新疆大学。
课程设计报告。
所属院系： 电气工程学院。
专业。课程名称： 数字电子技术课程设计
设计题目数字电子秤的设计。
班级。学生姓名。
学生学号。指导老师。
完成日期2011.12.24
数字电子秤的设计。
一、 总体方案的选择。
方案一：通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入a/d转换芯片cc7107进行a/d转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，但同能实现较高的精度。
缺点是无法对a/d转换进行控制。
图1.1 方案一方框图。
方案二：通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入a/d转换芯片ad7799进行a/d转换，转换后的数字量输入单片机，有单片机进行数据处理和对a/d转换的控制，再有单片机输出显示信号，通过显示电路进行显示。此方案的优点是可控制性好，电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限。
但要求是用我们所学的数字电路知识，运用简单数字芯片进行设计，单片机需要编写程序进行数据处理。故我们不采用。其电路方框图如图1.
2所示：
图1.2 方案二方框图。
二、 单元电路的设计。
2.1 数据采集系统的组成。
数据采集系统的核心是计算机，他对整个系统进行控制和数据处理，他由采样/保持器，放大器，a/d转换器组成。
图2.1数据采集系统框图。
数据采样保持器：进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即a/d转换的孔径时间。当输入信号频率较高，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差；为了防止误差需在中间加一个功能器件采样/保持器，进行有效、正确的数据采集。
采样/保持器通常由保持电容器、模拟开关和运算放大器组成。其中对于低速场合可以采用继电器作为开关以减小开关漏电流的影响；在高速场合也可以用晶体管、场效应管来作为开关。
采样保持器的原理：如图，当开关闭合时，v1通过限电流电阻向电容c充电，在电容值合理的情况下，v0随vi的变化而变化；当k断开时，由于电容c有一定的容量，此时输出v0保持输入信号再开断开瞬间的电平值。
图2.2采样保持原理图。
在模拟信号输入通道中，是否需要加采样/保持器，取决于模拟信号的变化频率和a/d转换器的孔径时间；对快速过程信号，当最大孔径误差超过允许值时，必须在a/d转换器前加采样/保持器。但如果输入模拟量是直流量或者被测信号模拟量随时间变化非常缓慢，采样/保持（s/h）电路可以省去。本设计不需要加采样保持器。
2.2 电源模块。
本设计只用到电源一种：即+5v.
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.3
图2.3电源方框及波形图。
1、 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压u2变换成脉动电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压u4。
2稳压电路：由于得到的输出电压u4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压u0
图 2.4电源电路图。
电源变压器需要把220v市电变为5v交流电，由公式：
可以算出匝数比为44。
此次设计采用单相桥式整流电路，电路中采用了四个二极管，接成电桥，故称为桥式整流电路。桥式输出电压为。
脉动系数为。
采用电容滤波电路。
采用三端集成稳压器。理由：电路内部包括了串联型的直流稳压电路的各个部分，另外加上了保护电路和启动电路。用滑动变阻器使得输出电压可调。输出电压。
可以算出的变化范围为5.5到60v。其中为w7805的输出电压如上图，有关资料见附录。
调节滑动变阻器使输出为15v
这样就输出了多个直流电压。
2.3金属箔变片全桥电路。
图2.6金属箔变片全桥电路。
r1为保护电阻，r15为差分输入调零端，理论上当r15在中点时，由于接的两个正负电源两边压降相同，使得r1上没有电流流过。但实际上由于干扰等缘故，需要调节r15使r1上的电流为零。
电桥工作原理：当被测量无变化时，电桥输出为零，即电桥平衡，据此选择全桥上的四个电阻相等都为。当电桥电阻发生变化，即称重物使应变片发生形变时，则相应的输出电压为：
其中，为应变片发生形变时的电阻变化。为输入电压值，这里。要实现测量范围为0-500g,称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值。
使用 5mv/v灵敏度和10v激励电压的传感器时，其满度输出电压为50 mv。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为30 mv。
当负载为500g时要使传感器信号能够实现1 g的精度，总共需要500次计数，并显示在lcd显示屏上。1 g的重量转换为电压形式可等效为：30 mv / 500g x1g = 0.
06mv。为了实现1 g的测量精度，adc的lsb电压应取0.06mv/0.
4=0.15mv。
即当放上1g砝码时数码管显示为1g,adc转换的输入电压为0.02v时转换得到00000001，当放上500g砝码时数码显示为500g,adc的输入电压为4.88v时转换得到11110100。
所以需要放大的倍数为。
2.4放大电路。
图2.7差分放大电路。
由于电路结构对称，他们的漂移和失调都有相互抵消的作用。由于对称性，先算。
出u3的输出电压，同理可以算的u2的输出电压，有下式：
则2-9）
则差动放大倍数为。
u4为差分输入比例放大电路，其放大倍数为。
所以总的放大倍数。
经过放大之后uo的变化范围为。
2.5 a/d转换器。
1）双积分adc简介。
间接比较型a/d转换器是先将模拟信号电压变换为相应的某种形式的中间信号，然后再将这个中间信号变换为二进制**输出。双积分式adc就是一种首先将输入的模拟信号变换成与其成正比的时间间隔，然后再在这段时间间隔内对固定频率的时钟脉冲信号进行计数的a/d转换器，所获得的计数值就是正比于输入模拟信号的数字量。
图2.5.1所示为双积分adc原理图，图中s0，s1为模拟开关，控制逻辑包括一个n为计数器，附加触发器fc，模拟开关驱动电路l0，l1及门g1，g2等。
转换开始前，令转换控制信号vs=0计数器和附加触发器均置0，s0闭合，电容器充分放电，v01=0。当vs=1以后，s0断开，a/d转换开始。分下面两个阶段：
1) 通过2次积分将vi转换成相应的时间间隔。转换开始时t=0,s1与vi接通，2) vi通过r对c充电，积分器输出电压负向线性变化，积分器对vi在0～t1时间积分。
当t=t1时，
式中，vi为0～t1时的输入模拟电压的值。
3) 量化编码阶段。利用计数器对已知的时钟脉冲计数至t2，完成a/d转换。从t=t1开始，s1与参考电压—vref接通，通过r对c反向充电，v01逐渐上升，经t2—t1时间间隔，v0=0。
所以 因为vref和t1为定值，所以t2与vi成正比，即将vi变换为与它成正比的时间间隔。
在t2阶段，将cp（周期为tc）送入计数器计数，则
图2.5 双积分adc原理图。
由此可见，计数器计数所获得的数字量正比于输入模拟电压。
2）计数器。
图2.6 计数器。
74ls290计数器介绍。
由双积分a/d装换器转换出的数字脉冲进入ct74ls290计数器中进行计数进位计算其工作原理如下。
当输入第 1 ～9 个脉冲时，百分位片计数；十分位片、个位片、十位片的 cp0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“0”状态不变；
当输入第 10 个脉冲时，百分位片返回计数 “0”状态，其 q3 输出一个下降沿使十位片计数 “1”，因此输出读数为00010000，即计数 “0.10”。
当输入第 11 ～ 19 个脉冲时，仍由百分位片计数，而十分位片保持 “1”不变，即计数为“11 ～ 19”；当输入第 20 个脉冲时，个位片返回计数“0”状态，其 q3 输出一个下降沿使十位片计数“2”，即计数为“0.20”。以后以次类推。
当输入第101～109个脉冲时，十分位片计数；个位片的 cp0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“0”状态不变；
当第110个脉冲时，十分位片返回计数 “0”状态输出一个下降沿使个位片计数 “1”， 因此输出读数为000100000000，即计数“1.00”
当输入第111～119个脉冲时，仍由十分位片计数，而个位片保持 “1”不变，即计数为“111 ～ 119”； 当输入第120 个脉冲时，十分片返回计数“0”状态输出一个下降沿使十位片计数“2”，即计数为“2.00”。以后以次类推。
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