第一题 直流数字电压表.doc

第一题 直流数字电压表一、 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。二、 设计内容及要求1) 设计直流数字电压表；2) 直流电压测量范围：0V1.999V，0V19.99V，0V199.9V。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。三、 工作原理及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QS=0时，积分器对取样电压做定时积分；当QS=1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J QC1K R Q0 Q1 Qn-1 C CP n位二进制R 计数器+AC&CPS-VREFLSBMSBD0D1Dn-10RCS1S2OtQSOtSOtQST1T2OtS1选S1选-VREF计数进位回0时刻图3双积分ADC工作波形1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（S=0），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（S=1），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C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS=1，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T1=2nTCP是确定不变的。积分器输出电压为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。2定压积分在定时积分期间，当计数器的进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零和JK触发器QS=1，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。定压积分的工作波形如图11.3.9所示。当时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果B Z（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，在计数器停止计数时刻，积分器输出电压为0，即所以定压积分时间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。故上式应修正为双积分ADC的单位模拟电压LSB为四、双积分模数转换器件ICL7107实现双积分模数转换的电路原理如图4所示。模数转换过程分3个阶段，如图5。自动0校准（保证积分器输出为零），定时积分（信号积分），定压积分（反向积分）。数字和逻辑控制见图5。通过外节电阻电容产生周期时钟信号，在其16000脉冲周期完成一次模数转换。图4 模数转换原理图5 数字和逻辑控制 图6 ICL7107 引脚图集成双积分模数转换器ICL7107的引脚如图6所示。器件的输入电压范围是0VVref，Vref是基准电压（2V），从IN HI 和IN LO引脚输入。输出数字量直接驱动4个共阳极LED数码管。千位数码管段信号：AB4和负POL。百位数码管段信号：A3G3。十位数码管段信号：A2G2。个位数码管段信号：A1G1。五、ICL7107 直流电压表电路如图7所示。直流输入电压范围是0V2V。增加测量电路和量程转换电路即可实现本课题要求。ICL7107设计信息见图8 。图7 ICL7107 直流电压表图8 ICL7107 的设计信息六、测量电路图9 测量电路六、参考文献1) 中国集成电路大全编写委员会编，中国集成电路大全TTL集成电路。北京：国防工业出版社，1985。2) 【美】D.H.Sheinggold编著，模数转换技术，南京：江苏科学出版社，1982.3) 彭介华编著， 电子技术课程设计指导，北京:高等教育出版社 ， 1996 年 。4) 高吉祥主编，电子技术基础实验与课程设计，北京：电子工业出版社，2005年5)