简易数字电压表.doc

电子技术基础课程设计题目：简易数字电压表院（系）：计算机与信息工程学院 专业班级： 信息工程 学生姓名： 井明 任兆欢 指导教师： 张波 课程设计（论文）任务设计任务：（1）被测电压范围：0+2V。（2）测量精度：0.5%（误差100mV）。（3）具有过量程闪烁指示。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文）目 录第1章 简易数字电压表设计方案论证11.1 简易数字电压表的应用意义11.2 简易数字电压表设计的要求及技术指标11.3 设计方案论证11.4 总体设计方案框图及分析2第2章 简易数字电压表各单元电路设计22.1 ICL7106的引脚功能22.2 ICL7106的异或非门驱动电路设计42.3 ICL7106基本量程为正负2V的表头的设计42.4 ICL7106小数点与电池符号驱动电路设计52.5 超量程显示报警电路设计62.6 控制逻辑与锁存器在电路中的作用6第3章 简易数字电压表整体电路设计73.1 整体电路图及工作原理73.2 电路参数计算83.3 整体电路性能分析9第4章 设计总结10第1章 简易数字电压表设计方案论证1.1 简易数字电压表的应用意义数字电压表简称DMV，它是采用数字化测量技术设计的电压表。数字电压表的优良特性深受人们的青睐。具体有以下的应用特点：a) 显示清晰直观，读数准确。b) 显示位数。c) 准确度高。d) 分辨率高。e) 测量范围宽。f) 扩展能力强。g) 测量速度快。h) 输入阻抗高。i) 集成度高、微功耗。10、抗干扰能力强1.2 简易数字电压表设计的要求及技术指标设计要求：1 被测电压范围：0到+2V2 测量精度：0.5% （误差100MV3 具有过量程闪烁指示ICL7106的主要技术指标1.3设计方案论证 数字电压表的基本组成部分是A/D变换器+电子计数器。通常，被测直流电压经A/D转换器变为与之成正比的闸门时间，在此闸门时间内计数，用数字显示被测电压值。可见A/D变换器是DVM的核心部件。本课设上采用的是单片A/D转换器（含模拟电路与数字电路）集成在一片芯片上，配以LCD或LED数字器件后能显示A/D转换结果的集成电路。它们均属于大规模的集成电路，能以最简的方式构成DVM。在此采用ICL7106A/D转换器。1.4总体设计方案框图及分析RC滤波器模拟开关缓冲器积分器与比较器控制逻辑RC振荡器分频器分频器LCD显示器相位驱动器七段译码器锁存器计数器 第二章 简易数字电压表各单元电路设计2.1 ICL7106的引脚功能 各引脚的功能如下：U、U分别接电源的正负端。1. COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN、UREF端短接。2. TEST是测试端，该端经内部500电阻接数字电路的公共端（GND），因二 者呈等电位，故亦称做数字地。该端有两个功能：作测试指示，将它接U时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象；作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。3. a1g1、a2g2、a3g3、bc4分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。千位b、c段在LCD内部连通。当计数值N1999时显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，以此表示仪表超量程（过 载溢出）。4. POL为负极性指示的驱动端5. BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。6. OSC1OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。7. UREF、UREF分别为基准电压的正、负端，利用片内UCOM之间的2.8V基准电压源进行分压后，可提供所需UREF值，亦可选外基准。8. CREF、CREF是外接基准电容端。9. IN、IN为模拟电压的正、负输入端。10CAZ端接自动调零电容。11BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。12INT为积分器输出端，按积分电容CINT。需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未引出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电位近似等于电源电压的一半。2.2 ICL7106异或非门驱动电路设计 利用ICL7106内部电路的异或门电路，可直接驱动LCD显示器，此外还可以用异或非来驱动LCD显示器，此时电路需要做适当的改动。异或非门的逻辑符号如图。它的特点是当两个输入端状态相同时（均为高电平，或均为低电平），输出为高电平，否则为低电平。控制端为低电平有效。 A B F2.3ICL7106基本量程为正负2V的表头设计图由ICL7106构成的数字电压表若改成2V的量程，应改变基准电压分压电阻1.5千欧姆、自动调零电容0.047微法和积分电阻为470千欧姆，其余元件和200MV量程的数值一样时钟频率都为40千赫兹。2.4 ICL7106小数点与电池符号驱动电路设计因为ICL7106只有液晶笔段及背电极驱动端，无法显示小数点。为了显示小数点，需要加外围电路。2.5超量程显示报警电路数字电压表也有不足之处,在超量程时强迫显示器销隐,着容易使操作人员误以仪表发生故障或突然停电了.改进方案是增加超量程闪烁报警电路.现利用双D触发器CD4013的一半作二分频器.作触发器复位信号,EOC作时钟脉冲.常态下，=1,=1, =1,能正常显示;一旦发现超量程, =0,EOC信号经二分频后，加至CD4511的端,令显示器低频闪烁.1/2CD4013有两个作用:第一,将EOC窄脉冲变成方波;第二,对进行二分频降低闪烁频率以取得最佳报警效果.2.6控制逻辑与锁存器在电路中的作用 （一）控制逻辑主要有以下三个作用 1）石碑积分器的工作状态，适时的发出控制信号，使几组模拟开关按照规定顺序接通或者断开，保证A/D转换正常的进行下去。 2）判断输入电压的极性并控制LCD的负极性显示。 3）当输入电压超量程是发出溢出信号，是高位数显示“1”，其余数码管全部消隐。（二）锁存器接在计数器和译码器之间，仅当控制逻辑发出选通信号时，计数器中的A/D转换结果才能送至译码器。因此，每完成一次A/D转换后显示值才转换一次。增加锁存器可以避免在计数过程中显示器不停的跳数，减少视觉疲劳，便于观察和纪录。第三章 简易数字电压表整体电路设计3.1整体电路图及工作原理由ICL7106构成的3位数字电压表电路如图所示，基本量程UM200mV。R1、C1分别为振荡电阻与振荡电容。R2与RP构成基准电压分压器，RP宜采用精密多圈电位器，调整RP使UREFUM/2100.0mV，满量程即定为2V，二者呈12的关系。R3、C3为模拟输入端高频阻容式滤波器，以提高仪表的抗干扰能力。C2、C4分别为基准电容和自动调零电容。R4、C5依次为积分电阻和积分电容。仪表采用9V叠层电池供电，测量速率约2.5次秒。IN端、UREF端、COM端互相短接。为了显示小数点，需采用CD4070四异或门（或CD4077四异或非门），S为小数点选择开关，DP1DP3依次为个位、十位、百位的小数点驱动端，LCD的背电极接BP。剩下一个异或门还可驱动标志符。控制逻辑有三个作用：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使A/D 转换正常进行；第二，判定输入电压极性并控制LCD的负极性显示；第三，超量程时发出溢出信号使千位显示1，其余位消隐。去显示器3.2电路参数计算 ICL7106D单片A/D转换器属于双积分型A/D转换器属于间接A/D转换器。将数字量转换为模拟量分两步进行。 第一步：将电压转化为时间T，使T与输入电压成正比 开关S1合到vI一侧 开关S1接到VREF一侧 T1为常数，T2与vI成正比第二步：将时间T2转化为数字量，使数字量与T2成正比 &计数器CPT2数字量3.3整机电路性能分析ICL7106内部包括模拟电路和数字电路两大部分，一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D 转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。模拟电路和数字电路是相互联系的，具体特点如下：（1）模拟电路：模拟电路由双积分式A/D转换器构成，主要包括2.8V基准电压源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。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度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模数转换。每个转换周期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZINTDEAZ的顺序进行循环。（2）数字电路：数字电路主要包括8个单元：时钟振荡器；分频器；计数器；锁存器；译码器；异或门相位驱动器；控制逻辑；LCD显示器。时钟振荡器由ICL7106内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。接LCD的背电极BP。LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极ag与背电极BP呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示。因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动