雙積分式直流數字電壓表
By SCU Team
任務
全國大學生電子設計競賽模擬題
在不採用專用A/D轉換器芯片的前提下，設計並製作積分型直流數字電壓表。
要求
1.基本要求;
(1)測量範圍: 10mV~2V
(2)量程: 200mV，2V
(3)顯示範圍:十進制數0~ 1999
(4)測量分辨率: 1mV (2V檔)
(5)測量誤差:≤士0.5%士5個字
(6)採樣速率:≥2次/秒(7)輸入電阻:≥1MQ
(8)具有抑制工頻干擾功能
(9)用液晶屏將所有信息顯示和設置。
2.發揮部分
(1)測量範圍: 1mV~2V
(2)量程: 200mV， 2V
(3)顯示範圍:十進制數0~ 19999
方案論證與比較
方案一：積分式直流電壓測量電路
如圖1所示，當電容器上的電壓Uc比待檢測的信號電壓Vin低時，從比較器的輸出端就可以檢測到高電平；當電容器上的電壓Uc比待檢測的信號電壓高時，從比較器的輸出端就可以檢測到低電平，也就是在比較器輸出端出現下降沿的瞬間Vin和Uc正好相等，即:
該方案對電阻和電容器的精確度、穩定性以及單片機的時鐘要求比較高，Vcc的變化對充電時間t的影響非常大，在測量小信號和大信號時，精度會下降。被測電壓的值與時間是非線形的，計算處理較爲困難。
方案二：雙積分直流電壓測量電路
測量步驟
先將被測電壓加到積分電路上，對電容充電一段固定時間（定時積分），然後使電容對基準電源放電（反向積分），當電容上的電荷放完，比較器翻轉，給單片機中斷信號，從而檢測充電和放電時間。運放採用集成塊OPA134，具有超低失真，低噪聲等特點。通過充電時間和放電時間，可以計算出被測電壓。公式：
結合上述公式，可得
所示爲雙積分電路核心電路，OPA134作爲積分運算器，LM339作爲比較器。所有開關均採用CD4066模擬開關，通過單片機控制。綜合以上幾種方案，我們選擇方案二。
系統硬件電路設計
基準電壓Vref產生電路
如圖3所示，通過對VEE進行濾波，用電位器進行分壓產生負壓，之後通過電壓跟隨器，提高帶負載能力，穩定基準電壓。
信號調理電路
用於調節不同量程檔位。
如圖4所示，該信號調理電路採用儀表放大器芯片PGA202，該芯片可利用單片機控制1，2管腳達到對輸入信號放大1，10，100，1000倍，且放大倍數穩定可靠。本電路將7管腳接地，8管腳輸入待測信號，單片機判斷信號後進行相應放大處理。
模擬電子開關的設計
由於兩次積分的切換不能直接用手動控制，並且每次測量都需要對積分電容進行放電處理，爲實現短延時，自動化處理，我們採用了CD4066芯片，內置4個模擬開關，其引腳如圖5所示。本電路將A開關控制待測電壓接入，B開關爲校零調整開關，C開關控制基準電壓接入，D開關控制積分電容放電。單片機通過控制4個control端實現相應開關的打開閉合。
分壓電路設計
由於積分信號經過LM339比較器後輸出正負電壓過大，無法直接輸入單片機，本電路採用如下簡單分壓電路，將LM339輸出的電壓控制在0V～VCC/2之間，之後輸入單片機進行檢測。分壓電路如圖7所示。
總仿真圖
軟件控制內容：
軟件自動控制是基於嵌入式stm32F429IGT6型ARM處理器作爲核心板，使用cubeMX軟件快速初始化程序。利用2個定時器中斷捕捉比較器的上升沿和下降沿，準確測量出兩次電路積分的過程時間，並通過檢測時間，通過(time2-time0)*Voltage0/time1公式換算出電壓值，自動判斷出其量程，反饋到程控放大器調整其放大倍數，測量時進行自動調零。通過I2C通信協議將各種指標參數顯示在OLED屏上。
程序邏輯參考
TG1:自動校零（接地）
TG2:積分電容的放電
TG3：選擇被測電壓
TG4:選擇基準電壓
預先設置計數比較值n0,n1,基準電壓E0,系統時鐘週期T0;
電路部分程序邏輯設計建議：
t0~t1整備階段：TG2閉合，整個積分電路輸出爲零，計數器清零，默認量程200mV-2V（不進行放大），建議設置延時20-30ms,以待電路穩定；
t0~t1重整備階段：TG2閉合，整個積分電路輸出爲零，計數器清零，建議設置延時20-30ms,以待電路穩定；
t0~t1校零階段：TG2閉合，TG1閉合，整個積分電路輸出爲零，計數器清零，控制儀表放大器100倍放大，建議設置延時50-60ms,以待電路穩定；
t1~t2採樣階段：TG3閉合，計數器開始計數，建議採樣時間T1爲60ms 或100ms，計數值N1爲T1/T0;
t2~t3比較階段：計數器計滿N1產生中斷，TG4閉合，進行基準電壓反向積分，重新計數，等待電壓比較器下降沿信號，獲得計數值N2：
N2>n1 ,電壓200mV~2V, 直接執行輸出階段;
(N2 > n0)&&(N2 < n1),電壓20mV~200mV,控制儀表放大器10倍放大，重新回到重整備階段；
N2 < n0,電壓1~20mV,控制儀表放大器100倍放大，一旦N2已大於n1，可不等待下降沿信號，立即回到重整備階段，以節約時間；
t4輸出階段：輸出(N2-N0)*E0/N1，每30s執行一次校零階段，否則直接回到整備階段；
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