高精度数字电压表的设计和实现

默罕默德·阿卜杜拉Al Shohel¹,马什哈德Uddin萨利赫²,Biswajit Biswas二苯乙腈³,Gazi Mahamud哈桑⁴马里兰州阿布Hasnat Ferdous⁵

硕士学生,EEE称,孟加拉国工程技术大学达卡,孟加拉国^1、4
校友,EEE称,孟加拉国工程技术大学达卡,孟加拉国^2、3
二元同步通信的学生,EEE称,孟加拉国工程技术大学达卡,孟加拉国⁵

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文摘

在现代电子产品实验室与精度高和数字电压表显示机制是必不可少的设备。介绍了机制的电压表测量电压30.00 V的分辨率10 mv。在这个电压表实现精度是很好,它可以使用精确的电压测量是必需的。

关键字

电压表、精密,楼梯,ADC、DAC。

介绍

电压表是一个仪器用于测量两点之间的电位差的电路。电压是一个基本量是重要的在每一个阶段的电气工程从电力系统电压在VLSI芯片[1]。可以转换为电压使用的各种物理量传感器,如压力,温度等,可以显示在一个电压表。因此测量的电压是一个值得关注的领域范围广泛的学科。操作范围可能取决于考虑下的面积。在千伏输电线电压范围,而神经细胞产生的电压是在mV的范围内。在这部作品中,电压表设计为0 ~ 30 v范围内经营10 mv精度。

工作原理

一些基本的方法来估计未知电压的值

逐次逼近的方法,

楼梯的方法,

斜坡的方法,

双斜率的方法。

在数字坡道或阶梯法,电压测量(样本电压),Vin不断内部生成的电压相比,Vgen,逐步建立。最初的内部电压设置为0,然后先后在相同的步骤。当内部电压超过样本电压转换过程就结束了。整个转换所需数量的步骤大小是一个数字代码表示样本电压[2]。

图1说明楼梯的方法

作为设计的电压表的操作范围是0 ~ 30 v,两个电压电平检测器是用来检查被测电压是否在操作范围内。

图2电压测量方法的流程图

显示在数字电压表可以使用LCD或LED。对于简单的应用程序,使用七段LED显示屏。

图3数字电压表的简化框图

整个过程可以分为三个部分:

一个¯·脉冲生成和控制

一个¯·数字模拟转换

一个¯·数字显示

答:脉冲生成和控制

样本电压,Vin应用于一个比较器。555定时器的不断生成脉冲在一个特定的频率。比较器的输出,然后输入时钟3-input和门。另一个输入是用于控制电压的范围。

最初的内部电压低于样本电压,所以比较器提供了逻辑1。与门的输出类似于一个正方形或矩形波。与门的输出是美联储时钟级联同步二进制计数器和BCD计数器。当转换结束和Vgen超过Vin比较器生成逻辑0,关掉了无限的脉冲序列。

当样本电压超出指定范围(30.00 V),一个与非门检测存在的两个1的二进制编码左边的数字和产生一个逻辑0关闭了脉冲序列。

数字模拟转换

二进制计数器的输出转换为模拟电压,Vgen通过D / a转换器,然后送到比较器比较先后。

4比特R-2R DAC的基本转换过程如下所示[2]。如果数据很低,电流切换到地面而如果数据位高,当前是改运放

图4使用电阻梯形网络数字模拟转换

戴维南等效整个梯形网络r .当前进入通过给出参考终端

这个参考电流然后在每个连续的节点分成两部分。目前由LSB开关控制

如果一个数据位高,其相应的梯级电流通过Iout总线。然后转化为等效输出电流电压用一个运放。

如果D的十进制值4比特输入词电流流经输出总线,

等效电压输入单词

电压分辨率1 LSB [3]

在我们的项目我们组Vref = 5 v, R = 10 kΩ,射频= 512Ω实现所需的分辨率。

c .数字显示

当内部生成的电压穿过输入电压比较器生成逻辑0然后计数器保值,因为他们不再接收时钟边缘。在点的时候,BCD计数器的输出是一个数字代码类似于输入电压。BCD柜台展品中的输出7段显示器通过7段显示驱动。在这个项目中常见的阳极7段显示器和活性低7段显示驱动7447已经被使用。

图5设计电压表在测量符合常用的万用表。

特性

电压表设计的特点是:

ADC中指定数量的计数。我们设计与1 mv / 3000项决议。因此0-3V原始操作范围。在这个区间内测试,它将提供最好的精度。

设计的电压表精度可以达到30.00 v和0.01 v。它可以用于扩展操作电压范围和辞职使用电阻分压器网络。同时其决议将由相同的比例因子。例如,它可以测量精度为300.0 v和0.1 v。

它有一个反极性的指标。一个负电压时,过零检测器发出信号并提示用户扭转了线索。

它包含一个过电压探测器。电压大于30.00 v时,探测器将信号发送给领导的电压水平。

限制

虽然是全心全意试图让它完美,由于时间的限制和其他一些原因实现电压表有一些缺乏。

理想情况下一个数字电压表测量电压与两极。

设计电压表指示一个过电压如果电压30.00 v以上应用于输入终端但缺乏安全要求。在实践方面,应断开电路的过压和应该有安排绕过了过电压。

与阶梯近似相关的基本问题,如果时变采样电压,输出可能不会遵循输入。如果采样电压下降到一个较低的值,显示将显示值在变化。

误差分析

一些错误是与A / D和D / A转换过程。下面将描述这些错误。

答:量化误差

显示的电压是不。转换过程的步骤。因此位于1步长精度的实际电压和错误是依赖于步长。

b .弥补错误

抵消误差存在如果设备输入时显示了一个输出值是零。抵消误差可能是积极的还是消极的。

c .增益误差

增益误差意味着偏差得到实现和获得期望的。满量程输出增益误差测量。

d .绩效评估

在操作范围0到30.00 v我们有10 mv /决议。因此量化误差可以忽略不计。没有任何抵消误差为零。但抵消错误有时可能发生在一个非零值。增益误差,当数字输出显示生成3000内部电压变化从2.85到2.95伏特。也有非线性误差,从逐步递减明显偏差输入值更高。

e .错误减少

分辨率取决于电阻电压值和参考电压。因此,精确的测量,

使用高精度比较器。

使用电阻较低的宽容。

使用可靠来源提供恒定的5 v。

工作时,出现了一些问题,最终解决。

定时器的输出包含涟漪。改善波纹我们用施密特触发器。

样本电压下降时,在输入终端连接。删除这个我们使用缓冲区。

结论和未来的工作

项目的成本非常低,可以视为竞争相比,现有的产品在全球市场。必要时另一个重要特性是它可以更精确地操作没有任何广泛的变化设计。只有通过插入另一个二进制计数器,BCD计数器[4],显示驱动和普通阳极7段显示每个1 mv精度可以达到。高阻抗精密全波整流电路[3]作为绝对值电路,可以整合提供测量负电压的能力。使用双向计数器[5]将启用实时连续测量不同的电压。不过,它展现了一个低成本的数字电压表的基本工作原理。它肯定会变成一个受欢迎的产品与一些修改和错误减少。

引用

Krishnamoorthy, a . V。米勒,d。,"Scaling optoelectronic-VLSI circuits into the 21st century: a technology roadmap." Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of 2.1 (1996): 55-76.
Millman J。,and Halkias, C. C., “Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and systems”, 2nd ed., Tata McGraw-Hill Education, 2010
Coughlin, r F。,and Driscoll, F. F., “Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuit”, 6th ed., Prentice Hall Inc., 2008.
冬天,a。R。,"TENS BCD COUNTER." U.S. Patent No. 3,769,583. 1973.
菲利普斯R R。,Sandell, R. D., and Silver, A. H., "Superconducting analog-to-digital converter with bidirectional counter", U.S. Patent No. 4,646,060. 24 Feb. 1987.