF 左右。目前，數(shù)字電壓表對(duì)地輸入的這種方法，在現(xiàn)實(shí)的電子測(cè)量中是不予采用的，而是經(jīng)常采用的是浮地

54、輸入技術(shù)和雙層屏蔽浮地輸入技術(shù)，這樣的結(jié)構(gòu)，共態(tài)抑制能力可達(dá) 120db。 28參考文獻(xiàn)1 沙占友新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20062 沙占友 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 3 康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)M北京：高等教育出版社，2000 4 任為民電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1997 5 謝自美電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試M武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000 6 沙占友新型數(shù)字萬(wàn)用表原理與維修M北京：人民郵電出版社，1994 7 沙占友特種集成電源最新應(yīng)用技術(shù)M北京：人民郵電出版社，2000 8 沙占友基準(zhǔn)電壓源的應(yīng)用J集成電路

55、應(yīng)用，1991(4). 9 沙占友. 單片 A/D 轉(zhuǎn)換器的發(fā)展及其應(yīng)用J電子技術(shù)應(yīng)用，1991(5).10趙茂泰智能儀器原理及其應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，2004 11梁宗善新型集成電路的應(yīng)用M武漢：華中理工大學(xué)出版社，199912閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社，200613 Lyshevski, Sergey Edward, Control Systems Theory with Engineering ApplicationsM, Boston: Birkhauser Boston, 2001: 6312814 Donald. A. Neamen. Electronic c

56、ircuit analysis and designM. Tsinghua University Press and Springer Verlag. 2002 29總結(jié)與展望曾經(jīng)有一名偉大的科學(xué)家說(shuō)過(guò):“沒(méi)有測(cè)量，便沒(méi)有科學(xué)。 ”這句話(huà)說(shuō)明了測(cè)量技術(shù)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是必不可少的，本論文所研究的對(duì)象便是屬于精密測(cè)量工具中的一種數(shù)字電壓表。本論文對(duì)數(shù)字電壓表的一些主要功能和特點(diǎn)進(jìn)行了論證與設(shè)計(jì)，最后的測(cè)量結(jié)果采用十進(jìn)制的三位半 LED 數(shù)碼管予以顯示。具有測(cè)量的值精確、顯示清晰等顯著特點(diǎn)，由于時(shí)間和本人科研能力的限制。此設(shè)計(jì)中還有些不足之處。因此還能對(duì)本設(shè)計(jì)中的數(shù)字電壓表拓展一些其他的功能。

57、如在數(shù)字電壓表中植入單片機(jī)芯片和一些大規(guī)模的集成電路，可使其具有可編程的能力，進(jìn)而使 DVM 還可以具有一些自動(dòng)化功能。如：自檢、自校和自動(dòng)調(diào)零。通過(guò)一個(gè)多月的研究，我對(duì)數(shù)字電壓表的功能特別是內(nèi)部構(gòu)件和工作原理有了一定的了解。但仍有許多地方?jīng)]有涉及到。相信國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)數(shù)字電壓表上述的一些功能展開(kāi)了研究。 30致 謝時(shí)光荏苒，白駒過(guò)隙，轉(zhuǎn)眼大學(xué)生活即將結(jié)束，回想剛?cè)胄５膱?chǎng)景彷佛還在昨日。大學(xué)的日子充滿(mǎn)了激情，讓人無(wú)不感喟青春無(wú)悔。偶爾想起就要遠(yuǎn)離這座承載了自己許多記憶的校園，心中頓時(shí)充滿(mǎn)了無(wú)限感傷。我想以后無(wú)論身處何地，生處何時(shí)，我都會(huì)謹(jǐn)記母校和恩師的教誨之情。歷時(shí)一個(gè)多月的時(shí)間論文也終于寫(xiě)完，

58、從剛開(kāi)始的茫然無(wú)知，不知道從哪里下手到懵懵懂懂再到了解研究項(xiàng)目的工作原理到最終完成論文，這個(gè)過(guò)程遇到了大大小小許多的困難，使我理解了要好好的認(rèn)真的完成一件事，實(shí)在不是一件容易的事，但得益于黃重慶老師的指導(dǎo)方法，我在做論文的過(guò)程中取得了事倍功半的效果。在此，要特別感謝黃老師不惜休息時(shí)間為我的論文進(jìn)行指導(dǎo)，之后又親自審閱論文中的漏洞并進(jìn)行修改工作，黃老師實(shí)為授業(yè)恩師。在此期間，黃老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)度和對(duì)學(xué)生母愛(ài)般的關(guān)懷也使我如沐春風(fēng)。讓我學(xué)到了許多做人的道理。除此之外，還要一并感謝朋友和同學(xué)對(duì)我論文提出的寶貴意見(jiàn)，其中包括軟件的使用，論文格式的修改。最后，特別地，我要感謝我的父母，謝謝他們一如既往對(duì)我支持，使我順利的完成了大學(xué)學(xué)業(yè)。