摘 要： 介绍了一种基于STC89C52单片机且量程可自动切换的积分式直流数字电压表的硬件和软件设计方法。基于双积分A/D转换原理，提出了新的转换过程，提高了转换速度，降低了零点漂移率。与常规电压表相比，该电压表精度更高，线性度好，抗干扰性强。
关键词： STC89C52单片机；量程切换；双积分A/D转换
0 引言
双积分A/D转换器是一种将电压转换为时间的A/D转换器，具有精度高，转换过程需提供基准电压，抗干扰能力强等特点，在仪表、测控等领域有着广泛的应用[1-2]，而采用单片机控制在电压表、电压源等的设计过程中越来越重要[3-4]。本文介绍了一种基于双积分A/D转换原理，且具有自动切换量程功能的数字直流电压表。该电压表在A/D转换过程中采用了与常规不同的积分过程，提高了A/D转换速度，降低了零点漂移率。结果表明，该电压表具有线性度好、精度高、抗干扰性强等优点。
1 双积分式直流电压表的硬件设计
该电压表由模拟和数字两部分组成，采用硬件和软件相结合的方式进行设计，系统框图如图1所示。
在模拟部分，被测电压被衰减后送入量程自动切换电路，然后双积分A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，并送入数字部分。模拟部分的主要优点是对噪声和某些特定频率（如工频）的干扰有很好的抑制作用。
数字部分以STC89C52单片机为核心，模拟部分得到的数字信号送入单片机的外部中断输入口，单片机将输入电压值转换为计数值，经计算后得到被测电压值，并用5位数码管显示，同时点亮3盏LED灯之一提示所选的量程。
1.1 输入衰减电路及量程自动切换电路
该电压表的电压衰减器利用多个电位器并联，调节各个电位器进而得到衰减电压，具体电路如图2所示。电压表共分为200 mV、2 V和20 V三个挡位，用5位数码管来显示被测电压，同时用3盏LED灯分别表示这三个档位。被测电压被衰减到0~200 mV之后送入积分器，积分器将被测电压转换为相应的积分时间并送到单片机的外部中断输入口。单片机中与积分时间相对应的是计数器的计数值。若2 V、20 V量程里计数值小于2 000，或者200 mV、2 V量程里计数差值大于20 000，单片机通过控制模拟开关改变电压挡位重新计数。当输入电压超过20 V时，表头全部显示H，当输入电压小于0 V时，表头全部显示L。
1.2 基于双积分原理的A/D转换电路
以往的基于双积分的A/D转换电路都是分为三个阶段：自动校零阶段、积分阶段和反积分阶段。积分阶段时间固定，自动校零阶段和反积分阶段的总时间固定，一般为积分阶段的3倍[5]。本文基于双积分原理，提出了一种新的积分方式，将一次完整的A/D转换调整为可变长。当积分时间相同时，由于受单片机控制与常规双积分相比，该方法的转换时间更快。
A/D转换电路原理如图3所示，主要利用了HCF4052四选一开关、TL062C运放、TL431和积分电容等。其中，HCF4052多路开关用来选择不同的电压输入；运放中一个用来作积分器，另一个用来作比较器；TL431提供了比较器同相输入端的比较电压。
该电压表中A/D转换电路的积分过程如图4所示，共分为了4个不同的阶段，分别为零（Vgnd）输入、参考电压（Vref）输入、被测电压（Vin）输入和参考电压（Vref）再次输入。单片机通过两个I/O口来控制四选一开关，切换这四个阶段。注意R38与R39之间的电压Vcom是一个重要的参考点，考虑到运放失调电压的影响，Vcom的电压控制在220 mV左右。
在阶段1，单片机选通模拟开关将Vgnd送入运放5脚。根据虚短路的特点，运放的6脚和5脚具有相同的电压值，Rint右端的电压比左端大，积分电容开始放电。阶段1持续时间T1固定为20 ms，然后进入阶段2，同时单片机开始计数。阶段1的放电量为：
在阶段2，模拟开关选通Vref输入。此时，Rint右端电压比左端小，积分电容开始充电。当积分电容左端的电压大于2.5 V时，比较器产生一个低电平送入单片机的外部中断输入口，单片机停止计数，进入阶段3。阶段2总的充电量为：
在阶段3，模拟开关选通Vin输入。此时，Rint右端电压大于左端，电容再次放电。阶段3持续时间T3也固定为20 ms。当达到20 ms时，进入阶段4，同时单片机开始计数。阶段3的放电量为：
在阶段4，Vref再次被选通输入，Rint左端电压大于右端，电容再次充电。当积分电容左端的电压超过2.5 V时，比较器产生一个低电平送入单片机外部中断输入口，同时单片机停止计数。此后，单片机控制进入到阶段1，重复执行上述过程。阶段4的充电量为：
由于阶段1的放电量与阶段2的充电量相等，阶段3的放电量等于阶段4的充电量。并且当计数周期为Tcp时，固定时间的计数个数可根据N=T/Tcp得出。依据这两点可以得到：
已知Vcom、Vref、N1均为一确定值。事实上，当N1确定时，N2也是确定的，即输入电压Vin与积分阶段2和阶段4的计数差（N2-N4）成正比例关系，只需求得这两阶段的计数差，即可按比例关系得到输入电压值。式（5）得到的被测电压与常规的双积分原理得到的有所区别[6]，是因为该电压表的A/D转换电路中加入了偏移电压Vcom，可对双极性电压进行测量。需要说明的是，参考点2电压的跳变是由运放的虚短路特点引起的。由于A/D转换主要的干扰来自工频（50 Hz）或工频倍频的干扰[7]，采样时间为20 ms时，为工频电源周期的整数倍数可以有效地抗工频干扰。
1.3 显示电路
显示电路主要由5位共阳极数码管、显示量程的3个LED灯和单片机I/O口组成，采用动态扫描的方式显示。单片机的P0口作为段码输出端口，P2口的高5位作为数码管的尾端选通端，低3位接LED灯用于显示所选量程。
2 双积分式直流电压表的软件设计
软件设计主要包括4个部分：A/D转换部分、挡位自动切换部分、单片机控制部分和显示部分。该电压表首先选通最高挡位对输入电压进行衰减，然后送到A/D转换部分将电压转为计数值。挡位自动切换部分根据所得计数值是否落在已定区间，来判断输入电压是否属于该挡位。若2 V、20 V挡位时计数值小于2 000，单片机控制模拟开关切换到低一挡位；若200 mV、2 V计数值大于 20 000，则切换到高一挡位重复A/D转换并计算电压值。最终得到稳定的被测电压值并进行显示，同时显示所选的挡位。通过采样得到的实测电压在1 s的时间内有12~16个电压值，根据A/D转换器的特性，这些实测的电压值总是处在一定的波动状态，采用加权平均滤波的方法对所得数值进行滤波，可以减小数据的波动，使电压显示值更加稳定。软件的设计流程如图5所示。
3 测试实例
这一部分将该电压表实测电压（表1中改进型一栏）、常规双积分的电压表（表1中常规型一栏）和标准电压进行了对比，结果如表1所示。从表1中可以看出，该电压表精度最小可以达0.01 mV。与常规电压表相比，该电压表的测量误差更小，主要是因为双积分电压表的准确度与参考电压的准确性和零点电位的稳定性有很大关系，而本文中的零点电位直接接地，减小了干扰。在测量过程中还发现，该电压表比常规型电压表的转换速度更快，这主要是A/D转换时间缩短的缘故。
图6所示为该电压表和常规电压表的线性度曲线对比。
从图6可以看出，两表的线性度曲线与理想型很接近。相比之下，该方法电压表比常规电压表的线性度更好。除此之外，由于该电压表通过计算A/D转换过程的第2阶段和第4阶段计数差值来获得被测电压值，这一方法大大降低了零点漂移率，得到了比较理想的测量精度。
4 结论
本文基于双积分原理，实现了一种高精度、可变量程的积分式直流电压表，测量范围最大可以达到0~20 V，测量误差最大不超过0.16%，测量的最小精度可以达到0.01 mV，是一款性能可靠的高精度直流电压表。
参考文献
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[2] 贾培军，董军堂，高延华.一种量程自动切换数字电压表的设计[J].山西电子技术（应用实践），2007（6）：10-12.
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