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第一章 绪论 1.1 研究背景 数字电压表（DVM）是利用模数转换技术，将被测电压的模拟量转换为数字量，并以数字形式显示出来的一种电压测量仪表。由于其使用方便、测量结果直观得到了越来越广泛地应用。随着技术的进步，数字电压表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。 数字电压表已经能够满足生产生活中的一般需求，但在向智能化方向发展的路程中还有很长一段路要走，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度，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，从而提高计量检定人员的工作效率。 所以数字仪器与计算机相结合的数字电压表将是今后发展的一个重要方向。 因为单片机具有较强的管理功能，采用单片机对测量电路进行管理和控制，可提高系统智能化水平、降低功耗、减少成本，目前已被广泛应用到数字电压表中作为控制核心。同时，由于单片机应用系统的扩展性比较好，在此基础上设计的数字电压表能够添加其他功能模块来实现更多功能。
1.2 国内外研究现状 目前，数字电压表向着多用化，高精度，与计算机新技术相结合的方向发展。随着数字技术的发展，市场上的数字电压表大多都安装有微处理器，可对所测的数据进行加工处理，从而扩展了电压表的功能。如英国 Solatron公司的7065型电压表，装配了功能丰富的微处理器，可进行乘、除法，求极大极小，算偏差，以及统计处理等运算[1]。 传统的指针式电压表采用集成电路来实现 A/D转换，而如今占据市场主流的数字电压表则一般利用A/D芯片来实现 A/D转换，根据A/D转换原理不同可将数字电压表分为并联比较型，逐次比较型和双积分型。由于并联比较型抗干扰能力差，双积分型运算较慢等原因，市面上大多采用逐次比较型设计数字电压表。较典型的如金伟利 [2]采用 8 位逐次比较型 A/D 转换芯片——ADC0809 和单片机AT89C52作为核心部件，制作的电压表电路结构简单，测量误差小，性能可靠，且具有报警功能。 虽然双积分型A/D芯片运算速度较慢，但测量分辨率很高，王海燕 [3]采用由集成运放LM342构成的积分器设计的双积分型电压表，测量分辨率达到 0.01mv，远低于16位A/D芯片AD7715 的 0.1mv测量精度[4]。但该电压表量程较小，仅为0~2V。 除了使用不同原理的A/D 转换芯片，还有以不同主控模块制作的电压表，其功能也有所区别。常见的有使用各种类型的单片机，各种可编程逻辑集成芯片如CPLD/FPGA等作为主控模块。 CPLD 灵活性强，具有系统可编程能力，可以通过软件设计改变其他芯片的功能。高明[5]以可编程逻辑集成电路 CPLD 作为控制核心，以 ADC0809 作为 A/D转换芯片，所设计出的数字电压表具有较强的灵活性，能够实现硬件设计软件化，自由度较高。 总的来说，CPLD 在容量、逻辑功能、运算速度以及可擦除次数等性能方面都要优于单片机，但在时序和延迟方面比较缓慢，所以一般选择由单片机作为主控芯片来设计数字电压表。MSP430 单片机是一款16位单片机，运行速度块，由于其开放性的架构，无论是扩展 8位的功能模块，亦或是16位的，都十分方便。所以采用430单片机设计的数字仪器往往具有功能多样化的特点，例如瞿永前[6]以 MSP430 单片机为控制核心设计的智能数字电压表包含多种功能，能够测量频率、直流电压，能够测量正弦波/三角波/方波的有效值；并且采用数字控制模拟电子开关CD4051，具有量程自动转换功能。 严世胜 [7]用 AT89C51 单片机作核心部件，以 ADC0809 为模数转换芯片设计的直流数字电压表具有测量精度高、电路简单、工作可靠、性能稳定、低成本等特点，具有很好的实用价值。李思嘉[8] 在此基础上使用了P89V51 单片机设计的双积分数字电压表中，添加了量程自动转换模块，分为 2V和 200mv两个量程档，满足了用户的多种需求。 虚拟仪器具有处理速度快，可添加各种算法等功能，在电子测量中也得到越来越多的应用，其中用于数字电压表的设计也很多。如程双江等[9]利用虚拟仪器Labview设计了数字电压表， 用上位机来完成数据处理工作， 该电压表操作简单，界面友好，具有可调性，直观准确，电路精简，能测量交直流电压。 此外，还可使用PC机与单片机结合的方式，即采用 PC机作系统的上位机，利用单片机作为系统的下位机。齐攀[10]等人便使用了类似的设计，采用了 STM32单片机与Labview结合的方式，使得制作的虚拟数字电压表具有对测量数据的存储功能，且分辨率达到了60μV。这样的设计发挥了PC机与单片机各自的优势，实现了微机与单片机的通信源`自'751|.论"文-网[www.751com.cn。 尽管有关数字电压表的产品不断推陈出新，但其在发展中也存在明显的不足，如产品质量参差不齐，而且功能大多比较传统，在抗干扰性能方面也不尽如人意。在精密测量领域，数字电压表也有着很大的发展空间。