高精度数字电压表设计
摘要：
随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍。同时随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。
数字电压表的核心器件是A/D转换器，A/D转换器一般有积分式、比较式和复合式三种类型。目前应用比较广泛的是积分式数字电压表，它具有抗干扰能力强、价格低廉、测量精度较高等优点。V/F型A/D转换器是积分型的一种，被测电压Ux通过积分以后输出一线性变化的电压，控制一个振荡器，产生与被测电压成正比的频率值；再用数字频率计测量出电路的频率值，从而表示被测电压的大小。这种转换器具有良好的精度、线性和积分输入特性，抗干扰能力强，而且信号便于远传等特点。此外，它的应用电路简单，外围元件性能要求不高，对环境的适应能力强，与单片机的接口简单。
本设计在参阅了大量前人设计的数字电压表的基础上，利用单片机技术结合V/F 转换芯片LM331 以及采用模拟开关CD4051 构建了一个测量范围达0-750V 且具有自动量程切换功能和过压保护的直流数字电压表。本文首先简要介绍了积分式数字电压表的主要组成部分及原理，然后详细介绍了硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的各部分电路的设计及原理以及软件算法。
关键词电压测量；自动切换；LM331；模拟开关；单片机。
目录
第一章绪论 (3)
第二章数字电压表两种设计方案简介 (5)
2.1 采用ADC0809的A/D转换电路 (5)
2.2 采用LM331V/F转换电路 (5)
第三章切换开关的论证与比较 (6)
3.1 采用继电器 (6)
3.2 多路模拟开关CD4051 (7)
第四章系统总体设计 (7)
4.1 系统组成原理 (7)
4.2 硬件系统流程概述 (8)
第五章各种显示器件简介 (8)
5.1 常用显示器件简介 (8)
5.2 1602液晶的参数资料 (9)
第六章硬件电路系统模块的设计 (11)
6.1 过保护电路 (11)
6.2 电压信号采样 (12)
6.3 自动量程切换借口电路 (13)
6.4 A/D转换电路 (18)
6.5 单片机系统 (25)
6.6 输入电路 (26)
6.7 A/D转换芯片与单片机的链接 (27)
6.8 1602液晶与单片机的链接 (28)
6.9 键盘与单片机的链接 (29)
第七章系统软件设计 (29)
7.1 汇编语言与C语言的特点及选择 (29)
7.2 积分式数字电压表系统软件流程 (29)
7.3 定时器T0、T1中断服务程序 (30)
7.4 电压值计算子程序 (30)
7.5 显示程序 (31)
第八章单片机抗干扰 (32)
8.1 硬件抗干扰 (32)
8.2 主程序设计 (33)
第九章系统的调试与误差分析 (34)
9.1硬件调试 (34)
9.2软件调试 (34)
9.3误差的主要来源及影响 (35)
9.4 减少及消除误差的措施 (35)
第十章总结与展望 (36)
附录一主程序 (37)
附录二参考文献 (44)
第一章绪论
说字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，作为智能仪表的一种，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转化成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一，精度低，不能满足数字化时代的需求采用单片机的数字电压表，精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，目前，由各种单片A/D转换器构成的说字电压表，已经被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测量系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。本文就数字电压表加以叙述。
1.1数字电压表简介
数字电压表出现在50年代初，60年代末发起来的电压测量仪表，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。
如今，数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域。显示出强大的生命力。
数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及
抗干扰能力都未能提高。而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一，二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达1NV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。
目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。而常用的分类方法有如下几种：
1．按用途来分：有直流数字电压表，交、直流数字电压表，交直流万用表等。
2．按显示位数来分：有4位，5位，6位，7位，8位等。
3．按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。
4．按测量速度来分：有低速，中速，高速，超高速等。
但在日常生活中，数字电压表一般是按照原理不同进行分类的，目前大致分为以下几类：比较式，电压——时间变换式，积分式等。
在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，而采用单片机的数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC 进行实时通信。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM 扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。积分式数字电压表是一种间接转换形式的数字电压表，它是对输入模拟电压进行积分并转换成中间量——时间或频率，再通过计数器将中间量转换成数字量。
第二章数字电压表两种设计方案简介
设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。
2.1采用ADC0809的A/D转换电路
ADC0809是AD公司采用CMOS工艺生产的一种8位逐次比较型A/D转换器。用ADC0809和AT89S52用程序查询方式来采集被测的输入模拟信号。采集数据时首先单片机执行一传送指令，在该指令执行过程中单片机在控制总线中产生写些信号，其低电平品信号启动A/D转换工作，ADC0809经100us后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，EOC新好景反相器产生中断请求信号INTR,通知单片机取数。当单片机响应中断请求转入数据采集子程序后，立即执行输入指令，指令产生读信号给ADC0809，将数据取出并存入存储器中。整个数据采集过程中，由单片机有序地执行若干指令完成。
2.2采用LM331V/F转换电路
V/F 转换方式是把电压模拟量转换成脉冲频率信号，由单片机对脉冲频率信号进行计数来实现A/D 转换功能的。
LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。只需接入几个
外部元件就可方便构成V/F变换电路，并且容易保证转换精度。LM331的内部电路组成及其与外部器件构成的V/F转换电路如图1-1所示。
图1-1 LM331内部结构及V/F转换电路图
以上两种方案对转换10V内的电压信号都是可以实现的，但方案一电路中ADC 0809管脚较多，另外还需接锁存器电路，所需的元器件较多，成本较大，而LM331是一个简单的、廉价的电压/频率变换电路，非常适合用作模/数转换，有极高的转换精度，且十分适用于低电压，低功耗的数字电路，十分适合用作光电隔离，有良好的共模抑制能力；并且V/F型A/D转换器多采用电压反馈形式，它除有较好的抗干扰能力外，还引入电位差计的方法，提高了准确度和输入阻抗，因而常被采用，所以考虑到实现电路的简单性和性价比本设计采用方案二。
第三章切换开关的论证与比较
3.1 采用继电器
固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，它利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。其具有零电压导通，零电流关断，与逻辑电路兼容（TTL、DTL、HTL）切换速度快、无噪音、耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点；但也存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，触点组数少，成本高等缺点。
3.2 多路模拟开关CD4051
CD4051 是一个双向8 通道多路开关，它有3 个二进制控制输入端A、B、C 和一个禁止输入端，并由3 位二进制信号来选择8 个通道中的一个通道。当INH 为“1”时，通道断开，禁止模拟量输入；当INH 为“0"，通道接通，允许模拟量输入。它能实现逻辑电平转换单元完成CMOS 到TTL 的电平转换，因此这种多路开关输入电平范围广，数字量输入为3～15V，模拟量可达15V。二进制译码器用来对选择输入端A、B、C 的状态进行译码，并控制开关电路TG，使某一路开关接通，从而使输入/输出通道相连，达到自动切换的目的。
对比以上两种方案，方案一由于价格高、切换触点少、实际应用电隔离不理想，而方案二由于模拟开关CD4051 具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小、使用寿命长、价格、交直流通用、使用方便等优势，故自切换采用方案一即多路模拟开关CD4051 实现。
第四章系统总体设计
4.1 系统组成原理
积分式数字电压表采用AT89S52 单片机作为主要控器，系统由过压程保护电路、分压及量程切换电路、AC/DC 变换电路、V/F 转换电路、单片机最小系统及外围显示接口电路等几个功能模块组成。本系统基本组成框图如图2-1 所示。
图2-1 数字电压表基本组成框图
4.2 硬件系统流程概述
被测模拟电压经过初始最高挡位切换到最大分压电路衰减后，接着由运算放大器OP07 进行放大后，再送给比较电路判断量程是否合适并选择合适的量程，然后将电压信号送到由压频转换芯片LM331构成的V/F 转换电路转换成相应的脉冲信号。脉冲信号经过隔离后由单片机在固定时间（50ms）内对脉冲信号进行计量，从而完成A/D 转换的功能。最后由单片机对A/D 转换的结果进行标度变换，得到被测电压数值(BCD 码)，通过单片机驱动四个LED 数码管显示结果。
第五章各种显示器件的介绍和选择
5．1 常用显示器件简介
本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。
数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。但数码管只能是显示0——9的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。
LED点阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具有高亮度，功耗低，视角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，LED点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。但用LED点阵显示的软件程序设计比较麻烦。
1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个
字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。
12864液晶也是一种工业字符型液晶，它不仅能够显示1602液晶所可以显示的字符，数字等信息，而且还可以显示8*4个中文汉字和一些简单的图片，显示信息也非常的清楚。使用时也直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。不过它的价格比1602液晶贵了很多。
在本设计中，我们只需要显示最后电压的数字值和电压的单位，综合上面各种显示器件的特点：数码管只能显示数字，不能显示单位字符，不符合本设计的要求。而点阵显示器件驱动显示软件程序编写麻烦，占用的引脚相对也较多。也不是理解的显示器件。所以在本设计中，我们考虑用液晶显示器件，虽然12864液晶比1602液晶的功能强，不过在价格方面却贵了好多。而1602液晶也足够满足本设计的需要。因此，在本设计实验我们选择1602液晶显示器件。
5．2 1602液晶的参数资料
示模块的显示器件。以下是1602液晶的各方面我们选择了1602液晶做为本设计的显参数：
1．接口信号说明：
2．基本操作时序：
1.读状态：输入：RS=0，RW=1，E=1。输出：D0-D7为状态字
2.写状态：输入：RS=0，RW=0，D0-D7为指令码，E为高脉冲。输出：无
3.读数据：输入：RS=1，RW=1，E=1。输出：D0-D7为数据。
4.写数据：输入：RS=1，RW=0，D0-D7为数据，E为高脉冲。输出：无3．状态字说明
4．指令的说明。
显示模式设置
显示开/关及光标设置
数据控制：
第六章硬件电路系统模块的设计
6.1过保护电路
通常的数字电压表出于耐压和安全考虑，规定直流最高电压量程为1000V，交流电压最高挡的量程通常限定为750V（有效值）。通常可以采用火花放电器或压敏电阻器作为过压保护。压敏电阻器是电压灵敏电阻器VS（Voltage-Sensitive Resistor）的简称，属于一种新型过压保护元件。压敏电路器是由氧化锌（ZnO）为主要材料制成的金属氧化物半导体陶瓷元件，其电阻值可随端电压的不同而变化。压敏电阻器的工作范围很宽（6～3000V，有多种规格），对电压脉冲响应快（响应时间仅为几至几十钠秒），耐冲击电流能力强，通流量（通流量表示在规定时间8/20μs 之内，允许通过脉冲电流的最大值，其中，脉冲电流从90%VP 到VP 的时间为8μs，峰值持续时间为20μs）指标可达100A～20KA，漏电流小（低于几至几十微安），工作稳定可靠。其电阻温度系数小于0.05%/℃。压敏电阻器伏安特性如图3-1（a）所示。其伏安特性具有对称性，在正、反向伏安特性
中能起到稳压作用，元件本身没有极性，因为它还可作为小电流（小于1mA）的双向限幅器或稳压管。图中的V1mA、V1mA′分别表示通过1mA、-1mA 直流电流时的耐压值。
图3-1 压敏电阻及其构成的保护电路
用压敏电阻器构成的电压挡过压保护电路如图3-1（b）所示。它直接接在分
压器件前面，不需要加限流电阻。压敏电阻器的标称电压值应根据实际电路需求来确定，本文采用850 规格的压敏电阻器作为其保护电路。
6.2 电压信号采样
电压测量部分电路如图3-2 所示。该电路是以200mV 作为基本量程，共设5 挡：200mV、2V、20V、200V、1000V。图中，R1～R5 为分压电阻，均采用误差较小的精密金属膜电阻（相对误差为±0.5%），五个电阻的总和为10Ω
M。在实际应用中，由于高阻值的精密电阻难以购到，R1（9 ΜΩ）可由两只标称值为4.5Ω
M的配对电阻串联而成，而分压电阻R5（1Ω
M）可由900Ω和100Ω电阻串联而成。
图3-2 直流电压测量电路
实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定
Ω=++++=M R R R R R 10R 54321总 (3-1)
再计算1000V 挡的电阻
Ω==k 1R 0001.05总R (3-2)
再逐挡计算4R 、3R 、2R 、1R 。
尽管上述最高量程挡的理论量程是2000V ，但通常的数字电压表出于耐压和 安全考虑，规定最高电压量程为1000V 。显然，此挡满量程时，输出电压为1000V 乘以0.0001 等于0.1V 。即100mV ，同理可以算出量程为200V 挡的分压系数等于0.001，满量程时输出电压为0.2V ，即200mV 。20V 、2V 、200mV 挡的分压系数为0.01、0.1 和1。总之，通过分压电路，使被测电压一律减至200mV 以下， 之后再放大10 倍送给V/F 转换电路进行电压频率变换后送入单片机处理和显示。
6.3 自动量程切换接口电路
6.3.1 基本原理
自动量程切换接口由10 倍放大器电路、欠量程识别电路、换程控制电路组 成，结构框图如图3-6 所示。
图3-6 自动量程切换接口方框图
电路工作原理如下：当电路上电后，换程控制电路自动将量程设置为最高挡，即衰减为0.0001，然后欠量程识别电路对放大后的输出Uo 进行判断。判断标准
是以和它相配的A/D 转换器的输入上限作为其上限阀值Umax，以9%Umax 作为其下限阀值Umin，Uo 6.3.2 10倍放大器电路 通常，检测信号的放大采用集成运算放大器。运算放大器可以实现模拟信号的加、减、微分、积分等运算。运算放大器电压增益高，输入阻抗大，输出阻抗小，根据负反馈电路的接法，可以实现反相运算、同相运算和差动运算等。由于经传感器变换后的模拟电压信号有时是很微弱的微伏级信号，而一般的通用放大器都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，显然是不能用于放大微弱信号的。因此在设计中要采用高精度运算放大器或测量放大器。 OP07 高精度运算放大器，它具有极低的失调电压(10μV)和偏置电(0.7nA)，温漂系数为0.2μV/℃，长期稳定性能指标为0.2μV /每月。ADOP-07 具有较高的共模输入范围（±14V），共模抑制比CMRR=126dB 以及极宽的供电电源范围（从±3V～±18V）。10倍放大器电路如图3-7所示。利用运算放大器OP07，可以把0～200mV的电压放大到0～2.000V。如果把它应用在基本量程为200mV的数字电压表上就相当于把分辨力提高了10倍。 图3-7 10倍放大器电路 6.3.3 欠量程识别电路 因为初始电压量程设置为最高挡，因此只需要欠量程信号比较即可调节量程。欠量程识别电路的原理示意图如图3-8 所示。该电路采用LM339 中的一只运放构成下限阀值比较器，当Uo 小于Umin 时，LM339 输出低电平，表示欠量程信号UR；当Uo 大于Umin 时，LM339 输出高电平RR，表示量程合适。将量程信号送给单片机P1.3 进行高低电平判断，进而输出换程信号送给换程电路。 图3-8 电压比较电路 6.3.4 换程控制电路 (1) CD4051 多路开关简介 CD4051 是一个双向8 通道多路开关，它有3 个二进制控制输入端A、B、C 和一个禁止输入端，并由3 位二进制信号来选择8 个通道中的一个通道。当INH 为“1”时，通道断开，禁止模拟量输入；当INH 为“0"，通道接通，允许模拟量输入。其工作原理如图3-9 所示。 图3-9 CD4051 原理图 图中，逻辑电平转换单元完成CMOS 到TTL 的电平转换，因此这种多路开关输入电平范围广，数字量输入为3～15 V，模拟量可达15V，这也是为什么将初始量程设置为最高挡的原因。二进制译码器用来对选择输入端A、B、C 的状态进行译码，并控制开关电路TG，使某一路开关接通，从而使输入/输出通道相连。表3-1 是CD4051 的真值表。 表3-1 CD4051 的真值表 （2）换程电路 换程控制电路的原理示意图如图3-10 所示。该电路由分压电路、多路模拟开关和单片机I/O口组成。其作用是按输入条件信号（欠量程信号、原量程信号）送给单片机P1.3 进行判断，然后由单片机P1.0、P1.1、P1.2 输出量程控制信号送入模拟开关CD4051(1)的A、B、C口选择相应通路选通，其满足下面要求的量程信号An、B B n、Cn：①有几挡量程，就有几种对应的不同量程信号。在任何时刻，都不允许有1 个以上量程同时有效；②欠量程时，量程信号应由高到低变化，已在最低量程时仍欠量程，则维持最低量程不变化；③量程合适时，维持原量程不变；④每挡量程都能达到并保持；⑤当量程为最低挡时仍欠量程，则维持原量程不变化；⑥电路上电时，量程信号从最高挡起步。 图3-10 换程控制电路 图3-10 所示电路的逻辑真值表见表3-2 所列。从真值表可以看出，该电路实现了上述设计要求。而上电时电路的量程起步则由单片机P1.0、P1.1、P1.2 口解决，即初始设置为P1.2=1、P1.1=0、P1.0=0，选通CD4051(1)开关的4#通路。 表3-2 换程电路真值表 6.3.5 应用电路 自动切换接口电路如图3-11 所示。考虑到量程挡位因素，我们将欠量程识别电路的基准电压值取0.18V。其思路是初始时，根据电压信号类型手动选择交 直流挡并且由单片机设置CD4051（1）模拟开关CBA 为100，即最高挡，此时测量电压信号Ui 通过分压电路后输出为原来0.0001 倍。如果是测量直流电压则直接对其由OP07 组成的电路放大10 倍后送入量程识别电路进行判断，否则先对衰减信号进行放大、隔直、整流、滤波，然后对输出的直流电压信号再进行直流挡的步骤。当电压比较器输出电平为1 时，量程合适，反之输出为0 时，则为欠量程，由单片机输出量程控制信号使量程降一挡并再进行比较直至量程合适；同时输出电平给CD4051（2）的INH 脚，控制它的有效性，当电平为0 时，模拟开关有效进而使电压进入V/F 转换电路进行压频转换和单片机数据采集。 6.4 A/D转换电路 6.4.1 V/F转换原理介绍 V/F 式A/D 转换器的核心部件是电压-频率变换器(V/F)。它是把待转换的模拟电压Vi 先变换成脉冲信号，该脉冲信号的重复频率与信号幅值成正比；然后在一段标准时间内用计数器累积所产生的脉冲数，从而实现A/D 转换。这就是电压-频率-数字变换原理，它具有转换精度高，抗干扰能力强。 V/F转换器的典型电路由图3-12所示。该电路由积分器、比较器、恒流源、单脉冲发生器和模拟开关组成。 图3-11 自动切换接口电路 图3-12 V/F 转换原理图 转换开始时，开关K 断开，Vi 单独作用于积分器。输出负斜波电压Vo 。当Vo≤VR ，比较器输出一个负脉冲，触发单脉冲发生器产生一个宽度为T2的控制脉冲，该信号使K 闭合，将恒流源与积分器的A 点接通。因为在设计上保证在数值上Io>Ii ，而Ii=Vi/R ，且两者极性相反，所以Vo 波形开始回扫，经过T2时间，单脉冲发生器恢复原态，K 又断开，积分器又在Ii 作用下输出负斜波。上述过程周而复始进行，在比较器的的输出端得到一系列的负脉冲。设Ii 在时间T1 内注入积分器的电荷Q1 ，Ii 和Io 共同作用的时间为T2，他们注入相加点A 的电荷为Q2，则可列Q 出如下方程： dt I Q T ?=1 11 (3-8) dt I I Q T ? --=2 102)( (3-9) 因为021 =+Q Q ，所以 dt R V I dt R V T i T i ?? -=21 000 )( (3-10) dt I dt V R T T i ??=+22 100T 0 1 (3-11) 当i V 、0I 和C 、R 均为恒定值时，则有 2021)(1 T I V T T R i =+ (3-12) 2 02101RT I V T T f i = += (3-13) 2 01RT I K = (3-14) i KV f =0 (3-15) 上式是根据电荷平衡原理得到的脉冲频率0f 和输入信号Vi 之间的线性关系。 V/F 转换器只是整个V/F 式ADC 的核心部分，为了实现A/D 转换，还需要 增加时基电路，以便把脉冲串变化为十进制或BCD 码的数字量。图3-13 给出了 完整的V/F 式ADC 的原理框图。 图3-13 V/F 式ADC 原理框图 下面的小节以课题中采用的LM331 为例，具体介绍V/F 式ADC 电路的工 作原理。 6.4.2 LM331芯片介绍 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、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽，可达100dB ；线性度好，最大非线性失真小于0.001%，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。 LM331 的内部电路组成如图3-14(粗线内)所示。由输入比较器、定时比较器，R-S 触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、