四位半数字电压表(长春大学王实老师版).doc

装订线长 春 大 学 数字电压表数字电压表摘要数字电压表是以ICL7135芯片为核心，辅以74LS74、74HC04、ICM7556等芯片设计而成的。主要由测量部分、显示部分、脉冲部分、供电部分四个部分组成。测量部分是通过4位半双积分式A/D转换器ICL7135芯片实现。ICL7135对模拟电压进行A/D转换，输出BCD码，并自动输出极性判断信号，同时ICL7135用动态扫描传送数据使数码管亮灭的时间间隔短，保证了测量结果的稳定显示。74LS47和共阳数码管是显示部分，74LS74译码器接收ICL135的BCD码译码成控制信号去点亮数码管，从而显示出所测的模拟电压值。用ICM7556配上合适的电阻电容组成多谐振荡器作为脉冲部分产生标准的137KHz频率提供ICL7135工作时针信号。外接+5V和74HC04产生的-5V是供电部分给整个电路供电。整个设计利用反相器与555结合产生-5V给ICL7135供电降低了电路的供电要求。选用ICL7135使显示变得简单而又稳定。关键词 ICL7135 74LS47 ICM7556 DIGITAL VOLTMETERAbstract digital voltmeterbased on ICL7135chip as the core,supplemented with 74LS74, 74HC04, ICM7556 and other chips designed. Is mainly composed of measuring part, display part, pulse part, part of the power supply.Measuringt part is through four half A/D converter ICL7135 chip. ICL7135 to simulate A/D conversion voltage output, and automatic BCD output signal, and ICL7135 polarity judgment with dynamic scanning GuanLiang digital data transmission to destroy the time interval is short, guarantee the stability of measurement results. 74LS47 and Yang digital display 74LS74 part, is receiving the decoder ICL135 BCD decoding into the control signal to light, which showed that the simulation test voltage values. ICM7556 with matching appropriate resistance composed many harmonic oscillator as capacitance have standard 137KHz pulse frequency signal. ICL7135 provide working hour External + 5V and 74HC04 produces - for the part is 5V circuit power supply. The whole design using inverter and combined to produce 555-5V circuit ICL7135 power supply decreased. ICL7135 choose to display become simple and stable.Key words 74LS47 ICL7135 ICM7556iii目 录第1章 绪论11.1 数字电压表11.1.1 数字电压表的特点11.2 主要任务31.3 设计内容及要求31.4 设计目的4第2章 数字电压表基本组成原理52.1 数字电压表基本原理及系统框图52.2 LED及四位半AD转换器ICL7135的功能简介62.2.1 四位半AD转换器ICL7135的功能简介62.2.2 ICL7135的原理62.2.3 ICL7135主要特点62.2.4 ICL7135的管脚说明72.3 ICM7556管脚说明92.4 74HC04功能简介102.4.1 74HC04管脚说明112.5 74LS47译码器简介112.5.1 74LS47的管脚分布和说明112.5.2 74LS47原理122.6并行BCD码的输出132.7输入滤波电路及负电源组成原理13第3章 电路调试要点及测试方法14 3.1 调试要点及测试方法14第4章 总结与展望16致 谢17参考文献18i装订线长 春 大 学 数字电压表第1章 绪论 1.1 数字电压表数字电压表(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。且数字电压表精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，集成方便,读数方便。目前由各种A/D转换器构成的数字电压表,已被广泛应用于电子及电工测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测试领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到站新水平。1.1.1 数字电压表的特点(1)显示清晰直观，读数准确传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号、为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种数字/模拟条图仪表业已问世。模拟图条（Anal of Bargraph）有双重含义：第一，被测量为模拟量；第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM与模拟电压表之优点。智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和打印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。(2)显示位数显示位数通常为3位、3位、3/位、4位、4位、5位、6位、7位、8位共9种。判定数字仪表的位数有两条原则：能显示09所有数字的位是整数位；分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高数字作分母。例如，某数字仪表的最大显示值为1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为3位，读作三位半。 (3)准确度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。(4)分辨率高数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。例如3位DVM的分辨率为1/19990.05。需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。从测量角度看，分辨力是虚指标（与测量误差无关），准确度才是实指标（代表测量误差的大小）。(5)测量范围宽 多量程DVM一般可测量01000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。(6)扩展能力强在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。(7)测量速度快数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是次/S。它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。(8)输入阻抗高数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为 10M10000M，最高可达1T。(9)集成度高，微功耗新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。(10)抗干扰能力强5位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80120dB。高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。1.1.2 数字电压表的发展趋势采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。 (1)模块化的发展方向新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMD）将获得普遍应用。这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（SMIC）和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。 (2)多重显示仪表为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，数字/模拟条图双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。模拟条图大致分成三类：液晶（LCD）条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适于电池供电的小型化仪表。等离子体（PDP）光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大。LED光柱，它是由多只发光二极管排列而成。这种显示器的亮度高，成本低，但象素尺寸较大，功耗高，驱动电路复杂。(3)安全性仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准（例如美国UL认证，欧洲GS认证，ISO9001国际标准质量认证）；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警告指示。仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。以DMM为例，常见的误操作是用电流档或电阻档去测量电压。 (4)操作简单化本次课程设计我们仅选数字电压表中的数字电压表来进行设计。1.2 主要任务（1）将四位半的数字电压表的元件焊在电板上，并进行调试，将四位半电压表显示与主机的电压表显示接近（误差要小，最好接近）。（2）了解各元件的作用，熟悉其用法。 （3）了解四位半数字电压表在生活中实际运用。1.3 设计内容及要求(1) 测量范围是-1.9999+1.9999 V(2) 有自动调零的功能（5位全显示0）(3) 在正常范围内允许有+/-1个自号跳动。(4) 组装并调试四位半数字电压表。(5) 画出数字电压表电路原理图与元器件布置图，写出设计说明书。1.4 设计目的(1) 理论与实践相结合设计四位半数字电压表。(2) 掌握四位半数字电压表的设计原理、组装、焊接与调试方法。(3) 了解，掌握，并能独立调式设计四位半数字电压表。以及各组成元件的使用和原理。(4) 熟练使用万用表的各个功能。第2章 数字电压表基本组成原理2.1 数字电压表基本原理及系统框图数字电压表的基本原理：数字电压表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。图2-1 数字电压表系统框图2.2 LED及四位半AD转换器ICL7135的功能简介LED，英文单词的缩写，主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；LED = Large Electronic Display，大型电子展示；LED = Lupus erythematosus disseminatus，播散性红斑狼疮，一种慢性、特发性自身免疫病；led是lead的过去式和过去分词，意为“领导，带领”；俄罗斯Pulkovo机场的IATA代码。本词条主要介绍发光二极管。 2.2.1 四位半AD转换器ICL7135的功能简介ICI7135是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲).故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量.图2-2给出了ICL7135时序,由图可见,当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。图2-2 ICL7135时序2.2.2 ICL7135的原理数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。7135一次A/D转换周期分为四个阶段：1、自动调零（AZ）；2、被测电压积分（INT）；3、基准电压反积分（DE）；4、积分回零（ZI）。具体内部转换过程这里不做祥解，主要介绍引脚的使用。2.2.3 ICL7135主要特点1 在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作。2 在2000字（2V满量程）范围内，保证转换精度1字。3 具有自动极性转换功能。4 输出电流典型值1PA。5所有输出端和TTL电路相容。6有过量程（OR)和欠量程（UR)标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。 7 输出为动态扫描BCD码。8 对外提供六个输入,输出控制信号(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于数字电压表外,还能与异步接收 /发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。9采用28外引线双列直插式封装，外引线功能端排列如图所示。2.2.4 ICL7135的管脚说明ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图2-3所示 图2-3 ICL7135芯片引脚V- （1脚）负电源端REFERENCE （2脚）外接基准电压输入端ANALOG COMMON（三脚）模拟地INT（4脚）积分器输出，外接积分电容（Cint)端AZ（5脚）外接调零电容（Caz)端BUFF（6脚）缓冲器输出，外接积分电阻（Rint)端REFCAP+(8脚)外接基准电压电容（Cr)端INLO（9脚）被测电压低输入端INHI（10脚）被测电压高输入端V+（11脚）正电源端D5、D4、D3、D2、D1（12，17，18，19，20脚）位扫描选通信号输出端，每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号，脉冲宽度为200个时钟周期，其中D5对应万位选通，以下依次为千、百、十、个位。在正常输入情况下，D5- D1输出连续脉冲。当输入电压过量程时，D5-D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。利用这个特性，可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象. B8、B4、B2、B1（16，15，14，13脚）BCD码输出端，该四端为转换结果BCD码输出，采用动态扫描输出方式，即当位选信号D5=“1”时，该四端的信号为万位数的内容，D4=“1”时为千位数内容，其余依次类推。在个、十、百、千四位数的内容输出时，BCD码范围为0000-1001，对于万位数只有0和1两种状态，所以其输出的BCD码为“0000”和 “0001”。当输入电压过量程时，各位数输出全部为零，这一点在使用时应注意。 BUSY（21脚）指示积分器处于积分状态的标志信号输出端，在双积分阶段（INT+DE），BUSY为高电平，其余时为低电平。因此利用BUSY功能，可以实现A/D转换结果的远距离双线传送，其还原方法是将BUSY和CLK“与”后来计数器，再减去10001就可得到原来的转换结果。CLK(22脚)时钟信号输入端，POL（23脚）极性输出端，当输入电压为正，则POL等于“1”，反之则等于“0”。DGNG（24脚）数字电路接地端R/H（25脚）转换/保持控制信号输入端，当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，7135处于连续转换状态，每40002个时钟周期完成一次A/D转换。若R/H由“1”变“0”，则 7135在完成本次A/D转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入电压变化的影响。因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。若把 R/H端用作启动功能时，只要在该端输入一个正脉冲（宽度300NS），转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。注意：第一次转换周期中的AZ阶段时间为9001-10001个时钟脉冲，这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。ST(26脚）选通信号输出端，主要用作外部寄存器存放转换结果的选通控制信号，每次A/D转换周期结束后，ST端都输出5个负脉冲，其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间，ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期，第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期产生。因为每个选信号（D5-D1）的正脉冲宽度为200个时钟周期（*只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期），所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。需要注意的是，若上一周期为保持状态（R/H=“0”）则 ST无脉冲信号输出。ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处理器进行传送。OR（27脚）过量程信号输出端当输入电压超出量程范围（20000），OR将会变高。该信号在BUSY信号结束时变高。在DE阶段开始时变低。UR（28脚）欠量程信号输出端。在电路内部，CLK和R/H两个输入端上分别设置了非门和场效应管的输入电路，以保证该两端在悬空时为高电平。2.3 ICM7556管脚说明 ICM7556为14脚时基集成电路（如图2-4所示），各脚主要功能如下（集成块图在下面）1地 GND 2触发3输出 4复位5控制电压 6门限(阈值）7放电 8电源电压Vcc。 图2-4 ICM7556的管脚在设计中通过管脚1和6连接7放电脚，构成多谐振荡器，集成电路外接电阻R5，R6和电容C5，由它们三个决定工作频率，可得出f=137KH,从而为A/D转换提供时钟信号。 接通电源以后Vcc通过R5,R6对电容进行充电，电路进入暂稳态过程，VC电位不断提高，当VC大于等于2/3Vcc时，比较器输出低电平，通过与非门后为高电平，电路发生一次翻转，当TD三极管导通，电容开始放电，当VC小于等于1/3Vcc时，比较器输出为高电平，与非门输出低电平，电路发生下一次翻转，重复过程的充放电过程，从而形成多谐振荡器，输出连续的时钟脉冲信号。2.4 74HC04功能简介74HC04采用COMS工艺，74HC04是CMOS 6反向器数字元件。其突出优点是可在26V电压下工作，既有电源范围宽的特点，并且很适合在低压下工作，不像4000系列CMOS电路。虽可用于315V电源，但在5V以下的输出能力已大为减弱。既有静态功耗低。74HC04的内部结构及引脚图如图2-5。图2-5 74HC04内部功能图2.4.1 74HC04管脚说明图2-6 74HC04管脚分布1A-6A为输入端。1Y-6Y为输出端。2.5 74LS47译码器简介74hc47/74ls47/54LS47为10线4线优先编码器，共有54/74147和54/74LS147两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：147将9条数据线（19）进行4线BCD编码，即对最高位数据线进行译码。当19均为高电平时，编码输出（ABCD）为十进制零。故不需单设/IN0输入端。2.5.1 74LS47的管脚分布和说明图2-7 74LS47的管脚分布 (1)：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。=0时。不论和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。 (3) ：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在=0作用下，使译码器输出全1。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。 (4) ：灭零输出，它和灭灯输入共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。2.5.2 74LS47原理它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表2-1列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。 表2-1 74LS47的真值表输入输出显示字型 D C B A 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 18无无1 1 1 0 0 0 01 1 0 0 0 11 1 0 0 1 01 1 0 0 1 11 1 0 1 0 01 1 0 1 0 11 1 0 1 1 01 1 0 1 1 11 1 1 0 0 01 1 1 0 0 11 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 10 1 0 0 1 0 00 1 1 0 0 0 00 0 1 1 0 1 00 0 1 0 0 1 00 0 0 0 0 1 01 1 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 001234567891 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 10 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1无效输 入2.6并行BCD码的输出ICL7135是动态扫描传送的，由最高位（万位）到最低位（个位），D5D1在正常的情况下扫描是按顺序的。ICL7135极性输出端POL外接9012接在显示器高位上，当输入为正时，POL极性输出高电平，9012截止为0，LED的G端为0，输出不显示，极性为0；反之，当POL极性输出低电平时，9012导通，LED的G端为1，点亮G，输出为负。 第3章 电路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，波形和频率是否正常。（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。 （8）选择不同范围的电压值，检查各量程是否准确。第4章 总结与展望两周的电工实习即将结束了，经历了之前的查阅资料，再到自己亲自动手焊电路板，在这过程中，我学到了很多在课本上学