直流电压表的设计

一、实验目的                                                                                                         

1. 理解双积分A/D转换器7109及数字电压表的工作原理。
2. 掌握直流电压表的界面设计和软件设计。
3．测量数据的误差分析。

二、实验任务和内容

1. 设计一个直流电压表，设计要求为
（1）测量量程分为200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V；
（2）测量分辩率为12bit；
（3）测量对象可选择为可调电位器的输出或外部电压
2. 设计完成后，用电压表不同量程进行测量，求相对误差。

三、实验器材

1. 计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力)   １台
2. SJ-8002B电子测量实验箱                          １台
3. Q9连接线                                        １根
4. 4 1/2数字万用表                                 １台

四、实验原理

1、直流电压表原理

   直流电压表的测量原理是，被测模拟直流电压经输入放大后，经A/D转换器为数字量，通过计算机的EPP接口传到计算机进行数据处理，将测量结果显示在计算机屏幕上。本实验使用“SJ8002B电子测量实验箱”的双积分A/D转换器7109完成直流电压的数字化转换，采样 PC机的虚拟仪器软件平台（LabVIEW）完成界面设计和软件设计，实现直流电压的数字化测量。测量原理如图1所示

                                     图1    直流电压测量原理框图

4.2    A/D7109的接口工作原理

   本实验双积分A/D转换器ICL7109实验电路图。

                      图2       双积分式A/D转换器7109测量电压原理图

   ICL 7109 是双积分式12 位A/D转换器，转换时间由外部时钟周期决定，为10140/58个时钟周期。其主要引脚定义如下：
   ① B1～B12：12bit的数据输出端
   ②OR：溢出判别，输出高电平表示过量程；反之，数据有效。
   ③POL：极性判别，输出高电平表示测量值为正值；反之，负值。
   ④MODE：方式选择， 当输入低电平信号时，转换器处于直接输出工作方式。此时可在片选和字节使能的控制下直接读取数据；当输入高电平时，转换器将在信号信号握手方式的每一转换周期的结尾输出数据（本实验选用直接输出工作方式）。
   ⑤REF：外部参考电压输入（本实验用其典型值：2.048V）。
   ⑥INL,INH:输入电压端口（有效范围是参考电压的2倍）。
   ⑦OO,OI:外部时钟输入（本实验用其典型值：3.579MHz）。
   ⑧RUN/HOLD_：运行/保持输入, 当输入高电平时,每经8192时钟脉冲完成一次转换；当输入低电平时，完成正在进行的转换，并停在自动调零阶段
   ⑨STATUS：状态输出，输出高电平，表明芯片处于积分和反向积分阶段；输出为低电平，表明反向积分结束，数据被锁存，模拟部分处于自动返回零态阶段。
   ⑩CE/LOAD_：片选，当其为低电平时，数据正常输出；当其为高电平时，所有数据输出端（B1～B12、POL、OR）均处于高阻状态。
   ⑾LBEN_：低字节使能，输入低电平时，数据线输出低位字节B1～B8。
   ⑿HBEN_：高字节使能，输入低电平时，数据线输出高位字节B9～B12及POL、OR的状态值。

A/D7109转换时序：ICL7109直接接口方式的定时图如图3所示。

                                   图3   7109转换时序

7109的Ａ/Ｄ转换关系为：
                (1)
式中， —— A/D转换器输入电压；
     —— A/D转换结果的12bit数字量；
    —— A/D转换器外部参考输入电压，调节为=2.048V；
由式（1）可知，若=2.048V ，则即为以mv单位表示了，即
   

4.3 输入通道电路

    外部待测直流电压信号从实验箱的DCin的Q9接线端输入如图3。另外，实验箱上提供了通过电位器调节的-4.096V－+4.096V的直流电压。由于实验中双积分式A/D转换器7109的输入电压范围为：-4.096V－+4.096V，为了较好的适应A/D转换器的输入范围，不同大小的待测模拟电压信号需经过不同的增益进行信号放大。增益的选择由计算机发出信号控制模拟开关选择。

                                                                                 

                                          图4   实验连接图

4.4 实验原理图

实验箱提供直流电压测量电路原理图如图4所示

                                  图5   直流电压测量电路原理图

五、设计指导    在实验设计之前应认真思考设计任务要求，仔细阅读实验原理。

5.1功能与前面板设计

虚拟直流数字电压表主要完成对电位器或外部直流电压的测量与显示。因此，在虚拟仪器界面上需有测量对象的选择功能。为了适应不同大小的待测模拟电压信号，还应有测量量程选择功能，量程设置10档： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V（对应增益：×100 、× 50、× 20、×10、×5、×2、×1、×0.5），量程缺省值设为8V。界面上设置有超量程指示灯，当测量溢出时，超量程指示灯点亮。测量结果同时进行表盘和数字显示，并通过实验箱上的七段LED显示出来。此外，界面上还需设置测量的启动和退出测量功能。
图5为前面板设计的参考。

                        图6   虚拟直流数字电压表面板
   前面板控件说明如表1：
                                      表1 前面板控件

5.2程序设计指导

    SJ8002B电子测量实验箱通过EPP接口和计算机主机相连，通过EPP接口操作实验箱的双积分A/D转换器7109的操作步骤依次是，EPP接口的初始化、EPP接口的读数检查、 启动A/D7109转换、读取转换数据、数据的显示处理。本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序设计时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接库（即cvidll.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。
   1．程序流程图

整个程序采取顺序结构，整个设计思路流程图如下：

                              图7    直流电压表程序流程图