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摘 要：设计采用计数器74LS160、74LS161、V-F转换器LM331、集成运算放大器、555定时器、石英晶体震荡器和共阳极数码管为主要硬件，分析了数字电压表的proteus、multisim软件仿真电路的设计，最后用PROTEL软件完成印刷电路板的设计制作。设计的数字电压表可以完成正弦波，三角波和方波幅度测试，电压峰峰值Vpp为500mV～10V，测量误差小于3%。
关键词：数字电压表 V-F转换 设计
中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）008-034-02
1 方案选择
通常情况对于电压的数字测量，采用A/D转换器如（ADC0809）实现模拟量电压到数字量转换，控制核心ATC89C51等单片机对转换结果进行运算处理，最后驱动输出装置显示测量结果。此种方案的测量精度较高，但成本也较高，软件编程复杂，对于一些低测量精度精度要求场合并不适用。于此决定采用一种不需要使用A/D转换和单片机的低成本方案。将电压模拟量通过LM331（电压—频率转换芯片）线性转换为与之对应的频率量，并通过构建的计数显示电路显示测量结果。
2 电路设计——V-F(电压-频率)转换电路
此电路由LM331芯片、电阻电容等元器件构成。
LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331的动态范围宽, 可达 100dB；线性度好，最大非线性失真小于 0.01%，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。
电参数计算公式如下：
转换要求输入1V时，其输出频率为1000Hz；输入5V时，其输出频率为5000Hz，从而计算得到Rs=18K，Ri=100K，Rt = 8.8K，Ct = 0.01uf。
3 峰值检波电路
为实现精密的线性整流，必须解决两个问题：(1)改善二极管的非线性特性，以实现良好的线性转换关系；(2)减少二极管阈值电压的影响，使其能对尽可能小的输入信号进行转换。
采用运放和普通二极管组成的有源整流电路，能有效的解决以上两个问题。
设计电路由LM358AD运算放大器，二极管1N5617，电阻，电容等元器件构成。此电路是由一级运放构成，二极管D2至于反馈电路中。运算放大器U3与电容C1一道构成峰值检波电路；运算放大器U1构成跟随器，使峰值检波电路与后面的电路隔离。此部分电路可以记忆并追随输入的三角波，方波，正弦波的最大正峰值并输出检波后的直流电压信号。
4 频率计数显示电路
直接使用十进制计数器74LS160完成对脉冲的计数，同时利用晶振电路产生一秒的高电平，运用门电路及单稳控制计数器在一秒高电平中完成计数。最后使用锁存器计数所得数值并输送给译码显示电路。
4.1 时间基准T=1S产生电路
测量频率是按照频率的定义进行的，若T=1s，计数器显示数字N，则Fx＝N。若取T=0.1s，通过闸门的脉冲个数为N1时，则Fx＝N1/0.1=10N1。由此可见闸门时间决定量程，T的大小可以通过分频器选择，选择大一些，测量准确度就高一些。根据被测频率选择闸门时间，闸门时间为1S，被测信号频率通过计数锁存可以直接从计数显示器上读出。
这部分的作用就是提供准确的计数时间T，它由高稳度的石英晶体振荡器，分频整形电路组成。无源晶振产生F=32.768KHZ的脉冲，其幅度经过74LS14整形为0-5V的方波，其频率经过四个74LS161计数器进行16次分频，输出频率为0.5HZ的方波信号。
4.2 计数脉冲形成电路
这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲，它一般由放大整形电路和主门（与门）电路组成。被测输入周期信号（频率为Fx，周期为Tx）经放大整形的周期为Tx的窄脉冲，送至与门的一个输入端。主门的另一个控制端输入的是时间基准产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门期间，周期为Tx的窄脉冲才能经过主门，在主门的输出端产生输出。在闸门脉冲关闭主门期间，周期为Tx的窄脉冲不能经过主门，在主门的输出端产生输出。
4.3 计数显示电路
这部分电路的作用简单的说，就是计数被测周期信号在闸门宽度T的时间内重复的次数，显示被测信号的频率。它由计数器、锁存器、译码器、单稳态触发器和显示器组成。其中计数器按十进制计数。如果在系统中不接锁存器，则显示器上数字就会随计数器的状态不停地变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以，在计数器后边必须接锁存器。锁存器的工作是受单稳态触发器控制的。单稳的上升沿作为锁存器的锁存脉冲。
锁存器在锁存脉冲作用下，将门控信号周期T内的计数结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用，同时把所存出的状态送入译码器译码，在显示器上得到稳定的计数显示。
为了使计数器稳定准确的工作，利用开关的开启闭合产生清零脉冲，使所有的计数器74LS160清零，为下次测量做好准备。
5 理论误差分析
5.1 计数器计数误差(€·误差)
测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，也就是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，即便在相同的主门开启时间T 内，计数器所得的数却不一定相同，造成多计一个数或者少计一个数。€%=N的取值只有三个值，即€%=N=0，1，-1。所以，脉冲计数的最大相对误差为
式中，fx为被测信号频率，T为闸门时间。
5.2 闸门时间误差(时基误差)
闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，产生测频误差。闸门时间T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc，分频系数为K，所以 由误差合成原理可知
5.3 计数测频总差
有误差合成原理可得计数总误差最大为
由于晶振相对量化误差很小，所以忽略不计。将测量下限fc=50Hz代入上式，可得最大频率测量误差约为2%。
5.4 电压峰值检波误差
经过Multisim仿真，输入1kHz，峰峰值为1V的三角波，检波电路输出为0.99446V的直流电压。相对误差为（电压越小，相对误差越大，且方波、正弦波检波误差均小于三角波）。
5.5 电压测量总误差
根据误差合成原理
代入上式计算可得
参考文献：
[1] 康华光.电子技术基础(数字部分)(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[2] 李希文.电子测量技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.
关键词：数字电压表 V-F转换 设计
中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）008-034-02
1 方案选择
通常情况对于电压的数字测量，采用A/D转换器如（ADC0809）实现模拟量电压到数字量转换，控制核心ATC89C51等单片机对转换结果进行运算处理，最后驱动输出装置显示测量结果。此种方案的测量精度较高，但成本也较高，软件编程复杂，对于一些低测量精度精度要求场合并不适用。于此决定采用一种不需要使用A/D转换和单片机的低成本方案。将电压模拟量通过LM331（电压—频率转换芯片）线性转换为与之对应的频率量，并通过构建的计数显示电路显示测量结果。
2 电路设计——V-F(电压-频率)转换电路
此电路由LM331芯片、电阻电容等元器件构成。
LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331的动态范围宽, 可达 100dB；线性度好，最大非线性失真小于 0.01%，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。
电参数计算公式如下：
转换要求输入1V时，其输出频率为1000Hz；输入5V时，其输出频率为5000Hz，从而计算得到Rs=18K，Ri=100K，Rt = 8.8K，Ct = 0.01uf。
3 峰值检波电路
为实现精密的线性整流，必须解决两个问题：(1)改善二极管的非线性特性，以实现良好的线性转换关系；(2)减少二极管阈值电压的影响，使其能对尽可能小的输入信号进行转换。
采用运放和普通二极管组成的有源整流电路，能有效的解决以上两个问题。
设计电路由LM358AD运算放大器，二极管1N5617，电阻，电容等元器件构成。此电路是由一级运放构成，二极管D2至于反馈电路中。运算放大器U3与电容C1一道构成峰值检波电路；运算放大器U1构成跟随器，使峰值检波电路与后面的电路隔离。此部分电路可以记忆并追随输入的三角波，方波，正弦波的最大正峰值并输出检波后的直流电压信号。
4 频率计数显示电路
直接使用十进制计数器74LS160完成对脉冲的计数，同时利用晶振电路产生一秒的高电平，运用门电路及单稳控制计数器在一秒高电平中完成计数。最后使用锁存器计数所得数值并输送给译码显示电路。
4.1 时间基准T=1S产生电路
测量频率是按照频率的定义进行的，若T=1s，计数器显示数字N，则Fx＝N。若取T=0.1s，通过闸门的脉冲个数为N1时，则Fx＝N1/0.1=10N1。由此可见闸门时间决定量程，T的大小可以通过分频器选择，选择大一些，测量准确度就高一些。根据被测频率选择闸门时间，闸门时间为1S，被测信号频率通过计数锁存可以直接从计数显示器上读出。
这部分的作用就是提供准确的计数时间T，它由高稳度的石英晶体振荡器，分频整形电路组成。无源晶振产生F=32.768KHZ的脉冲，其幅度经过74LS14整形为0-5V的方波，其频率经过四个74LS161计数器进行16次分频，输出频率为0.5HZ的方波信号。
4.2 计数脉冲形成电路
这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲，它一般由放大整形电路和主门（与门）电路组成。被测输入周期信号（频率为Fx，周期为Tx）经放大整形的周期为Tx的窄脉冲，送至与门的一个输入端。主门的另一个控制端输入的是时间基准产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门期间，周期为Tx的窄脉冲才能经过主门，在主门的输出端产生输出。在闸门脉冲关闭主门期间，周期为Tx的窄脉冲不能经过主门，在主门的输出端产生输出。
4.3 计数显示电路
这部分电路的作用简单的说，就是计数被测周期信号在闸门宽度T的时间内重复的次数，显示被测信号的频率。它由计数器、锁存器、译码器、单稳态触发器和显示器组成。其中计数器按十进制计数。如果在系统中不接锁存器，则显示器上数字就会随计数器的状态不停地变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以，在计数器后边必须接锁存器。锁存器的工作是受单稳态触发器控制的。单稳的上升沿作为锁存器的锁存脉冲。
锁存器在锁存脉冲作用下，将门控信号周期T内的计数结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用，同时把所存出的状态送入译码器译码，在显示器上得到稳定的计数显示。
为了使计数器稳定准确的工作，利用开关的开启闭合产生清零脉冲，使所有的计数器74LS160清零，为下次测量做好准备。
5 理论误差分析
5.1 计数器计数误差(€·误差)
测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，也就是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，即便在相同的主门开启时间T 内，计数器所得的数却不一定相同，造成多计一个数或者少计一个数。€%=N的取值只有三个值，即€%=N=0，1，-1。所以，脉冲计数的最大相对误差为
式中，fx为被测信号频率，T为闸门时间。
5.2 闸门时间误差(时基误差)
闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，产生测频误差。闸门时间T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc，分频系数为K，所以 由误差合成原理可知
5.3 计数测频总差
有误差合成原理可得计数总误差最大为
由于晶振相对量化误差很小，所以忽略不计。将测量下限fc=50Hz代入上式，可得最大频率测量误差约为2%。
5.4 电压峰值检波误差
经过Multisim仿真，输入1kHz，峰峰值为1V的三角波，检波电路输出为0.99446V的直流电压。相对误差为（电压越小，相对误差越大，且方波、正弦波检波误差均小于三角波）。
5.5 电压测量总误差
根据误差合成原理
代入上式计算可得
参考文献：
[1] 康华光.电子技术基础(数字部分)(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[2] 李希文.电子测量技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.