2020电赛模拟题：自制积分式直流数字电压表
时间：2022-11-26 20:30:00
双积分直流数字电压表
By SCU Team
任务
全国大学生电子设计竞赛模拟题
不使用专用A/D在转换器芯片的前提下，设计并制作积分直流数字电压表。
要求
1.基本要求；
(1)测量范围： 10mV~2V
(2)量程: 200mV，2V
(3)显示范围:十进制数0~ 1999
(4)测量分辨率: 1mV (2V档)
(5)测量误差：≤士0.5%士5个字
(6)采样速率:≥2次/秒(7)输入电阻:≥1MQ
(8)抑制工频干扰
(9)用液晶屏显示和设置所有信息。
2.发挥部分
(1)测量范围： 1mV~2V
(2)量程: 200mV， 2V
(3)显示范围:十进制数0~ 19999
方案论证与比较
方案1：积分直流电压测量电路
如图1所示，电容器上的电压Uc比较待检测的信号电压Vin当电容器上的电压较低时，可以从比较器的输出端检测到高电平；Uc比较待检测的信号电压高时，从比较器的输出端就可以检测到低电平，也就是在比较器输出端出现下降沿的瞬间Vin和Uc正好相等，即：
该方案对电阻和电容器的精度、稳定性和单片机时钟要求较高，Vcc变化对充电时间t有很大的影响，测量小信号和大信号时精度会下降。测量电压的值和时间是非线性的，很难计算和处理。
方案2：双积分直流电压测量电路
测量步骤
先将被测电压加到积分电路上，对电容充电一段固定时间（定时积分），然后使电容对基准电源放电（反向积分），当电容上的电荷放完，比较器翻转，给单片机中断信号，从而检测充电和放电时间。运放采用集成块OPA134具有超低失真、低噪声等特点。被测电压可通过充放时间计算。
结合上述公式，可得
所示为双积分电路核心电路，OPA134作为积分运算器，LM339作为比较器。所有开关都使用。CD4066模拟开关由单片机控制。综合以上方案，我们选择方案2。
硬件电路设计系统
基准电压Vref产生电路
如图3所示，通过对VEE滤波器用电位器分压产生负压，然后通过电压跟随器提高负载能力，稳定基准电压。
信号调节电路
用于调整不同量程档位。
如图4所示，信号调节电路采用仪表放大器芯片PGA202年，芯片可由单片机控制1、2管脚放大输入信号1、10、100、1000倍，放大倍数稳定可靠。该电路将7管脚接地，8管脚输入待测信号，单片机判断信号后相应放大。
模拟电子开关的设计
由于两个积分的切换不能直接手动控制，每次测量都需要放电积分电容器。我们采用了短延迟和自动化处理CD4066芯片，内置4个模拟开关，引脚如图5所示。本电路将A开关控制待测电压接入，B开关是校零调整开关，C开关控制基准电压接入，D开关控制积分电容放电。单片机控制4个control端子打开和关闭相应的开关。
分压电路设计
因为积分信号LM339比较器输出正负电压过大，不能直接输入单片机。本电路采用以下简单的分压电路LM339输出的电压控制在0V～VCC/2之间，然后输入单片机进行检测。分压电路如图7所示。
总仿真图
软件控制内容：
基于嵌入式的软件自动控制stm32F429IGT6型ARM使用处理器作为核心板cubeMX软件快速初始化程序。用两个定时器中断捕捉比较器的上下边缘，准确测量两个电路积分的过程时间，并通过检测时间(time2-time0)*Voltage0/time1公式转换电压值，自动判断量程，反馈给程控放大器调整放大倍数，测量时自动调整零。通过I2C通信协议显示各种指标参数OLED屏上。
程序逻辑参考
TG1:自动校零(接地)
TG二、积分电容的放电
TG3.选择被测电压
TG4.选择基准电压
设先设置计数比较值n0,n1,基准电压E0、系统时钟周期T0;
程序逻辑设计建议：
t0~t1整备阶段：TG2关闭，整个积分电路输出为零，计数器清零，默认量程200mV-2V(不放大)建议设置延迟20-30ms,等待电路稳定；
t0~t1重组阶段：TG2.关闭，整个积分电路输出为零，计数器为零。建议设置延迟20-30ms,等待电路稳定；
t0~t1校零阶段：TG2闭合，TG1.关闭，整个积分电路输出为零，计数器清零，控制仪表放大器放大100倍。建议设置延迟50-60ms,等待电路稳定；
t1~t2采样阶段：TG3关闭，计数器开始计数，建议采样时间T1为60ms 或100ms，计数值N1为T1/T0;
t2~t3比较阶段：计数器计满N1产生中断，TG4.关闭基准电压反向积分，重新计数，等待电压比较器沿信号下降，获得计数值N2：
N2>n1 ,电压200mV~2V, 输出阶段直接执行；
(N2 > n0)&&(N2 < n1),电压20mV~200mV,控制仪器放大器放大10倍，回到重组阶段；
N2 < n0,电压1~20mV,一旦控制仪器放大器放大100倍，N2已大于n1.为了节省时间，不要等待信号下降，立即回到重组阶段；
t输出阶段：输出(N2-N0)*E0/N1，每30s实行校零阶段，否则直接回到整备阶段；
