数字电压表的文献综述

　　一．前言

　　发展历程

　　数字电能表在1952年由美国NLS公司首次从电位差计的自动化过程中研制成功。50多年来，数字电压表有了不断的进步和提高。数字电能表刚开始是4位显示，然后是5位、6位，而现在发展到7位、8位数码显示；从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器、电子管发展到全晶体管、集成电路、微处理器化；从一台仪器只能测一到两种参数到能测几十种参数的多用型；显示器件也从辉光数码管发展到等离子体管、发光二极管、液晶显示器等。数字电压表的体积和功耗越来越小，重量不断变轻，价格也逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也逐步扩大。

　　数字电能表的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，现在已经广泛应用于电子、电工测量，自动化测试系统等领域。故数字电压表已成为一种必不可少的测量仪器。本设计是基于单片机STM32的数字电能表。硬件电路设计简单，具有读数方便、误差小、稳定性高等特点，具有较高应用价值，特别适合平常简单的测量。采用智能化的数字仪器将是必然的趋势，它们不仅能提高测量准确度，而且能提高电测量技术的自动化程序，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。从而提高计量检定人员的工作效率。

　　二．正文

　　1.简介

　　数字电能表，是采用数字化的测量技术，将连续的模拟量转换成为离散的数字形式并加以显示的电子测量仪表。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。数字电能表具有以下九大特点：1. 显示清晰直观，读数准确；2. 准确度高；3. 分辨率高；4. 测量范围宽；5. 扩展能力强；6. 测量速率快；7．输入阻抗高；8. 集成度高，微功耗；9. 抗干扰能力强。采用单片机的数字电能表不仅精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可以与PC进行实时通信。数字电能表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。数字电能表的内部核心部件是A/D转换器，转换器的精度影响数字电能表的准确度，本文采用ADC0809对输入模拟信号进行转换，控制核心STM32单片机对转换的结果进行运算和处理后，形成精度较高的数字信号输出到LED数码管进行显示。

　　目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电能表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，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。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量。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，所以数字电能表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电能表就是基于这种需求而发展起来的。

　　2.内容简介

　　本设计是以基于单片机的数字电能表设计为研究内容。首先对数字电能表作详细介绍，接着讲述数字电能表的类型和作用以及一些数字电能表的制作原理和构造，对比一下各种方法制造的电能表，对各种电能表的制作做一个归纳和总结，最后给出自己的方案和准备采用的方法。

　　3.方案选择

　　在本设计中，有方案的多样性特点。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。综合大部分资料文献之后发现，数字电能表一般分为以下几类：

　　方案一：由数字电路及芯片构建。

　　此类数字电能表一般又分为三位半和四位半，即分别有三位完整显示位和四位完整显示位，最高位都只显示0或者1。它由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。

　　方案二：由单片机系统及数字芯片构建

　　这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合构建数字电能表。本系统以STM32单片机为核心控制器，经A／D转换将测得的模拟信号转换为数字信号输人给单片机，经单片机进行信号处理后，形成精度较高的数字信号输出到LED数码管进行显示，并留有一定的接口，供扩展用。该电能表的测量电路主要由三个模块组成：A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D转换主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片STM32来完成，其负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的数码管的显示段码，再通过软件程序将采集到的数据送单片机系统存储并在显示器上显示出来。同时它还通过其三位I/O口产生位选信号，控制数码管的亮灭。另外，STM32还控制着ADC0809的工作。显示模块主要由数码管组成，显示测量到的数值。

　　由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。

　　4.方案比较

　　通过比较，我们会发现：与前一种设计相比，第二类设计有几大突出特点，一是硬件电路与软件系统的互相结合，二者缺一不可，只有在硬件连接无误的基础上，再加以精确的程序才能最终实现设计的成功，这是它的优点也是缺点；二是通过单片机系统，我们还可以在原有的电路上不断补充和改进我们的设计，不仅可以让设计更加完美，而且可以在必要的时候对其升级，比如可以更换芯片、提高其精度等，而第一种则很难，若要更换芯片，则要改变整个电路的设计。由此可见，第二类设计的优势更明显，也更合理。