直流電壓表的設(shè)計(jì)

直流電壓表的設(shè)計(jì)

?一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

1. 理解雙積分A/D轉(zhuǎn)換器7109及數(shù)字電壓表的工作原理。
2. 掌握直流電壓表的界面設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
3．測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差分析。

二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和內(nèi)容

1. 設(shè)計(jì)一個(gè)直流電壓表，設(shè)計(jì)要求為
（1）測(cè)量量程分為200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V；
（2）測(cè)量分辯率為12bit；
（3）測(cè)量對(duì)象可選擇為可調(diào)電位器的輸出或外部電壓
2. 設(shè)計(jì)完成后，用電壓表不同量程進(jìn)行測(cè)量，求相對(duì)誤差。

三、實(shí)驗(yàn)器材

1. 計(jì)算機(jī)(具有運(yùn)行windows2000和圖形化控件的能力)?? １臺(tái)
2. SJ-8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱 ???????????????????????? １臺(tái)
3. Q9連接線??????????????????????????????????????? １根
4. 4 1/2數(shù)字萬(wàn)用表 ??????????????????????????????? １臺(tái)

四、實(shí)驗(yàn)原理

1、直流電壓表原理

?? 直流電壓表的測(cè)量原理是，被測(cè)模擬直流電壓經(jīng)輸入放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器為數(shù)字量，通過(guò)計(jì)算機(jī)的EPP接口傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將測(cè)量結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。本實(shí)驗(yàn)使用“SJ8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱”的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器7109完成直流電壓的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，采樣 PC機(jī)的虛擬儀器軟件平臺(tái)（LabVIEW）完成界面設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)直流電壓的數(shù)字化測(cè)量。測(cè)量原理如圖1所示

???????????????????????????????????? 圖1??? 直流電壓測(cè)量原理框圖

4.2??? A/D7109的接口工作原理

?? 本實(shí)驗(yàn)雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109實(shí)驗(yàn)電路圖。

????????????????????? 圖2 ????? 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器7109測(cè)量電壓原理圖

?? ICL 7109 是雙積分式12 位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間由外部時(shí)鐘周期決定，為10140/58個(gè)時(shí)鐘周期。其主要引腳定義如下：
?? ① B1～B12：12bit的數(shù)據(jù)輸出端
?? ②OR：溢出判別，輸出高電平表示過(guò)量程；反之，數(shù)據(jù)有效。
?? ③POL：極性判別，輸出高電平表示測(cè)量值為正值；反之，負(fù)值。
?? ④MODE：方式選擇， 當(dāng)輸入低電平信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于直接輸出工作方式。此時(shí)可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)輸入高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器將在信號(hào)信號(hào)握手方式的每一轉(zhuǎn)換周期的結(jié)尾輸出數(shù)據(jù)（本實(shí)驗(yàn)選用直接輸出工作方式）。
?? ⑤REF：外部參考電壓輸入（本實(shí)驗(yàn)用其典型值：2.048V）。
?? ⑥INL,INH:輸入電壓端口（有效范圍是參考電壓的2倍）。
?? ⑦OO,OI:外部時(shí)鐘輸入（本實(shí)驗(yàn)用其典型值：3.579MHz）。
?? ⑧RUN/HOLD_：運(yùn)行/保持輸入, 當(dāng)輸入高電平時(shí),每經(jīng)8192時(shí)鐘脈沖完成一次轉(zhuǎn)換；當(dāng)輸入低電平時(shí)，完成正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，并停在自動(dòng)調(diào)零階段
?? ⑨STATUS：狀態(tài)輸出，輸出高電平，表明芯片處于積分和反向積分階段；輸出為低電平，表明反向積分結(jié)束，數(shù)據(jù)被鎖存，模擬部分處于自動(dòng)返回零態(tài)階段。
?? ⑩CE/LOAD_：片選，當(dāng)其為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)正常輸出；當(dāng)其為高電平時(shí)，所有數(shù)據(jù)輸出端（B1～B12、POL、OR）均處于高阻狀態(tài)。
?? ⑾LBEN_：低字節(jié)使能，輸入低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線輸出低位字節(jié)B1～B8。
?? ⑿HBEN_：高字節(jié)使能，輸入低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線輸出高位字節(jié)B9～B12及POL、OR的狀態(tài)值。

? A/D7109轉(zhuǎn)換時(shí)序：ICL7109直接接口方式的定時(shí)圖如圖3所示。

?????????????????????????????????? 圖3?? 7109轉(zhuǎn)換時(shí)序

7109的Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
??????????????? (1)
式中， —— A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓；
???? —— A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的12bit數(shù)字量；
??? —— A/D轉(zhuǎn)換器外部參考輸入電壓，調(diào)節(jié)為=2.048V；
由式（1）可知，若=2.048V ，則即為以mv單位表示了，即
???

4.3 輸入通道電路

??? 外部待測(cè)直流電壓信號(hào)從實(shí)驗(yàn)箱的DCin的Q9接線端輸入如圖3。另外，實(shí)驗(yàn)箱上提供了通過(guò)電位器調(diào)節(jié)的-4.096V－+4.096V的直流電壓。由于實(shí)驗(yàn)中雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器7109的輸入電壓范圍為：-4.096V－+4.096V，為了較好的適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，不同大小的待測(cè)模擬電壓信號(hào)需經(jīng)過(guò)不同的增益進(jìn)行信號(hào)放大。增益的選擇由計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)控制模擬開(kāi)關(guān)選擇。

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????????????????????????????????????????? 圖4?? 實(shí)驗(yàn)連接圖

4.4? 實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)箱提供直流電壓測(cè)量電路原理圖如圖4所示

????????????????????????????????? 圖5?? 直流電壓測(cè)量電路原理圖

五、設(shè)計(jì)指導(dǎo)??? 在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之前應(yīng)認(rèn)真思考設(shè)計(jì)任務(wù)要求，仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)原理。

5.1功能與前面板設(shè)計(jì)

? ? 虛擬直流數(shù)字電壓表主要完成對(duì)電位器或外部直流電壓的測(cè)量與顯示。因此，在虛擬儀器界面上需有測(cè)量對(duì)象的選擇功能。為了適應(yīng)不同大小的待測(cè)模擬電壓信號(hào)，還應(yīng)有測(cè)量量程選擇功能，量程設(shè)置10檔： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V（對(duì)應(yīng)增益：×100 、× 50、× 20、×10、×5、×2、×1、×0.5），量程缺省值設(shè)為8V。界面上設(shè)置有超量程指示燈，當(dāng)測(cè)量溢出時(shí)，超量程指示燈點(diǎn)亮。測(cè)量結(jié)果同時(shí)進(jìn)行表盤(pán)和數(shù)字顯示，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱上的七段LED顯示出來(lái)。此外，界面上還需設(shè)置測(cè)量的啟動(dòng)和退出測(cè)量功能。
圖5為前面板設(shè)計(jì)的參考。

??????????????????????? 圖6?? 虛擬直流數(shù)字電壓表面板
?? 前面板控件說(shuō)明如表1：
??? ??????? ??????????? ??????? ????? 表1 前面板控件

5.2程序設(shè)計(jì)指導(dǎo)

??? SJ8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱通過(guò)EPP接口和計(jì)算機(jī)主機(jī)相連，通過(guò)EPP接口操作實(shí)驗(yàn)箱的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器7109的操作步驟依次是，EPP接口的初始化、EPP接口的讀數(shù)檢查、 啟動(dòng)A/D7109轉(zhuǎn)換、讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的顯示處理。本程序設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實(shí)現(xiàn)），在程序設(shè)計(jì)時(shí)可直接調(diào)用實(shí)驗(yàn)箱提供的驅(qū)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（即cvidll.dll函數(shù)），驅(qū)動(dòng)函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。
?? 1．程序流程圖

整個(gè)程序采取順序結(jié)構(gòu)，整個(gè)設(shè)計(jì)思路流程圖如下：
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????????????????????????????? 圖7 ?? 直流電壓表程序流程圖

?? 2．動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)調(diào)用
?? 實(shí)現(xiàn)直流電壓測(cè)量的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如表2所示：

表2直流電壓測(cè)量的驅(qū)動(dòng)函數(shù)

?? 在直流電壓驅(qū)動(dòng)函數(shù)中，調(diào)用參數(shù)gain_cw（量程控制字，用10進(jìn)制數(shù)表示）與程序設(shè)計(jì)的量程檔和運(yùn)放的實(shí)際增益有如表3所示的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于7109的輸入電壓為4V，故每檔量程對(duì)應(yīng)的增益與量程之乘積應(yīng)為4V。
?????????????????? ????????????? ?????? 表3?? 量程選擇控制字的設(shè)置

測(cè)試對(duì)象控制字由測(cè)試對(duì)象選擇開(kāi)關(guān)決定，由于測(cè)試對(duì)象只有兩種（電位器輸出電壓和實(shí)驗(yàn)箱外部輸入電壓），故將選擇開(kāi)關(guān)設(shè)置為布爾量，由一個(gè)程序選擇結(jié)構(gòu)根據(jù)開(kāi)關(guān)的值來(lái)決定測(cè)試對(duì)象控制字的值，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示
????????????????????????? 表4???? 測(cè)試對(duì)象選擇開(kāi)關(guān)與測(cè)試對(duì)象控制字和測(cè)試對(duì)象對(duì)應(yīng)關(guān)系

動(dòng)態(tài)鏈接調(diào)用舉例：以調(diào)用int ?led_display(double display_data)為例
在block panel中點(diǎn)擊右鍵：All functions>Advanced>Call library function node.
? ???????????????????????????????????? 圖8 動(dòng)態(tài)鏈接調(diào)用界面

雙擊圖圖標(biāo)，將出現(xiàn)如圖9所示

?

?

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????????????????? ????????? 圖9 動(dòng)態(tài)鏈接調(diào)用

此時(shí)可根據(jù)調(diào)用函數(shù)的路徑，參數(shù)及名稱(chēng)進(jìn)行設(shè)置進(jìn)行得到圖10

??????????????????????????????????????? 圖10 動(dòng)態(tài)鏈接設(shè)置

這樣就完成了動(dòng)態(tài)鏈接的調(diào)用及設(shè)置。

? 3．框圖程序設(shè)計(jì)
? （1）整個(gè)程序要求由 “退出”按扭來(lái)控制程序的運(yùn)行與否，因此主框架可以設(shè)計(jì)為structure中的while循環(huán)。由“測(cè)量”控制測(cè)量與否。
? （2）由于Labview特性是順序流程，因此，循環(huán)內(nèi)部可以設(shè)計(jì)為順序結(jié)構(gòu)。即使用structure中的flat sequence case。整個(gè)設(shè)計(jì)流程分為EPP初始化：調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接實(shí)現(xiàn)，函數(shù)無(wú)返回值，啟動(dòng)7109：調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接實(shí)現(xiàn)，函數(shù)無(wú)返回值，EPP讀數(shù)檢查：由函數(shù)返回值判斷EPP讀數(shù)是否成功，當(dāng)EPP讀數(shù)成功時(shí)進(jìn)入下一步否則將“測(cè)量”鍵彈起，停止程序。
? （3） 運(yùn)行7109：用case結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)量程和測(cè)量對(duì)象的選擇，作為動(dòng)態(tài)鏈接函數(shù)run_7109的輸入，然后把run_7109的輸出分別接到表盤(pán)和數(shù)字顯示，并作為led_display的輸入，進(jìn)行l(wèi)ed顯示。根據(jù)7109的返回值判斷，當(dāng)其等于2或者3時(shí)，表示超量程，則點(diǎn)亮超量程指示燈。
?? 根據(jù)采集數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，顯示在相應(yīng)的顯示窗口。根據(jù)被測(cè)信號(hào)數(shù)值，可驗(yàn)證雙積分式AD原理和直流電壓測(cè)量的關(guān)系。
? 六、調(diào)試和測(cè)試結(jié)果

? 直流電壓表設(shè)計(jì)完成后，可使用直流電壓表完成直流電壓的測(cè)試，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確。測(cè)試對(duì)象可選為“待測(cè)電壓”和“電位器(電壓)”。當(dāng)選擇電位器(電壓)時(shí)，即測(cè)量虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左下腳電位器的電壓,可用萬(wàn)用表在實(shí)驗(yàn)箱的“TEST”點(diǎn)監(jiān)測(cè)。當(dāng)選擇待測(cè)電壓時(shí)，即可測(cè)量外加直流電壓（由于虛擬直流電壓表的最大量程為±8V，因此建議使用的直流電壓小于±8V）。
?? 1、調(diào)節(jié)電位器輸出不同大小的直流電壓信號(hào)，用虛擬數(shù)字直流電壓表對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，量程選擇為4V檔。同時(shí)使用萬(wàn)用表測(cè)試輸入電壓，作為電壓標(biāo)準(zhǔn)值，記錄測(cè)量值，并填入表5中，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較和分析，求出絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。

表5

? ? 2、調(diào)節(jié)電位器輸出一個(gè)固定大小的直流電壓信號(hào)，用萬(wàn)用表測(cè)試作為標(biāo)準(zhǔn)值，用虛擬數(shù)字直流電壓表的不同量程檔進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果填入表6內(nèi)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較和分析，求出絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。
????? ???? ?? ??? ??? ??? ??? ?? ??? ???? ??? ??? ??? 表6

?? 七、思考和練習(xí)

?? 7109的輸入?yún)⒖茧妷簩?duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有何影響？如A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏大，應(yīng)如何調(diào)節(jié)參考電壓？