直流電壓表的設(shè)計

?一、實驗?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)計和軟件設(shè)計。
3．測量數(shù)據(jù)的誤差分析。

二、實驗任務(wù)和內(nèi)容

1. 設(shè)計一個直流電壓表，設(shè)計要求為
（1）測量量程分為200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V；
（2）測量分辯率為12bit；
（3）測量對象可選擇為可調(diào)電位器的輸出或外部電壓
2. 設(shè)計完成后，用電壓表不同量程進行測量，求相對誤差。

三、實驗器材

1. 計算機(具有運行windows2000和圖形化控件的能力)?? １臺
2. SJ-8002B電子測量實驗箱 ???????????????????????? １臺
3. Q9連接線??????????????????????????????????????? １根
4. 4 1/2數(shù)字萬用表 ??????????????????????????????? １臺

四、實驗原理

1、直流電壓表原理

?? 直流電壓表的測量原理是，被測模擬直流電壓經(jīng)輸入放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器為數(shù)字量，通過計算機的EPP接口傳到計算機進行數(shù)據(jù)處理，將測量結(jié)果顯示在計算機屏幕上。本實驗使用“SJ8002B電子測量實驗箱”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機的虛擬儀器軟件平臺（LabVIEW）完成界面設(shè)計和軟件設(shè)計，實現(xiàn)直流電壓的數(shù)字化測量。測量原理如圖1所示

???????????????????????????????????? 圖1??? 直流電壓測量原理框圖

4.2??? A/D7109的接口工作原理

?? 本實驗雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109實驗電路圖。

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

?? ICL 7109 是雙積分式12 位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間由外部時鐘周期決定，為10140/58個時鐘周期。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，輸出高電平表示過量程；反之，數(shù)據(jù)有效。
?? ③POL：極性判別，輸出高電平表示測量值為正值；反之，負值。
?? ④MODE：方式選擇， 當輸入低電平信號時，轉(zhuǎn)換器處于直接輸出工作方式。此時可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)；當輸入高電平時，轉(zhuǎn)換器將在信號信號握手方式的每一轉(zhuǎn)換周期的結(jié)尾輸出數(shù)據(jù)（本實驗選用直接輸出工作方式）。
?? ⑤REF：外部參考電壓輸入（本實驗用其典型值：2.048V）。
?? ⑥INL,INH:輸入電壓端口（有效范圍是參考電壓的2倍）。
?? ⑦OO,OI:外部時鐘輸入（本實驗用其典型值：3.579MHz）。
?? ⑧RUN/HOLD_：運行/保持輸入, 當輸入高電平時,每經(jīng)8192時鐘脈沖完成一次轉(zhuǎn)換；當輸入低電平時，完成正在進行的轉(zhuǎn)換，并停在自動調(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，模擬部分處于自動返回零態(tài)階段。
?? ⑩CE/LOAD_：片選，當其為低電平時，數(shù)據(jù)正常輸出；當其為高電平時，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，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，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)換時序：ICL7109直接接口方式的定時圖如圖3所示。

?????????????????????????????????? 圖3?? 7109轉(zhuǎn)換時序

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

??? 外部待測直流電壓信號從實驗箱的DCin的Q9接線端輸入如圖3。另外，實驗箱上提供了通過電位器調(diào)節(jié)的-4.096V－+4.096V的直流電壓。由于實驗中雙積分式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，不同大小的待測模擬電壓信號需經(jīng)過不同的增益進行信號放大。增益的選擇由計算機發(fā)出信號控制模擬開關(guān)選擇。

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????????????????????????????????????????? 圖4?? 實驗連接圖

4.4? 實驗原理圖

實驗箱提供直流電壓測量電路原理圖如圖4所示

????????????????????????????????? 圖5?? 直流電壓測量電路原理圖

五、設(shè)計指導(dǎo)??? 在實驗設(shè)計之前應(yīng)認真思考設(shè)計任務(wù)要求，仔細閱讀實驗原理。

5.1功能與前面板設(shè)計

? ? 虛擬直流數(shù)字電壓表主要完成對電位器或外部直流電壓的測量與顯示。因此，在虛擬儀器界面上需有測量對象的選擇功能。為了適應(yīng)不同大小的待測模擬電壓信號，還應(yīng)有測量量程選擇功能，量程設(shè)置10檔： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V（對應(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，當測量溢出時，超量程指示燈點亮。測量結(jié)果同時進行表盤和數(shù)字顯示，并通過實驗箱上的七段LED顯示出來。此外，界面上還需設(shè)置測量的啟動和退出測量功能。
圖5為前面板設(shè)計的參考。

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

5.2程序設(shè)計指導(dǎo)

??? SJ8002B電子測量實驗箱通過EPP接口和計算機主機相連，通過EPP接口操作實驗箱的雙積分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)計的主要實現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實現(xiàn)），在程序設(shè)計時可直接調(diào)用實驗箱提供的驅(qū)動函數(shù)動態(tài)鏈接庫（即cvidll.dll函數(shù)），驅(qū)動函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。
?? 1．程序流程圖

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

?? 2．動態(tài)鏈接庫調(diào)用
?? 實現(xiàn)直流電壓測量的驅(qū)動函數(shù)如表2所示：

表2直流電壓測量的驅(qū)動函數(shù)

?? 在直流電壓驅(qū)動函數(shù)中，調(diào)用參數(shù)gain_cw（量程控制字，用10進制數(shù)表示）與程序設(shè)計的量程檔和運放的實際增益有如表3所示的一一對應(yīng)關(guān)系。由于7109的輸入電壓為4V，故每檔量程對應(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

測試對象控制字由測試對象選擇開關(guān)決定，由于測試對象只有兩種（電位器輸出電壓和實驗箱外部輸入電壓），故將選擇開關(guān)設(shè)置為布爾量，由一個程序選擇結(jié)構(gòu)根據(jù)開關(guān)的值來決定測試對象控制字的值，具體對應(yīng)關(guān)系如表4所示
????????????????????????? 表4???? 測試對象選擇開關(guān)與測試對象控制字和測試對象對應(yīng)關(guān)系

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

雙擊圖圖標，將出現(xiàn)如圖9所示

?

?

?

????????????????? ????????? 圖9 動態(tài)鏈接調(diào)用

此時可根據(jù)調(diào)用函數(shù)的路徑，參數(shù)及名稱進行設(shè)置進行得到圖10

??????????????????????????????????????? 圖10 動態(tài)鏈接設(shè)置

這樣就完成了動態(tài)鏈接的調(diào)用及設(shè)置。

? 3．框圖程序設(shè)計
? （1）整個程序要求由 “退出”按扭來控制程序的運行與否，因此主框架可以設(shè)計為structure中的while循環(huán)。由“測量”控制測量與否。
? （2）由于Labview特性是順序流程，因此，循環(huán)內(nèi)部可以設(shè)計為順序結(jié)構(gòu)。即使用structure中的flat sequence case。整個設(shè)計流程分為EPP初始化：調(diào)用動態(tài)鏈接實現(xiàn)，函數(shù)無返回值，啟動7109：調(diào)用動態(tài)鏈接實現(xiàn)，函數(shù)無返回值，EPP讀數(shù)檢查：由函數(shù)返回值判斷EPP讀數(shù)是否成功，當EPP讀數(shù)成功時進入下一步否則將“測量”鍵彈起，停止程序。
? （3） 運行7109：用case結(jié)構(gòu)實現(xiàn)量程和測量對象的選擇，作為動態(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和數(shù)字顯示，并作為led_display的輸入，進行l(wèi)ed顯示。根據(jù)7109的返回值判斷，當其等于2或者3時，表示超量程，則點亮超量程指示燈。
?? 根據(jù)采集數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，顯示在相應(yīng)的顯示窗口。根據(jù)被測信號數(shù)值，可驗證雙積分式AD原理和直流電壓測量的關(guān)系。
? 六、調(diào)試和測試結(jié)果

? 直流電壓表設(shè)計完成后，可使用直流電壓表完成直流電壓的測試，以驗證設(shè)計是否正確。測試對象可選為“待測電壓”和“電位器(電壓)”。當選擇電位器(電壓)時，即測量虛擬儀器實驗平臺左下腳電位器的電壓,可用萬用表在實驗箱的“TEST”點監(jiān)測。當選擇待測電壓時，即可測量外加直流電壓（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，用虛擬數(shù)字直流電壓表對其進行測量，量程選擇為4V檔。同時使用萬用表測試輸入電壓，作為電壓標準值，記錄測量值，并填入表5中，對測量結(jié)果進行比較和分析，求出絕對誤差和相對誤差。

表5

? ? 2、調(diào)節(jié)電位器輸出一個固定大小的直流電壓信號，用萬用表測試作為標準值，用虛擬數(shù)字直流電壓表的不同量程檔進行測量，測試結(jié)果填入表6內(nèi)，對測量結(jié)果進行比較和分析，求出絕對誤差和相對誤差。
????? ???? ?? ??? ??? ??? ??? ?? ??? ???? ??? ??? ??? 表6

?? 七、思考和練習(xí)

?? 7109的輸入?yún)⒖茧妷簩/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？