双积分式直流数字电压表

By SCU Team

任务

全国大学生电子设计竞赛模拟题
在不采用专用A/D转换器芯片的前提下，设计并制作积分型直流数字电压表。

要求

1.基本要求;

(1)测量范围: 10mV~2V
(2)量程: 200mV，2V
(3)显示范围:十进制数0~ 1999
(4)测量分辨率: 1mV (2V档)
(5)测量误差:≤士0.5%士5个字
(6)采样速率:≥2次/秒(7)输入电阻:≥1MQ
(8)具有抑制工频干扰功能
(9)用液晶屏将所有信息显示和设置。

2.发挥部分

(1)测量范围: 1mV~2V
(2)量程: 200mV， 2V
(3)显示范围:十进制数0~ 19999

方案论证与比较

方案一：积分式直流电压测量电路

如图1所示，当电容器上的电压Uc比待检测的信号电压Vin低时，从比较器的输出端就可以检测到高电平；当电容器上的电压Uc比待检测的信号电压高时，从比较器的输出端就可以检测到低电平，也就是在比较器输出端出现下降沿的瞬间Vin和Uc正好相等，即:

该方案对电阻和电容器的精确度、稳定性以及单片机的时钟要求比较高，Vcc的变化对充电时间t的影响非常大，在测量小信号和大信号时，精度会下降。被测电压的值与时间是非线形的，计算处理较为困难。

方案二：双积分直流电压测量电路

测量步骤

先将被测电压加到积分电路上，对电容充电一段固定时间（定时积分），然后使电容对基准电源放电（反向积分），当电容上的电荷放完，比较器翻转，给单片机中断信号，从而检测充电和放电时间。运放采用集成块OPA134，具有超低失真，低噪声等特点。通过充电时间和放电时间，可以计算出被测电压。公式：

结合上述公式，可得

所示为双积分电路核心电路，OPA134作为积分运算器，LM339作为比较器。所有开关均采用CD4066模拟开关，通过单片机控制。综合以上几种方案，我们选择方案二。

系统硬件电路设计

基准电压Vref产生电路

如图3所示，通过对VEE进行滤波，用电位器进行分压产生负压，之后通过电压跟随器，提高带负载能力，稳定基准电压。

信号调理电路

用于调节不同量程档位。
如图4所示，该信号调理电路采用仪表放大器芯片PGA202，该芯片可利用单片机控制1，2管脚达到对输入信号放大1，10，100，1000倍，且放大倍数稳定可靠。本电路将7管脚接地，8管脚输入待测信号，单片机判断信号后进行相应放大处理。

模拟电子开关的设计

由于两次积分的切换不能直接用手动控制，并且每次测量都需要对积分电容进行放电处理，为实现短延时，自动化处理，我们采用了CD4066芯片，内置4个模拟开关，其引脚如图5所示。本电路将A开关控制待测电压接入，B开关为校零调整开关，C开关控制基准电压接入，D开关控制积分电容放电。单片机通过控制4个control端实现相应开关的打开闭合。

分压电路设计

由于积分信号经过LM339比较器后输出正负电压过大，无法直接输入单片机，本电路采用如下简单分压电路，将LM339输出的电压控制在0V～VCC/2之间，之后输入单片机进行检测。分压电路如图7所示。

总仿真图

软件控制内容：

软件自动控制是基于嵌入式stm32F429IGT6型ARM处理器作为核心板，使用cubeMX软件快速初始化程序。利用2个定时器中断捕捉比较器的上升沿和下降沿，准确测量出两次电路积分的过程时间，并通过检测时间，通过(time2-time0)*Voltage0/time1公式换算出电压值，自动判断出其量程，反馈到程控放大器调整其放大倍数，测量时进行自动调零。通过I2C通信协议将各种指标参数显示在OLED屏上。

程序逻辑参考

TG1:自动校零（接地）
TG2:积分电容的放电
TG3：选择被测电压
TG4:选择基准电压
预先设置计数比较值n0,n1,基准电压E0,系统时钟周期T0;

电路部分程序逻辑设计建议：

t0~t1整备阶段：TG2闭合，整个积分电路输出为零，计数器清零，默认量程200mV-2V（不进行放大），建议设置延时20-30ms,以待电路稳定；

t0~t1重整备阶段：TG2闭合，整个积分电路输出为零，计数器清零，建议设置延时20-30ms,以待电路稳定；

t0~t1校零阶段：TG2闭合，TG1闭合，整个积分电路输出为零，计数器清零，控制仪表放大器100倍放大，建议设置延时50-60ms,以待电路稳定；

t1~t2采样阶段：TG3闭合，计数器开始计数，建议采样时间T1为60ms 或100ms，计数值N1为T1/T0;

t2~t3比较阶段：计数器计满N1产生中断，TG4闭合，进行基准电压反向积分，重新计数，等待电压比较器下降沿信号，获得计数值N2：
N2>n1 ,电压200mV~2V, 直接执行输出阶段;
(N2 > n0)&&(N2 < n1),电压20mV~200mV,控制仪表放大器10倍放大，重新回到重整备阶段；
N2 < n0,电压1~20mV,控制仪表放大器100倍放大，一旦N2已大于n1，可不等待下降沿信号，立即回到重整备阶段，以节约时间；

t4输出阶段：输出(N2-N0)*E0/N1，每30s执行一次校零阶段，否则直接回到整备阶段；

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