三位半液晶显示数字交流电流表__电气测量课程设计.doc

邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业学生姓名学 号题目名称采用外差原理设计频谱分析仪设计时间2011年12月12日2011年12月23日课程名称电气测量技术课程编号121201202设计地点智能仪器与开发实验室（314）/创新实验室（214）一、 课程设计（论文）目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。电气测量技术课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 电气测量技术课程设计是继电子技术、和单片机原理与应用课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程电气测量技术的基本知识，独立进行电气测量的应用技术和开发工作,掌握电气测量技术的应用、调试和电路设计、分析及调试检测。二、 已知技术参数和条件（1）频率测量范围为10MHz30MHz；（2）频率分辨力为10kHz，输入信号电压有效值为20mV5mV，输入阻抗为50；（3）可设置中心频率和扫频宽度；（4）借助示波器显示被测信号的频谱图，并在示波器上标出间隔为1MHz的频标。三 任务和要求设计一个频谱分析仪，参考图如下注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）智能仪器与开发实验室（314）/创新实验室（214）陈立周编 电气测量第三版，机械工业出版，2008，2申忠如 等编著电气测量技术，科学出版社，2009，1。五、进度安排2011年12月12日-13日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求2011年12月14日-15日：总体方案设计2011年12月16日-17日：硬件电路设计2011年12月18日-19日：软件设计2011年12月20日-21日：系统调试改进2011年12月22日：整理书写设计说明书2011年12月23日：答辩并考核六、教研室审批意见教研室主任（签字）： 年 月 日七|、主管教学主任意见 主管主任（签字）： 年 月 日八、备注指导教师（签名）： 学生（签名）：目 录摘 要1 绪论11.1 课题研究的意义11.2 设计任务与要求分析12 三位半数字交流电流表的总体系统的设计22.1 系统机构总框架22.2 各模块的方案论证与选择22.2.1 电流/电压转换模块22.2.2 交流/直流转换模块32.2.3 A/D转换模块32.3 电路的工作原理43 三位半数字交流电流表硬件设计53.1 电流互感器的介绍53.1.1 电流互感器的作用53.1.2 电流互感器的分类63.1.3 电流互感器的使用方法63.2 AD736的介绍63.3 ICL7106的介绍73.3.1 ICL7106工作原理83.3.2 ICL7107的管脚排列83.4 数码管显示电路94 proteus的简介104.1 proteus介绍104.2 仿真分析115 心得体会12参考文献13摘 要 数字交流电流表随着电子技术的发展，在电子行业所需的测量高精度的交流电流的需要，它逐渐成为一种必不可少的测量仪器。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电流量的测量最为经常。本文介绍了其中的ICL7106转换器的基本功能及外围元件参数，并以此设计了一个三位半的数字交流电流表，利用感应将测量的电流转换为电压信号，再将模拟信号经A/D采集转换成数字信号，以十进制数码形式将测量电流显示。关键词：交流电流；ICL7106；A/D采样。1 绪论1.1 课题研究的意义此次我们所做的课程设计是基于数字电子技术和模拟电子技术的一个基础的电子产品。我们对自己的设计作品从不通的方向及角度分析了由电压/电流转换器、交流/直流转换器、A/D转换器组成的数字交流电流表的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了数模转换进而使系统运行起来的原理及方法。只有通过自身实践才能提高自己的动手能力，也只有亲历亲为才能够真正的收获并掌握到已经学过的知识，而且在设计的过程中也能学到不少的新的未曾接触过的新知识。其实也为建立节约成本的意识有些帮助，我们并没有采用单片机模块，而是直接采用A/D转换，而是直接采用一块带显示译码并带A/D转换的芯片，相对于单片机有成本上的优势，但是这种方法也同样存在着不少的缺点，这里简单的例举一些，我们发现了以下几个问题：仿真发现所得的精度、位数、速度、还有功耗等具有明显的不足之处，这些是值得我们思考和改进的。这些也算是我们在设计的过程中所收获的认识。1.2 设计任务与要求分析本题要求设计一个三位半的数字交流电流表，三位半是指个位、十位、百位的范围为09，而千位只有0和1两个状态，称为半位。因而数字交流电流表测量范围为00011999。数字交流电流表主要部分是A/D转换器，显示方法采用数码管直接接收A/D芯片的数字信号，而不采用动态扫描，采用这种方式较为省电。任务与要求：（1）要求能测量020A交流电流。（2）利用ICL7106完成模拟输入到数字输出的转换。并利用LCD进行显示。 （3）自行绘制原理框图，并实现各部分的功能，完成单元电路设计、参数计算和器件选择。2 三位半数字交流电流表的总体设计方案2.1 系统机构总框架图 2.1 系统总框图2.2 各模块的方案论证与选择2.2.1 电流/电压转换模块由于本次所测为020A的较大电流，为保证设备安全与测量准确，必须将大电流转换为较小的电流信号才能进行采样，电流/电压转换有以下两种方案：方案一：电磁式变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。一个线圈作为输入端口，接入电源信号后形成一个回路，称为一次回路；另一个线圈作为输出端口，接入负载后形成另一个回路，称为二次侧回路。可以很方便的通过改变两个线圈匝数比来改变两侧电流比，但由于电磁式变压器的体积大，损耗也大，作为电流表的元器件不合适，所以此方法不可取。方案二：电子式电流互感器一般采用罗哥夫斯基线圈，电子式电流互感器二次部分采用新型的电子元器件，并采用先进的电磁兼容设计，相较传统的电流、电压互感器，电子式电流互感器具有不含铁芯、没有磁饱和、频带宽、动态测量范围大、测量准确度高、测量保护范围内完全线性、传输性能好等优点，且体积小、重量轻。结论：基于电子式电流互感器体积小，重量轻，损耗小等优点，所以本次设计采用方案二。2.2.2 交流/直流转换模块本电流表为电流有效值测量电表，为实现准确测量交流电流信号，本模块有以下两种方案可供选择：方案一：AD736是单片精密真有效值AC/DC转换器，可以用于将各种波形的交流电压转换为直流电压。其主要特点有灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、准确度高、频率特性好（工作频率范围可达0460kHz）、功耗低等。用它来完成交流转直流，电路设计也较简单和可行，而且考虑到其现实意义的价格适宜，测量误差不超过3%。方案二：采用二极管整流滤波电路，整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压，滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压。但此种电路变换出来的直流有很多的脉动电压成分，很不稳定。并且电路结构复杂。结论：经以上论证，AD736具有转换精度高，灵敏性好，电路简单等优点。所以本次设计采用方案一。2.2.3 A/D转换模块本次所测电流信号为模拟信号，为实现方便精确的测量信号，必须将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号用十进制显示出来，便于观察记录，本模块有以下两种方案可供选择：方案一：ADC0809是一个8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。用它来采样转换后的直流电压，可迅速的将模拟信号转换为数字信号，然后再采用AT8051单片机将八进制的数字量处理成十进制，并驱动七段数码管进行显示。此方法较为常用，但电路结构较复杂。方案二：ICL7106是高性能、低功耗的三位半A/D转换器电路。它包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。是一种将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起的高级芯片。用它实现A/D转换，并实现三位半的数字显示，是一种很好的选择。结论：经以上论证，由于本次设计的要求为三位半显示数字交流电流表，而ICL7106正好同时具有A/D转换功能，又有三位半显示电路。实现功能电路简单，所以本次采用方案二。2.3 电路的工作原理本电子产品主要由四个步骤组成，首先是用将交流输入020A电流经电流转换器转后输出020mA交流电流，并通过电阻将电流转换成电压信号，然后将交流电压信号通过AD736芯片转换输出真有效值直流电压,再利用A/D转换芯片将模拟电压信号转换为数字信号，最后采用数码管显示所得到的电流有效数值。3 三位半数字交流电流表硬件设计3.1 电流互感器的介绍电流互感器是一种电流变换装置。它将高压和低压大电流转换成电压较低的小电流供给仪表和继电保护装置，并将仪表和保护装置与高压电路隔开。电流互感器的二次侧电流均为5A这使得测量仪表和继电保护装置使用安全，方便，也使其在制造上可以标准化。3.1.1 电流互感器的作用电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。3.1.2 电流互感器的分类（1）按用途分测量用电流互感器，或电流互感器的测量绕组。在正常工作电流范围内，向测量和计量等装置提供电路的电流信息。保护用电流互感器，或电流互感器的保护绕组。在电路故障状态下，向继电保护等装置提供电流故障电流信息。（2）按绝缘介质分干式电流互感器：由普通绝缘材料经浸漆处理作为绝缘。浇注式电流互感器：用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器。油浸式电流互感器：由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，一般为户外型。目前我国在各种电压等级均为常用。气体绝缘电流互感器：主绝缘由气体构成。（3）按电流变换原理分电磁式电流互感器：根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器光电式电流互感器：通过光电变换原理以实现电流变换的电流互感器，目前还在研制中。（4）按安装方式分贯穿式电流互感器：用来穿过屏板或墙壁的电流互感器。支柱式电流互感器：安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器。套管式电流互感器：没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器。母线式电流互感器：没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器。3.1.3 电流互感器的使用方法（1）电流互感器的接线应遵守串联原则：即一次绕阻应与被测电路串联，而二次绕阻则与所有仪表负载串联。（2）按被测电流大小，选择合适的变化，否则误差将增大。同时，二次侧一端必须接地，以防绝缘一旦损坏时，一次侧高压窜入二次低压侧，造成人身和设备事故 （3）二次侧绝对不允许开路，因一旦开路，一次侧电流I1全部成为磁化电流，引起m和E2骤增，造成铁心过度饱和磁化，发热严重乃至烧毁线圈；同时，磁路过度饱和磁化后，使误差增大。电流互感器在正常工作时，二次侧近似于短路，若突然使其开路，则励磁电动势由数值很小的值骤变为很大的值，铁芯中的磁通呈现严重饱和的平顶波，因此二次侧绕组将在磁通过零时感应出很高的尖顶波，其值可达到数千甚至上万伏，危机工作人员的安全及仪表的绝缘性能。3.2 AD736的介绍AD736是AD公司推出的真有效值直流变换器。和以往的有效值测量技术不同，真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真实有效值，它不是采用整流加平均测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术。采用AD736可以简化仪器的设计，增加信号测量品种，并且灵敏度、精确度也大大改善。 AD736采用双列直插式8脚封装，其管脚排列如图3-1所示： 图 3-1 AD736各管脚的功能如下： +Vs：正电源端，电压范围为2.816.5V； -Vs：负电源端，电压范围为-3.2-16.5V； Cc：低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为1020F.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM； VIN：高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10M，以减少对被测电压的分流。该端有两种工作方式可选择：第一种为输出AC+DC方式。该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。COM：公共端； Vo：输出端； CF：输出端滤波电容，一般取10F；CAV：平均电容。它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选33F.3.3 ICL7106的介绍 图3-2 ICL71073.3.1 ICL7107工作原理 如图3-2所示为ICL7107芯片，ICL7107是双积型的A/D转换器，还集成了A/D转换器的模拟部分电路，如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驭动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少最的电阻、电容元件和显示器件就可以完成模拟到数字量的转换，从而满足设计要求。显示稳定可读和测量反应速度快，是本设计的关键。ICL7106的一个周期为用4000个计数脉冲时间作为A/D转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零(AZ)、信号积分（INT）和反积分(DE)3个阶段。内部逻辑控制电路小断地重复产生AZ,INT,DE3个阶段的控制信号，适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调下作，使输出对应于输入信号的数值,而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数数值T,即:VIT的数值=T的数值或VIN=VREf( T/1000)式中：1000为积分时间(1000个脉冲A期);T为反积分时间(满度时为2000)。3.3.2 ICL7107的管脚排列 管脚1和26是ICL7107的正负极。COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN、UREF一端短接。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;作为数宇地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。al一g1、a2一g2、a3一g3、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)，POL为负极性指示的驱动端。BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极” CAZ.端接自动调零电容，BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RNT。INT为积分器输出端，按积分电容CINT,需要说明，ICL7106的数字地CND)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。称“背电极”。3.4数码管显示电路本实验采用数码管显示，如图所示，数码管有以下优点：1.能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。2.发光响应时间极短（0.1s），高频特性好，单色性好，亮度高。3.体积小，重量轻，抗冲击性能好。4.寿命长，使用天10万小时以上，甚至可达100万小时，且成本低。 图 3-3、共阴数码管原理图图3-4、共阳数码管原理图数码管实际上就是八个发光二极管，它们以两种方式连接，如果将其阴极连接在一起，这种方式构成的数码管成为共阴数码管；如果将其阳极连接在一起，这种方式构成的数码管为共阳数码管。4 proteus的简介4.1 proteus介绍Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件。Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！尤其重要的是Proteus Lite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果；功能最强的Proteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块：个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真； ARES PCB设计。PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括