关于数字电压表的设计分析

摘要：由于传统的数字电压表成本相对较高、且技术较低端，在维护方面也存在不便，因此，为了符合现代测量仪器系统的发展趋势，本文在对数字电压表原理进行分析的基础上，对数字电压表的设计作简要探讨，该数字电压表以单片机为控制核心，采用TLC7135进行A/D转换，并通过LED显示转换结果。

关键词：数字，电压表，设计

Abstract: because the traditional digital voltage meter costs are relatively high, and the lower end of the maintenance technology, also has not, therefore, in order to meet the development trend of modern measurement instrument system, based on the analysis of digital voltage meter principle, are discussed in the design of digital voltage meter, the digital voltage meter to single chip microcomputer as control core, using TLC7135 for A/D conversion, and display the conversion results by LED.

Keywords: digital, voltage meter, design

中图分类号： S611文献标识码：A文章编号：

一、引言

上世纪五十年代，数字电压表开始出现，到了六十年代研制

出了电压测量仪表（DVM），它结合了数字化测量技术，将连续的模拟量转变为断续的数字量，然后再进行数字处理通过显示器加以显示。现阶段，数字电压表已经逐步取代了过去的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能缺乏，测量精度很低，并且在读数时也极为不变，很容易出现错误。而运用单片机作为核心控制芯片、以TLC7135作为A/D转换芯片所设计的数字电压表相对来说提高了测量精度，加快了运行速度，并且在读数时也非常方便。不仅如此，它较传统电压表来说，提高了抗干扰能力与可扩展性强。逐渐应用于电子及电工的测量、工业自动化仪表以及自动测试系统等智能化测量领域。因此，研究基于单片机控制的数字电压表具有非常重要的意义。

二、数字电压表的组成原理

数字电压表是利用模数（A/D）转换原理，将被测电压（模拟量）转换为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种电子测量仪器。一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器、控制逻辑电路、显示器以及电源电路等几部分组成。输入电路和A/D转换器统称为模拟电路部分，而显示器和控制逻辑电路统称为数字电路部分。因此，一台数字电压表除供电电源外，主要由数字和模拟两部分构成。A/D转换器是数字电压表的核心，实现被测电压转换成与其成比例的数字量。由于电压是一个最基本的电量，并且其他许多物理量都能方便地转换成电压，因此，电压—数字转换器是一种最基本、最常用的A/D转换方式。由于电压—数字转换的原理和方案有很多种，相应地也具有各种不同类型的数字电压表。

三、TLC7135简介

一个设计的成败核心问题就是主要器件的选用问题。前面已经提到的A/D转换器是数字电压表的核心，因此，A/D转换器的选用非常重要。TLC7135是高精度4位CMOS双积分型A/D转换器，提供±20000（相当于14位A/D）转换精度（±1）的计数分辨率。

拥有双极性相对较高的高阻抗差动输入、自动进行调零、量程检测及输出为动态扫描的BCD码等功能。

TLC7135相对电路提供6个控制信号，所以，除了具有数字电压表的功能外，还可以和微处理器、非同步接收/发送器以及其它控制电路进行连接使用。

位选扫描信号UNDERRANGE（欠量程时）自动调零＋零积分（放电）10001个脉冲信号积分10000个脉冲OVE（超量程时）BUSY（状态信号）完整测量40002个时钟周期1000 COU-NTST2T1D5D4D3D2D1。TLC7135一 次A/D转换周期分为4个阶段：自动调零（AZ）、信号积分（INT）、基准电压反向积分（DE）和积分回零（ZI）。

四、系统整体设计

仪表以单片机为控制核心，采用TLC7135进行A/D转换，并通过LED显示转换结果。系统设计如下图所示。

输入信号通过模拟开关通路来选择合适的量程转换，然后将输入信号输入到A/D转换电路中去，通过A/D输出由模拟量转换成数字量，最后通过单片机编程实现从数字量编码转换到七段译码，最后送到数码管显示输出测量结果。

单片机选择的是MCS-51系列。51系列是一种很经典的单片机，具有较高的时钟频率和较大的存储空间，并且还能采用嵌入式操作系统。这些都极大地提高了它的性能，扩大应用范围。

TLC7135与单片机系统连接如下图所示，如果采用TLC7135的并行采集方式，那么既要与BCD码数据输出线进行连接，还要连接BCD码数据的位驱动信号，应该有9根I/O串口线。所以，该系统在电路连接上较复杂，并且软件编程也不简单。采用TLC7135串行方法则是经过计录数字脉冲的方式，进行得到测量数据转换后的数据结果。

由时序分析图可以得到，在De-Integrate相位期间，数字脉冲数与模数转换的结果满足对应关系。可以通过单片机的定时器T0或定时器T1计录数字脉冲的个数。由于定时器Ｔ０的时钟频率是该系统晶体振动固有频率的一半，所以，可以把单片机的ALE信号端子看作TLC7135数字脉冲的输入。在进行系统软件设计编程过程中，如果单片机的指令中没有MOVX指令，ALE端子产生的脉冲频率为固有晶体振动频率的1/6。最后，便可找到定时器所使用的频率与单片机系统晶振频率的关系，以及TLC7135所需的频率输入与单片机系统晶振频率的关系。

如果使定时器T0所记录的数字脉冲与TLC7135工作所需的脉冲个数完全相同，就可以把TLC7135的信号连接到单片机AT89S52的P3.2(INT0)引脚上，并且把单片机定时器T0对应的选通控制信号GATE位置1，该时刻定时器T0工作状态将由BUSY信号来决定。通过时序逻辑图可以得到，当TLC7135开始工作，也就是在积分波形对 应 的Singal-Integrate相位开始工作时，TLC7135的BUSY信号处于高电平状态时，定时器T0才开始工作，并且定时器T0的TH0、TL0所记录的数据与TLC7135的测量脉冲（从积分波形Singal-Integrate相位开始工作到De-Integrate相位结束这一区间内的脉冲称为测量脉冲）满足某种比例关系。其系统连接如下图所示。

其中，Fosc为单片机系统固有的晶体振动频率；Ftime为定时器所用频率；Fale为单片机ALE的输出频率；Ficl为TLC7135所使用的输入信号频率，该频率可以通过Fale分频得到。N是分频比，对应12MHz晶振该系统中N应选为16。分频数可根据TLC7135的需求和单片机的时钟频率进行选择，在该系统中采用４分频工作，即选125KHz供TLC7135工作，这样可以确保定时器T0在对测量数字脉冲计数的过程中不会超出所规定的范围。如果运用分频数大于4的频率，那么需要通过编制软件进行改进。要得到A/D转换结果所对应的脉冲数可以使用所测量数字脉冲数目减去10001。该转换过程通常可采用软件编程的方式来完成。被测的模拟量完全可以通过A/D转换结果所得到的脉冲数来得到。分频过程是由12位同步二进制计数器CD4040完成的。该芯片由12级主从触发器构成，复位端高电平复位，共有引脚16个。该系统具有占用单片机端口线数少，能减少系统硬件资源的使用数量，并能改善系统的整体抗干扰能力，却不需要增加扩展口器件的使用，使系统的成本达到最低。

五、结束语

本文通过１线串行的方法读取TLC7135的模数转换结果。以TLC7135为核心，利用TLC7135进行A/D转换，最终在单片机的控制下通过LED显示转换结果，极大地简化了电路设计，该系统具有结构简单、编程简洁、占用单片机资源少等特点，为单片机功能扩展提供了更大空间。

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