直流数字电压表课程设计报告设计

电子技术基础课程设计题目名称直流数字电压表指导教师唐治德学生班级学号学生姓名评语成绩重庆大学电气工程学院2015年7月3日目录一、内容摘要二课程设计任务与要求21设计目的22设计求三设计思路和方案选择31设计思路32方案选择四工作原理41基本原理框图42ICL7107的工作原理43原理图五电路设计与仿真六、系统调试与结果分析61调试方法62测试结果分析六元器件清单八、总结及心得体会九、参考文献内容摘要伴随着电子技术科学的发展，电子测量技术已成为广大电子技术工作者必须掌握的一门科学技术，同时对测量的精度和功能的有着更高的要求。电压是电子测量的一个主要参数，由于电压测量在电子测量中的普遍性与重要性，因此对电压测量的研究与设计有着非常重要的意义。本次设计的主要设计内容为三档直流电压表。在设计过程中由于第一次接触这种芯片，对该芯片不是很熟悉，我们参阅了大量前人的设计，在此基础上，运用A/D转换器ICL7107构建了一个直流数字电压表。本设计首先简要介绍了设计电压表的主要方式，然后详细介绍了直流数字电压表的设计流程和芯片的工作原理，本设计中我们展示了两种方案，手动换挡的自动换挡，在各方案中也给出了两种方案的优缺点。同时也给出了硬件电路的设计细节，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。关键字ICL7107芯片，数字电压表，AD转换，比较器，CC4006双向模拟开关。课程设计任务及要求21设计目的1、掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A/D转换器件的设计方法2、掌握常用数字集成电路的功能和使用22设计要求1设计直流数字电压表2直流电压测量范围0V1999V，0V1999V，0V1999V。3直流输入电阻大于100K。4画出完整的设计电路图,写出总结报告。5选做内容自动量程转换。设计思路和方案选择31设计思路根据设计要求和功能，我们考虑了多种可行性方案。但是在设计过程中，小数点的点亮电路的设计遇到了很大的麻烦。方案1主要器件由芯片ICL7107和共阳极半导体数码管LED，其中换挡电路用的是分压原理，将电阻串联起来，不同的电阻端就是不同的档位。小数点的点亮是直接吧小数点端直接接一个数字地，然后用三个开关分别来控制换挡时小数点的亮灭。该方案特点该方案小数点电路用的时直接接数字地的方法利用开关控制，换挡时也是通过手动控制来完成，这种方案电路简单、清楚易懂，同时测量的误差也很小，结果比较准确，但是电路实现起来比较复杂，开关过于繁琐，测量电路时不太方便。方案2考虑到直接使用直接吧小数点端链接到数字地上，使用开关来控制换挡时点亮小数点这种方案开关过多、换挡是过与繁琐。在主要元器件没有变的前提下，采用比较器来从换挡端取信号比较后接到共阳极数码管的小数点端。但是该方案开始时，测量的电压误差明显的增大，又通过一系列的调整和修改，最终通过参数的修改调整将测量误差控制在理想范围内。该方案特点该方案测量时比上一个方便多了，小数点电路不用单独控制，实现了小数点根据档位的要求自动点亮，测量误差也比较小。当最终没有实现测量电路的自动换挡，要通过手动拨换档位。方案三选用了LM324运放和CC4066传输门，在通过方案二的修改后，小数点的问题基本解决了，想通过进一步的改善实现自动换挡。电路能根据测量电压大小的不同，自动选择量程，点亮不同挡位时的小数点。其中换挡电路是通过COMS传输门和比较器来实现的，先通过比较器比较输出接到传输门的C端，当输出为高电平时传输门CC4066导通。该方案特点该方案很大程度提升了测量的方便性，实现了测量的自动化。自动换挡，不用人工去拨动开关。但该方案中，经过我们的反复调试和修改后，比起前两个方案这个方案的测量结果有点偏大。这次课程设计中我们吧方案二和方案三都做了，两个方案都展示了。工作原理41工作原理1）、基本原理框图直流数字电压表测量电路、双积分模数转换电路电路、数码显示电路和量程转换电路组成，原理框图如图1所示。测量电路双积分模数转换数码显示图1直流数字电压表原理框图UI量程转换UI1测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。双积分模数转换器（ADC）是间接型ADC。它将取样电压转换为与之成正比的时间宽度，在此期间允许计数器对周期脉冲进行计数。计数器的二进制数就是取样电压对应的数字量。图2是双积分ADC的电路原理图。电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS0时，积分器对取样电压做定时积分；当QS1时，积分器对基准电压VREF做定压积分。与VREF电压极性相反，这里设取样电压为正，则VREF为负。图2双积分ADC电路原理图JQC1KRQ0Q1QN1CCPN位二进制R计数器ACCPSVREFINTVLSBMSBD0D1DN10RCS1S2OTOVQSOTSOTQST1T2OTS1选IVS1选VREFCV计数进位回0时刻图3双积分ADC工作波形2、定时积分在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。启动信号S输入负窄脉冲（S0），使计数器、JK触发器QS清零，开关S1选择取样电压作积分器输入。同时开关S2闭合，使积分电容放电，0。负脉冲消失后（S1），开关S2断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降，比较器输出逻辑1。允许N位二进制计数器对周期脉冲CP计数。当进位C1时，下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS1，定时积分结束，定压积分开始。取启动信号S的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CP的周期为TCP。则对取样电压的积分时间T1为T12NTCP是确定不变的。积分器输出电压为TSIOSIOTRCVDNVRCTV001积分器输出电压与时间成线性关系，其斜率是负的，与取样电压和积分器的时间常数RC有关。越大，负斜率也越大。定时积分的工作波形如图3所示，图中绘出了2个取样电压的情况。定时积分结束时的积分器输出电压为与取样电压成正比。211SICPNSIOTVRTVT3）、定压积分在定时积分期间，当计数器的进位C1时，下一个CP脉冲使计数器复零和JK触发器QS1，开关S1选择基准电压VREF，积分器开始对基准电压VREF做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从0继续计数。与此同时，积分器输出电压上升2111SICPNTTREFOREFOTVTTVVDVCTV积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。当时，比较器输出逻辑0，计数器0TVO停止计数，并保持计数结果BZ（通常为自然二进制数）。从定压积分开始到计数器刚停止计数（）的时间T2为并且，在计数器停止计0TVOCPZTB2数时刻，积分器输出电压为0，即0221SIPNREFOVTCV所以2SIREFCPNVT定压积分时间T2与取样电压成正比。在此期间，计数器从0开始对周期脉冲CP计数，直到停止并保持计数值BZ。所以2SIREFNCPZTVVTB计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步，导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为21SIREFNZTVVB双积分ADC的单位模拟电压LSB为NREFVLB242ICL7107的工作原理1）、ICL7107的管脚分布V和V分别为电源的正极和负极，A1G1,A2G2,A3G3分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。AB4千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。OSCLOSC3时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定FOSL045/RCCOM模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。TEST测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。REFREF基准电压正负端。CREF外接基准电容端。INT27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件IN和IN模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。CAZ积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAZ。如果应用在200MV满刻度的场合是使用047F，而2V满刻度是0047F。BUF缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。其输出级的无功电流IDLINGCURRENT是100A，而缓冲器与积分器能够供给20A的驱动电流，从此脚接一个RINT至积分电容器，其值在满刻度200MV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。2、工作原理ICL7107内部包含模拟电路和数字电路两部分二者是相互联系的。亦方面由控制逻辑产生控制信号，按定时序将多路模拟开关接通或断开，保证AD转换正常进行，另一方面模拟电路的比较器输出信又控制着数字电路的工作状态和显示结果。下面介绍各部分的工作原理。下面介绍各部分的工作原理。3）、模拟电路模拟电路由双积分式AD转换器构成，电路如图2所示。主要包括28V基准电压。电源、缓冲器（AL）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关的组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和HFE挡提供便利条件这种转换器具有转换准确高度、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点。适合做低速模转换。每个转换周期分为三个阶段进行，自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ到INT到DE到AZ的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为TCP。每个测量周期共需要4000个TCP，其中，正向积分时间固定不变。T11000TCP，仪表显示值，将T11000TCP,UREF1000MV带入上式得。N10UIN、或UIN01N。只要把小数点定在十位上，即可直读结果，满量程时N2000，此时UM2UREF200MV。仪表显示超量程符号“1”。要测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容聚丙烯电容。为了提高仪表抗串模干扰能力，正向积分时间（称采样时间）T1应是工频周期的整数倍，我国采用50HZ交流电网，其周期为20MS,应选T120N（MS）式中，N1,2,3，。例如取N2,4,5时，T140MS、80MS、100MS,能有效地抑制50HZ干扰。这是因为积分过程有取平均的作用，只要干扰电压的平均值就不影响积分器的输出。但N值也不宜过大，以免测量速率太低。4）、数字电路数字电路如图4所示，主要包括8个单元（1）时钟振荡器，（2）频分器；（3）计数器；（4）锁存器；（5）译码器；（6）异或门相应为驱动器；（7）控制逻辑；（8）LCD显示器。时钟振荡器由TC7107内部相反器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。若取R为120千殴，C为100皮法，则F040KHZ。F0经过4分频后得到计数频率，FPC10KHZ,即TCP01MS。此时测量周期T16000T04000TCP04S测量速率为25次每秒。43、4066的工作原理CD4066的引脚功能下图所示。每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHZ。各开关间的串扰很小，典型值为50DB。下图是由4066构成的双向模拟开关，C1时，传输门导通，输出电压为ITGITGLOVKVRVCC4066双向模拟开关TG1模拟开关IVCRLOV43、200MV电压表原理图测量电路小数点驱动电路通过比较器比较输出高低电平控制小数点端（方案二）32141U2ALM3245VGND109841U2CLM3245V12131441U2DLM3245VD110BQ15D210BQ15R130KGND56741U2BLM3245VGNDR10R17与开关SW2,比较器U2A,U2B,U2C和U2D共同组成量程转换控制电路当SW2打到最上端时，输入到U2A同相输入端电压为，其反相输入端电压10为，输出高电平，第三个LED的小数点灭；同样输入到U2B的反相输入端100电压为，其同相输入端参考电压为，输出低电平，第一个LED的小数点1050亮；U2C和U2D构成窗口比较器，URL与URH分别为和，输入端电压10050为测量电压的，故输出高电平，第二个LED的小数点灭。因此，此时的测量10量程为02V。同理，当SW2打向中间时，第一和第三个LED的小数点灭，第二个LED小数点亮，此时实现测量020V电压。当SW2打向最下端时，第一和第二个LED的小数点灭，第三个LED小数点亮，此时实现测量量程为0200V。将传输门CC4066的C端信号通过与非们电路后接到小数点端（方案三）123U2A740456U2B7401098U2C740自动换挡电路（方案三的自动换挡电路）R690KR7180KR8180KR920K32141U3ALM3245V4VX1Y2C13U4A06R186MU4AYU4AXR209MR212MX1Y10C12U4B06R196M56741U3BLM3245V2VBAT1123VR269MR72MX1Y2C13U7A406R296M231U5A7402U3A,U3B,U4A,U4B,R18，R19，R29，U4A,U4B,U5A，U7A共同构成自动量程转换电路它们一起与分压电路作用实现自动量程的转换。当输入测量电压为02V时，比较器U3A输出高电平，驱动模拟开关U4A导通，而比较器U3B输出低电平，模拟开关U4B断开，或非门U5A输出低电平，模拟开关U7A断开，R18，R19，R与（R7R8R9）并联形成等效电阻R1M，故TC7107的31与30号脚间输入电压为，并且由42小数点驱动电路可知，10此时第一个LED的小数点亮，而第二个与第三个LED的小数点灭。当输入测量电压为2V20V时，比较器U3A和U3B都输出低电平，模拟开关U4A和U4B都断开，或非门U5A输出高电平使模拟开关U7A导通，此时R18，R19，R29与R27并联形成等效电阻R1M，故TC7107的31与30号脚间输入电压为，并且由42，此时第二个LED的小数点亮，第一与第三个LED100的小数点灭。当输入测量电压20V200V时，比较器U3A输出低电平，使得模拟开关U4A断开，比较器U3B输出高电平，使得模拟开关U4B导通，而或非门U5A输出低电平，使得模拟开关U7A断开，此时R18，R19，R29与R21并联形成等效电阻R1M，故TC7107的31与30号脚间输入电压为，并且由42，此时第三1000个LED的小数点亮，第一个与第二个LED的小数点灭。电路设计与仿真仿真用的是PROTEUS软件，仿真过程中用TC7107代替ICL7107芯片。数字电压表仿真图方案二的最终仿真总电路图VBUF28CAZ29VIN31VIN30ACOM32VINT27CREF34CREF3V6REF35V1V26D12C3B14A5F16G7E8D29C10B2A12F213G25E4D315B316C24A3F317G2E8AB419POL20GND1OSC140239OSC38TEST37U1TC7107R310KC410PFR4174KR124KC01UFC502UFR51MC2047UFC302UFR247K5V5VGNDVCR690KR790KR890KB1092VR910KR10490KR19KR21K32141U2ALM3245VGND109841U2CLM3245V12131441U2DLM3245VD110BQ015D210BQ015R130KGNDR190KR1590KR1690KR1710K5U1VIN56741U2BLM3245VGNDSW1SWROT3SW2SWROT3方案三的最终仿真总电路图VBUF28CAZ29VIN31VIN30ACOM32VINT27CREF34EF3VR6EF35V1V26D12C3B14A5F16G7E8D29C10B2A12F213G25E4D315B316C24A3F317G2E8AB419POL20GND1OSC140239S38TES37UTC710R310KC410PFR4208KR124KC101UFC502UFR51MC2047UFC302UFR247K5V5VGNDVCR690KR7180KR8180KR920KC52U1VIN32141U3ALM3245V4VX1Y2C13U4A06R186MU4AYU4AXR51R209MR212MX1Y10C12U4B06R196M56741U3BLM3245V2VBAT1123VR269MR72MX1Y2C13U7A406R296M231U5A7402123U2A740456U2B7401098U2C740系统测试与结果分析61调试方法电压测量调试用该表测量一直流电压，再用万用表测量，分别记录电压值。63测试结果分析测试电压输出电压（方案二）输出电压（方案三）0156V0156V01301V1550V1549V1438V1865V1865V1868V测量存在一定的误差的原因可能是分压电阻和模拟开关的导通电阻导致。经过测试方案三的自动切换量程能够实现。元器件清单方案二元器件名称基本参数数量ICL71071LM3244LED数码管共阳极4电容002UF、01UF、022UF、047UF、100PF5电阻47K、24K