用不同技术设计和开发数字电压表
作者：Jatin Arora, Gagandeep , Sarvesh S S Rawat
学校：印度维特大学
院（系）：电子与通信工程系
专业：电子与电气工程
电子邮箱：SSS.Sarvesh888@gmail.com
karthik.srinivasan2011@gmail.com
vikram0317@hotmail.com
摘要
数量的电气测量在现实世界中起着至关重要的作用。 测量电压是开发大量应用的主要任务之一。 本文重点介绍使用不同技术设计和开发数字电压表。 已经展示了如何开发从最简单类型到专业数字电压表的数字电压表（DVM）。 采用不同类型的技术制作电压表，并比较结果以测试精度。 所有技术的仿真都在Proteus ISIS 7.10上完成，并在硬件上实现。 用于开发数字电压表的技术是基于比较器的DVM，基于8051的DVM和基于PIC的DVM。 通过Proteus ISIS中的仿真和硬件实现来显示DVM的准确性。
Keywords：运算放大器；微控制器；模数转换器；精度；模拟
第1章 引言
测量电压是任何测量电路的重要组成部分，这就是DVM用于测量电压[1]，[2]的原因。在本文中，我们使用了不同的电压测量技术，主要分为两类：基于模拟IC的技术和基于微控制器的技术。基于模拟IC的技术涉及基于比较器的DVM，其利用运算放大器，不需要任何编程来进行操作。在基于比较器的DVM中，当输入变得大于其参考电压时，运算放大器的数量被用作比较器并且比较器的输出变高。通过检查其输出端连接的LED的状态来测量电压。在基于微控制器的技术中，我们制造了基于8051的DVM和基于PIC的DVM。8051系列的AT89S52微控制器与ADC0804一起实现，将要测量的电压提供给ADC，并将输入电压转换为相应的数字输出，由8051微控制器测量并显示在LCD上。它比基于比较器的DVM更精确，并且能够以毫伏为单位提供输出。用于开发DVM的不同技术的方框图如图1.1所示。
图1.1 开发DVM的不同的技术
在基于PIC的DVM中，使用PIC16F877A微控制器，它具有10位内部ADC和8个模拟通道，因此无需外部ADC。该DVM可同时测量来自多个源的电压，这在某些应用中非常有用，就准确性而言，这个DVM比其他技术要好得多。它也可以以毫伏为单位提供输出，但更准确。
第 2 章 基于比较器的DVM
在基于比较器的DVM中，运算放大器用作开发DVM的比较器。比较器主要将输入信号与参考电压（Vref）进行比较，并相应地生成输出。许多比较器连接在一起，每个比较器的Vref是不同的。通过这样做，当输入电压为零时，每个比较器的输出将保持低电平并且LED保持为OFF，但是当输入信号在DVM的范围之间时，相应的LED将发光以指示电压值。当输入信号高于DVM的范围时全部的LED会发光。基于比较器的DVM的仿真在Proteus ISIS 7. 10上进行，并且在图2.1和图2.2中示出。
图2.1 输输入信号入为2-3V时在Proteus上的仿真图
输入信号
基于比较器的DVM的范围是0-7V，但可以通过增加比较器的数量来增加。 在该DVM中，每个比较器的参考电压（Vref）不同于1V，2V，3V，4V，5V，6V和7V，因此它可以指示输入电压幅度的范围。如图2.1所示当输入信号的幅度在2到3V之间时，只有前两个LED发光，表示信号大于2V，但第三个LED和其余LED保持关闭，表明输入信号小于3V。
图2.2 输入在5-6V时在Proteus上的仿真
输入信号
如图所示2.2所示，当输入信号在5V至6V之间时，前五个LED将发光，表示信号大于5V，但其他LED保持OFF，表示输入信号小于6V。因此通过这种方式我们可以测量该方法中的输入电压。该技术效率不高，因为精度非常差。例如，当输入电压大于2V且小于3V时，如图2.2所示，那么我们不知道电压的确切值，无论是2.5V还是2.8V，但我们只知道它的范围是 在2到3V之间。在硬件实现的情况下，可以使用LM358和LM324等运算放大器。为了提高准确度，我们需要使用越来越多的比较器，这使得系统更加复杂和昂贵，因此这种方法是基本方法，并且不需要在需要准确读取的专业级别使用。
第 3 章 基于8051的DVM
在观察到基于比较器的DVM的精度差之后，我们使用微控制器开发DVM，我们可以根据需要添加更多功能。为了满足基于8051的MCU的目标。它没有任何内部ADC，因此需要外部ADC与8051连接以开发DVM.ADC0804用于转换信号。为了满足必要的要求，使用操作放大器设计了衰减器电路。运算放大器的基本配置是反相放大器和非反相放大器。非反相放大器的增益如下：
其中，Af是增益，Rf是反馈电阻，Rin是输入电阻。
如果Rf / Rin的比率保持很低，使得它可以忽略，即使那时输出信号的幅度将等于输入信号，因此衰减器不能使用非反相放大器。另一种配置是反相放大器，其给出如下：
通过保持Rin的值大于Rf，我们可以设计解谐器，但输出将具有相反的幅度，因此需要将两个反相放大器串联连接，因此o/ p将不会具有相反的幅度。 例如，如果我们保持Rf和Rin的值在第一级分别等于1kΩ和10KΩ，则反馈增益Af1将等于-0.1。串联连接的第二级具有Rf和Rin的相等值，因此其反馈增益Af2将为-1。此配置的总增益将等于：
衰减器采用反相放大器设计。观察数学结果后，我们在Protus ISIS上对其进行了仿真。反相放大器衰减器的仿真如图3.1所示。
图3.1 反相放大器作为衰减器的仿真
最终输出
第一阶段输出
输入信号
反相放大器的最终输出可以连接在ADC的输入端，以限制到达ADC输入端的电压幅度。 分压器电路最适合我们的衰减器，因为它可以通过选择适当的电阻值和功率来在更高的电压下工作。 它也是优选的，因为它简单，复杂性低，成本低。 我们使用分压器电路将输入电压除以10，这样就可以通过使用ADC0804和8051微控制器的分压电路成功实现0-50V DVM。基于8051的DVM仿真在Proteus上完成，如图3.2和图3.3所示。
图3.2基于8051的DVM测量低电压
通过比较LCD的读数和Proteus ISIS的内置电压表，可以检查系统的准确性，如图3.2和图3.3所示。在Proteus仿真中，ADC0804都有低电压和高电压。 基于8051的DVM在模拟中看起来非常准确，如图3.2和图3.3所示
图3.2 基于8051的DVM测量高电压
基于8051的DVM的硬件实现如图3.3和图3.4所示。硬件在通用PCB上实现，并且在左侧保持备用，以便对其进行改进或改变。通过将LCD上的读数与图3.3和图3.4中的万用表进行比较，可以检查该DVM的精度。
图3.3 硬件实现的基于8051的DVM低电压测量
图3.4 硬件实现的基于8051的DVM高电压测量
硬件实现的准确性并不像在模拟中观察到的那么多。 在设计任何测量电路时，精度是最重要的方面之一，因此需要高精度[3]，[4]。
第4章 基于PIC的DVM
基于比较器的DVM的精度非常差，其在基于8051的DVM中得到改善。使用PIC16F877进一步测试。它具有10位内部ADC和8个模拟通道，可直接提高精度和分辨率。可以灵活地在外部或内部设置参考电压（Vref）等于Vdd。在我们的设计中，我们使用内部参考电压用于内部ADC，并且已经使用两个ADC通道同时测量来自两个不同源的电压。该DVM的范围是0-100V，因此通过该技术也可以测量具有高幅度的电压。任何模拟通道的电压都不应超过5V，因此实现了由两个2.2kΩ和100Ω电阻组成的分压电路，它将输入电压除以20，以限制模拟输入端的电压。基于PIC的DVM的Proteus仿真如图4.1和4.2所示。在模拟中，系统的读数精度通过比较两个源连接的内部直流电压表的读数来显示。
图4.1 基于PIC的DVM在高低电压的源连接下的Proteus ISIS仿真
图4.2基于PIC的DVM的均高电压的源连接下的Proteus ISIS仿真
尽管基于PIC的DVM的仿真结果非常准确，但有必要在现实世界中实现它以检查性能和精度[7]。为了更好地开发硬件，该技术的PCB布局正在Proteus Ares 7.10中开发。该DVM的PCB布局如图4.3所示。
图4.3 DVM的PCB布局
通过设计PCB [6]，系统变得更紧凑，更简单。Proteus ARES 7. l0具有设计的三维可视化功能，从设计师的角度来看这非常重要。完整设计的三维可视化如图4.4所示。
图4.4 完整的三维图
在设计系统的PCB布局之后，PCB在硬件上实现。我们使用丝网印刷技术开发了PCB。丝网印刷技术用于专业开发PCB，并被印度的大多数PCB制造商采用。基于PIC的DVM的硬件实现如图4.5所示。
图4.5 基于PIC的DVM的硬件实现
需要在硬件上观察到该技术的准确性，这通过将两个源的读数与万用表的读数进行比较来完成。在硬件实现中，我们没有高达100V的稳压电源，但我们通过使用高达30V的稳压电源观察硬件结果。图4.6显示了将源1的电压与万用表读数进行比较时系统的精度。如图4.7所示，也以与源1相同的方式观察源2的精度。
图4.6 源1电压与电压表比较精度
图4.7源2电压与电压表比较精度
与其他技术相比，基于PIC的DVM在所有方面都是优选的，无论是精确性，紧凑性还是可靠性。 图4.6和图4.7显示出了该DVM非常精确，因为DVM和专业万用表的读数之间的差异可以忽略不计。该技术具有同时测量两个电压的优点，这在普通万用表中是不可用的。 它还可以通过在系统中添加精密整流器来测量交流电压。 PIC16F877A用于该系统，但其他微控制器如Atmega 32，MSP430也可根据应用要求使用[5]。
第5章 结论
DVM是工程师最重要的设备之一，因此本文描述了如何将初学者级DVM开发为专业级DVM。我们展示了主要技术的每种技术和硬件实现的模拟。我们使用Proteus ISIS 7.10软件进行仿真，Proteus ARES 7.10用于PCB设计，因为Proteus是嵌入式系统和其他电子系统中最常用的软件之一。本文对那些喜欢越来越多地试验以获得最佳结果的研究人员和工程师非常有用。
第6章 发展前景
在这个技术领域，始终需要取得进步。该系统还可以通过使用电流到电压转换器测量来自一个电源的电压和来自其他电源的电流来成为数字电表。然后，通过获取两个电量的乘积可以知道功耗。除此之外，它还可以通过在其中添加由运算放大器制成的精密整流器而成为交流电压表。为了使其更具吸引力，可以使用RF模块，Xbee模块或GSM模块将DVM的读取无线传输到任何远处。
参考文献
[1] Haque, M. M., Hossain, M. K., Ali, M. M., amp; Sheikh, M. R. I. (2011). Microcontroller Based Single Phase Digital Prepaid Energy Meter for Improved Metering and Billing System. International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), 1(2), 139-147.
[2] Koutroulis, E., Kalaitzakis, K., amp; Voulgaris, N. C. (2001). Development of a microcontroller-based, photovoltaic maximum power point tracking control system. Power Electronics, IEEE Transactions on, 16(1), 46-54.
[3] Cook, R. D., Saulnier, G., Gisser, D. G., Goble, J. C., Newell, J. C., amp; Isaacson, D. (1994). ACT3: A high-speed, high-precision electrical impedance tomograph. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, 41(8), 713-722.
[4] Li, X. Z., Zhang, J. L., Zou, W. S., amp; Kang, Y. M. (2012). Intelligent Digital Voltage Meter Design and Implement Based on AD7715. Advanced Materials Research, 490, 1176-1180.lt;
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