辛培德开题报告

一．课题题目和课题研究现状

题目：三位半数字直流电压表

在电气测量中，电压是一个很重要的参数。如何准确地测量模拟信号的电压值，一直是电子测量仪器研究的内容之一。目前，市场上主要使用的电压表有指针式电压表和数字式电压表两种。

数字电压表作为电压表的一个分支，在近五十年间得到巨大发展，构成数字电压表的核心器件已从早期的中小规模电路跨入到大规模ASIC(专用集成电路)阶段。数字电压表涉及的范围也从传统的测量扩展至自动控制、传感、通信等领域，展示了广阔的应用前景。传统电压表的设计思路主要分为：用电流计和电阻构成的电压表；用中小规模集成电路构成的电压表；用大规模ASIC(专用集成电路)构成的电压表。这几中电压表设计方式各有优势和缺点，分别适用于几种特定的应用环境，同时，也为很多新颖的电压表的设计所借鉴和依据。 近入21世纪，随着信息技术一日千里的发展，电压表也必经历从单一测量向数据处理、自动控制等多功能过度的这一历程，特别是计算机技术的发展必将出现智能化技术。因此，把电压表和计算机技术相结合的智能化电压表就将成为21世纪的新课题。目前，数字化仪器与微处理器取得令人瞩目的进展，就其技术背景而言，一个内藏微处理器的仪表意味着计算机技术向仪器仪表的移植，它所具有的软件功能使仪器 呈现出有某种延伸，强化的作用。这相对于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破，其发展潜力十分巨大，这已为70年代以来仪表发展的历史所证实。概括起来，具有微处理器的仪表具有以下特点：测量过程的软件控制对测量数据进行存储及运算的数据处理功能是仪表最突出的特点；在仪器的测量过程中综合了软件控制及数据处理功能，使一机多用或仪器的多功能化易于实现，成为这类仪器的又一特点；以其软件为主体的智能仪器不仅在使用方便、功能多样化等方面呈现很大的灵活性。

由于传统的指针式电压表功能单一且精度低，不能满足数字化时代的需求。因此，采用单片机的数字电压表由于精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，还可与PC通信等优点已经成为电子测量应用的主要产品。同时，由于数字电压表扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新的水平。

二．选题的目的和意义

数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：温度计，湿度计，酸度计，重量，厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量，工业测量，自动化仪表等各个领域。除此之外，数字电压还有着传统指针电压表无可比拟的优点：读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，转入阻抗高，功耗小、抗干扰强，避免了读数的视觉差和视觉疲劳等。[3]。因此 对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。但是传统的数字电压表设计通常以大规模ASIC(专用集成电路)为核心器件，并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成，可是这种设计方法灵活性差，系统功能固定，难以更新扩展，不能满足日益发展的电子工业要求[6]。而应用微处理器（单片机）为核心单元的数字电压表，其灵活性高、系统功能扩展简单，性能稳定可靠。在这些背景下，设计一种以单片机为基础、结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表是很有意义的。

十几年来智能仪器虽然有了很大的发展，但总的看来，人们还是较习惯于从硬件的角度

做工作，这是由于设计者的（硬件）技术背景，LSI器件不断迅速更新的冲击以及在现阶段仪器硬件更新的数量还很大等因素所造成的。这种趋势虽然仍会继续下去，但从智能仪表的内涵，从软件的角度上看，软件的作用还远未发挥出来，这里有许多的领域等待着去开发。智能仪表最终必然会与人工智能联系起来开创出全新的仪器。从这个观点看，目前的智能仪器尚处于“幼年时期”。所以，就仪表的发展看来电压表会朝着具有微控制处理单元的智能仪表方向发展。

四位半以上的数字电压表主要用于科研，而三位半数字电压表广泛应用于教学，实验，设备维修等领域。故选择设计精度为三位半的数字电压表。教学中由于学生使用仪表不熟练，容易选错量程或忘记选择量程，造成仪表损坏，本设计带有自动切换量程的功能，能够有效避免这种情况发生。

本课题理论上是为了探究和掌握数字电压表的工作原理（包括硬件结构和软件设计），提高在实践中应用数模转换器及微控制器 的能力，并利用所学知识设计如何测量信号，并将其显示出来的方法，数字电压表原理是其他复杂测控显示仪器设计的基础，通过本课题的设计能够很好的为熟悉并掌握测控数字仪器的工作原理、研究设计方法作了一个很好的铺垫。

三．课题基本内容

1.了解数字电压表的基本概念和原理，熟悉不同量程方法之间的差别和其实现方法。 2.熟悉数字电压表的体系结构、实现方法及其原理。 3.掌握数字电压表的各主要性能指标。

四．研究方案及预期达到的目标

研究方案：

单片机和CPLD器件均可作为数字电压表的核心控制器件。CPLD器件具有响应速度快，并发处理能力强等优点。单片机与CPLD器件相比，响应速度较慢，但能够进行复杂运算，易于对测量数据进行处理。故本设计选择单片机作为控制核心。

本设计采用at89c51单片机作为控制核心，adc0808作为AD转换器件，利用运算放大器op07和模拟电子开关cd4052实现程控放大器，从而实现自动量程切换。

图 1 结构框图

图 2 程序流程图

达到目标；

1.自动换挡范围：0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V。 2.精度±0.5%。

五．为完成课题已具备和所需条件。

1.keil软件。

2.at89c51单片机，七段数码管，adc0808等器件。 3.三位半数字电压表（精度±0.5%）。 4.稳压电源。

5.万能板，电烙铁等工具。 6.protues仿真软件。

六．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决措施。

1.放大器误差大。

措施：运算放大器可采用双电源供电，恒值误差可由程序修正。 2.AD采样误差大。

措施：用专用器件产生基准电压，提高抗干扰能力

七．进度安排：

第5周—第6周 查阅资料，确定设计课题，并完成开题报告

第7周—第11周 加强单片机及C语言的学习，完成系统原理图及程序设计基本完成 第12周—第15周 完成实物制作及调试，并完成毕业论文 第16周 完善毕业论文

八．参考文献

[1] 刘振忠.数字电压表发展概况和原理.电讯工程.1998，1

[2] 胡学海.单片机原理及应用系统设计.电子工业出版社，2005，2-7 [3] 沙占友.新型数字电压表原理与应用.机械工业出版社.2006，1-6 [4] 柳金龙.浅谈数字电压表的特点.中国计量.2004，8：43-44

[5] 黄亮.基于AT89C51单片机的数字电压表的设计.实用电子制作.2006，10：25-27 [6] Grinev.V.G，Grineva.L.V . Amplitude digital voltmeter. Instruments and

Experimental Techniques，1975，114-117

[7] 王守华,李智.基于PC的数字电压表设计.今日电子.2006，8：81 [8] 何循来.高性能八位单片机AT89C51.半导体技术.1997，8（4）：61-63 [9] 宋凤娟,李国忠等.基于89C51单片机的数字电压表设计.2007，29（2）：89-93 [10] ADC0808/ADC0809 8-Bit up Compatible A/D Cnverters With 8-Channel

Multiplexer. National Semiconductor.

[11] 江晓安等.数字电子技术.西安电子科技大学出版社，1993，189-204 [12] 余永权.ATMEL89系列单片机应用技术.北京航天航空大学出版社，2000 [13] ATMEL Corporation.Microcontroller Data Book.Oct 1995

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