课程设计--位数字电压表.doc

装订线长 春 大 学 课程设计纸位数字电压表摘要 数字电压表(DVM )是将被测的电压模拟量自动转换成开关量，然后进行数字编码、译码，以数字形式显示出来的一种电测仪表,本文所介绍的是采用ICL7135高精度AD转换电路，将模拟量输入电压变换为数字量,通过芯片74LS47译码显示到数码管上，测量范围为直流0 1.9999伏。该电路外接正5v作为电源，用74hc04进行负变，为ICL7135提供-5v电压，并用时钟芯片ICM7556组建了一个产生脉冲的震荡电路，为电路提供时钟信号。关键字 AD转换；译码；时钟信号；数字电压表Four And a Half Digital VoltmeterAbstract Digital voltage meter ( DVM ) is the measured voltage simulation quantity automatically converted to the switch, and then digital encoding, decoding, displayed in digital form out of a measuring instrument, described in this article is the use of ICL7135 high precision AD conversion circuit, the analog input voltage into digital quantity, through the chip 74LS47 decoding display to digital control, the measuring range is 0 1.9999 volts dc. The circuit of external 5V as power source, with 74hc04 were negative, as ICL7135 -5v voltage, and the clock chip ICM7556 formed a pulse oscillating circuit, a clock signal supplying circuit for. Key words AD conversion; decoding; Clock signal ;Digital voltage meterI目 录第1章 前言11.1 数字电压表的特点及发展趋势11.1.1数字电压表的特点11.1.2数字电压表的发展趋势11.2 设计要求及方案选择21.2.1设计要求21.2.2方案选择2第2章 数字电压表单元电路设计42.1 A/D转换单元电路设计42.1.1 A/D转换器ICL7135的功能介绍42.1.2 A/D转换电路设计62.2 时钟产生单元电路设计62.2.1 ICM7556功能介绍62.2.2 ICM7556组成的多谐振荡器72.3.1驱动电路设计82.3.2译码电路设计102.3.3显示电路设计112.4 电源单元电路设计122.4.1正电源电路设计122.4.2负电源电路设计12第3章 调试要点及测试方法143.1 调试要点及测试方法143.2 故障及排除14第4章 设计总结154.1 设计总结154.2 设计心得15参考文献16装订线长 春 大 学 课程设计纸第1章 前言1.1 数字电压表的特点及发展趋势1.1.1数字电压表的特点数字电压表(DVM )是将被测的电压模拟量自动转换成开关量，然后进行数字编码、译码，以数字形式显示出来的一种电测仪表，它具有如下主要特点:(1)准确度高:目前可达到10-6数量级，因此用它代替直读仪表，可大大提高测量精度。(2)灵敏度高:一般可做到10微伏至1微伏，目前已有10-9伏数量级的仪表。(3)输入阻抗高:一般可达1000兆欧以上，而且工作时零电流很小，一般可达10-10安。(4)测量速度快:采样速度一般每秒种为几十次到上万次，甚至可达百万次。(5)读数准确:因是数字显示，所以读数准确，可以消除人为的读数误差。(6)使用方便用途广:开机预热预调后即可使用，可配接打印机自动记数.还可配接相应的转换器，用来测量交流电压、直流电流、电阻和温度等参量。1.1.2数字电压表的发展趋势目前,数字电压表的内部核心部件是A/D转换器,转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度,因而,以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。A/D转换器分成四种计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。 最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器,其中双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高,抗干扰性能好,价格便宜。但是其转换速度慢,因此,这种转换器主要用于速度要求不高的场合。而逐次逼近式A/D转换器转换速度快,但精度相对较差。因此未来的A/D转换器将兼顾精度和速度,成本也会随着集成电路的发展而降低。1.2 设计要求及方案选择1.2.1设计要求(1).测量范围：-1.9999V+1.9999V。(2).测量范围内准确度为1个字。(3).能够自动调零，0V输入时读数为“0000”，最高位自动消隐。(4).超量程显示：正超量程“0000”闪；负超量程“-0000”闪。1.2.2方案选择数字电压表(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。本系统所设计的4 1/2电压表由ICL7135-4 1/2位A/D转换器、三极管9013驱动阵列、74LS47BCD到七段锁存-译码-驱动器、共阳极LED发光管、基准电源、时钟及量程开关电路组成。4 1/2位是指十进制0000019999，只有4位完整显示位，其数字范围为09，而其最高位只能显示0或1，故称为半位。它是按照普通运用电路而组合而成的最基本的数字表头，主要使用了其2.0000的直接测量的功能。电器采用74HC04组成-5V电压产生电路，以及ICL7135需要的时钟信号电路，只需要给表头供电+5V就可以正常使用，小数点选择电路是通过一个NPN型三极管，利用它的驱动源是选择哪一位数码管的位扫描驱动信号来达到对应使用，使该位的小数点点亮的目的。基本质量的快速判别：送入+5V直流稳压电源，屏幕上面应该显示随机数字，用金属短接两个输入端口，屏幕上应该显示“0000”，利用指针万用表的X1电阻档，输入到表头的信号输入端口，屏幕上应该显示电池的数字。交换输入信号的极性，应该有负号出现。经过这样一轮的测试，如果都没有问题，表头就可以准备使用了。校准测量精度：可以使用最简单的方法校准，就是使用一只数字万用表监视着芯片第二引脚的电压，微调多圈电位器，使读数等于1.0000V，然后输入一个信号电压，用数字万用表监视读数是否一致，如果不一致，再仔细微调多圈电位器令其达到一致。共 16 页 第 16 页 第2章 数字电压表单元电路设计2.1 A/D转换单元电路设计2.1.1 A/D转换器ICL7135的功能介绍A/D转换器是数字电压表、数字多用表及测量系统的心脏。ICL7135为全MOS工艺4位半双积分式A/D转换器。在单极性基准电压(VREF+=1V)供给之下,能对双积分极性输入的模拟电压进行A/D转换,并自动输出极性判断信号,它采用了自校零技术,可保证零点在常温下的长期稳定性,零点的温度系数2mv/,模拟输入可以差动信号,输入阻抗极高输入端零点漏电流10PA。ICL7135芯片如图，其功能介绍如下：V-(引脚1)：负电源输入端。极限值-7V，通常取-5VVREF(引脚2)：基准电压输入端。一般取VREF+=1V，其精度和准确度将直接影响转换精度AGND(引脚3)：模拟地INTOUT(引脚4)：积分器输出端AZIN(引脚5)：自调零输入端BUFOUT(引脚6)：缓冲放大器输出端REFCAP+(引脚8)：外接基准电容引脚INLO-(引脚9)：信号输入端(低端)INHI+(引脚10)：信号输出端(高端)V+(引脚11)：正电源输入端。极限值为+6V，通常取+5VD5D1(引脚12、1720)：BCD码数据的位选通信号输出端。分别选通万、千、百、十、个位 B1、B2、B4、B8(引脚1316)：BCD码数据输出端 BUSY(引脚21)：转换状态标志输出端。积分器在积分过程中BUSY输出电平，积分器在反向积分过零后输出低电平(本次设计悬空) CLK(引脚22)：时钟脉冲输入端。工作于双极性 POL(引脚23)：极性输出端。当输入信号为正时，POL极性输出为高电平，输入信号为负时，POL极性输出为低电平 DGND(引脚24)：数字地 RIH-(引脚25)： 启动转换/保持控制端。接高电平时，ICL7135自动连续转换，每隔40002个时钟完成一次A/D转换， 接低电平时，A/D转换结束后保持转换结果，输入一个正脉冲后(大于300ms)，重新启动ICT7135开 始下一次转换 ST-(引脚26)：数据输出选通脉冲输出端。其脉冲宽度为时钟脉冲宽度的一半一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD数据输出端，可利用该信号把数据打入并行接口中供CPU读取，这一点在和机接口时非常重要OVERRANGE(引脚27)：过量程标志输出端。当输入信号读数超过转换器计数范围时，该引脚输出高电平UNDER(引脚28)：欠量程标志输出端。当输入信号读取小于9%或更小时，该端输出高电平2.1.2 A/D转换电路设计2.2 时钟产生单元电路设计2.2.1 ICM7556功能介绍ICM7556是MAXIM公司生产的通过RC双定时器（含有两个7555），能产生精确定时和频率，用于以电池为能源的设备非常合适。该芯片是CMOS型定时器，与双极性定时器（555）相比，最大负载电流小、功耗低，而且输出时几乎不存在短路电流。其主要特征如下10：（1）电源电压范围宽：2V-18V（2）输出时没有短路现象（3）占空比可调（4）THRESHOLD电流、TRIGGER电流、RESET电流低（5）低功耗的COMS型单块集成电路（6）电源电流低（7）电气放电保护（ESDICM7556管脚排列如下：2.2.2 ICM7556组成的多谐振荡器时钟振荡器产生的时钟脉冲的频率直接影响A/D转换器的采样速度和抗干扰的能力。由ICM7556集成定时器构成的振荡电路，易实现抗干扰能力强，其相当于双555定时器构成。多谐振荡器也称为无稳态触发器，多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。由定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（1脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1R2）C。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/32/3）Vcc 之间变化。振荡周期和振荡频率分别为多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段:(1) 暂稳态 I(Otl): 电容 C 充电 , 充电回路为 VDD R1 R2 C 地 , 充电时间常数为 为1=(R1+R2)C, 电容 C 上的电压 uc 随时间 t 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压 uo 稳定在高电平. (2) 自动翻转 I(t=tl): 当电容上的电压 uc 上升到了 VDD 时 , 由于定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态Q由 1 变为 0, 由0变成 1, 输出电压 uo由高电平跳变为低电平 , 电容 C 中止充电.(3) 暂稳态 (t1t2): 由于此刻=1, 因此放电管 V 饱和导通 , 电容 C 放电 , 放电回路为 C R2 放电管 V 地 , 放电时间常数2=R2C( 忽略 V 管的饱和电阻 ), 电容电压 uc 按指数规律下降 , 同时使输出维持在低电平上。(4) 自动翻转(t=t2): 当电容上的电压 uc下降到了 VDD 时 , 由于定时器内 S=1,R=0, 使触发器状态Q由0 变为 1, 由1变成0, 输出电压uo由低电平跳变到高电平 , 电容 C 中止放电.由于=0, 放电管截止 , 电容 C 又开始充电 , 进入暂稳态 I.以后 , 电路重复上述过程 , 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态 , 它们交替变化 , 输出连续的矩形波脉冲信号。2.3 驱动及译码显示单元电路2.3.1驱动电路设计为了使A/D输出能点亮发光数码管，所以中间需要驱动器，用5个NPN型三极管驱动。 5个NPN型三极管分别与ICL7135的D1、D2、D3、D4、D5相连接，控制三极管的导通，对五位数码管进行位选。2.3.2译码电路设计BCD码七段译码驱动器有共阳和共阴两类，型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CC4511（共阴）等。74LS47译码器，它是二十进制译码，转换成七段显示信号。该设计采用74LS47，其管脚排列如图所示：该器件输入信号为BCD码，输出端为OA，OB，OC，OD，OE，OF，OG分别对应的，共7线，令有3条控制线，/。端为测试端。在 端接如高电平的条件下，当=0时，无论输入端A，B，C，D为和值，输出全为低电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。端为清零输入端。=1，=1的条件下，当输入ABCD=0000时，输出全为高电平，可使共阳LED显示熄灭。而且在输入A，B，C，D不全为零时，仍能译码输出，使显示器正常显示。端为消隐输入端。当该位输入的ABCD=0000且=0时，此时输出低电平；若该输入的A，B，C，D不等于零，则输出高电平。若与配合使用，很容易实现多位数码显示时的清零控制。例如对整数部分，将最高位的接地，这样当最高位为零时“清零”，同时该位输出低电平。功能表如表：2.3.3显示电路设计数码显示器是用来显示示数的，用发光二极管组成，亮度较亮，采用共阳极(与74LS47相匹配)。2.4 电源单元电路设计2.4.1正电源电路设计通过外加正5伏学生电源，对各个芯片和器件进行供电,使得电路正常工作。2.4.2负电源电路设计ICL7135所需的“-5V”电源由74HC04的反相器并联为电源逆变电路，以提供其所需要的-5V电压要求。74HC04管脚图如下： 6个与非门并联相当于一个非门，当输入脉冲为高电平时，经过非门反相器输出为低电平，当反相器输出高电平时，形成如图9所示电路，由点a向C6充电至+5V止，这时D2反相截止，当反相器输出低电平时，形成如图10所示回路，点a相当于地，C6上的压降相当于+5V，b点相当于-5V，C点为地，D3截止，D2导通。电流方向edb,输出一个-5V电压，满足一个电源供两种极性的要求，同时，选用稳定电压为3V的标准稳压二极管，并且用一个分压电阻与电位器串联，微调提供基准电压VREF+=1，基准电压的精度和准稳定性将直接影响转换的精度。 电容充电电路 电容放电电路 第3章 调试要点及测试方法3.1 调试要点及测试方法（1）接通电源电压，ICL7135、ICM7556、74HC04、74LS47的电源端与地端之间的电压为+5V，ICL7135的1脚电压为-5V。（2）用示波器观察555多谐振荡器是否起振，测量5脚与地端电压为2.7V左右。（3）采用稳压电源，使其输出电压为199.99mV或1.9999V作模拟量出入信号，调整基准电压的电位器，使LED数码管显示值与输入模拟电压值相等。（4）基准电压测量。将正输入端与短接，读数应为1000.01。（5）检查自动调零功能。将输入端短路，既没有输入信号时，LED显示器应该显示00000。（6）检查超量程溢出功能。调节输入电压值，当超出测量范围时观察LED数码管是否有闪烁警告所用。（7）测试线性误差。将输入模拟电压信号从0V增达到1.9999V，用标准数字电压表监测输出，通过与LED显示值相比较，其最大偏差即为线性误差。3.2 故障及排除焊接完成以后，ICL7135、ICM7556等各芯片的工作电压都正常，只是ICL7135的一脚没有-5V电压。查看电路原理，没有发现有明显错误。之后又通过电压表发现74HC04的6脚和7脚短接，焊点出现问题，所以短路，清除故障后各芯片工作正常。测试电压时，测量值与实际值有出入，没有达到要求，后通过调节基准电压，精准度达到要求。 第4章 设计总结4.1 设计总结 通过此次课程设计，让我对本学期所学到关于数字电路的知识有了更直观的认识，在做课程设计的同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课上的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中我们通过各种途径查找资料了解了很多元件的功能并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。这次课程设计是