简易数字电压表的设计

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) 1 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， N=0， -1。所以， 即 1， 脉冲计数的最大相对误差为
式中，x 为被测信号频率， 为闸门时间。 f T 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 电路框图 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， T=1s， 若 计数器显示 数字 N， Fx ＝ N。若取 T=0.1s， 则 通过闸门的脉冲个数为 N1 时， Fx ＝ N1/0.1=10N 1。 则 由此可见闸门时间决定量程， 的大 T 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 [2] 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. 李希文. 电子测量技术 [M]. 西安: 西安电子科技大学出版 社,2008. 代入上式计算可得 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 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 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
4 测试结果 最后试制样品 2 只。在固定中频的情况下，对变频发射 组件的线性增益和三阶交调-17dBc 时输出功率进行了测试， 测试指标表 1。 表 1 8mm 发射组件性能测试
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Rt = 8.8K， t = 0.01uf。 C 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。
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□ 张 俊 钟知原
四川・成都
王曰根
611756)
(西南交通大学 摘
要： 设计采用计数器 74LS160、 74LS161、 转换器 LM331、 V-F 集成运算放大器、 定时器、 555 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 中图分类号： TM933 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。 3.6 射频推动放大设计 射频推动放大共有两级放大器：第一级为小信号放大， G=18dB， 1dB=10dBm， P 用以补偿混频及滤波损耗； 第二级为中 功率放大， G=19dB， 1dB=22dBm， SAT=23dBm。 P P 3.7 功分器设计 功分器采用威尔金森两路 0 度功分电路。 最终实现指标， 插入损耗小于 4dB， 路间隔离度大于 10dB。 3.8 功率放大合成设计 功率合成采用微带双探针空间功率合成技术。功率放 大器单路技术指标如下： G=12dB， 1dB=30dBm， SAT=31dBm。 P P 三维 电磁场仿真结构及结果如图 3 所示， 合成效率高于 80%。 5 结束语 8mm 变频发射组件利用四倍频器减低了对本振信号的频 率要求， 利用空间功率合成技术保证了最后输出功率在 1W 左 右， 利用电磁场仿真工具设计了性能优异的微带带通滤波器， 最终实现了 8mm 频段发射组件。经试验测试， 组件性能稳定 可靠， 可以满足中功率毫米波通信系统的需求。 参考文献： [1] 清华大学 《微带电路》 编写组.微带电路 [M].北京: 人民邮 电出版社,1976. [ 2] 图 3 微带双探针空间功率合成结构及仿真结果 薛良金.毫米波工程基础 [M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出 版社,2004. 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 R s =18K， i =100K， R V-F 转换 设计 文章编号： 1007-3973 2012） （ 008-034-02 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、 转换器、 A/D 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： 文献标识码： A