电子技术课程设计报告VIP

电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 1 信息与电气工程学院 课程设计说明书课程设计说明书 2009 2010 学年 第二学期 课程名称 电子技术课程设计 题 目 自动转换量程数字电压表 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 设计周数 一个星期 设计成绩 2010 年 7 月 1 日 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 2 目目 录录 一 摘要 3 3 二 设计任务与要求 3 3 2 1 设计目的 3 3 2 2 设计要求 3 3 三 方案设计与论证 4 4 四 单元电路设计与参数计算和器件选择 4 4 4 1 芯片 INC7107 部分 4 4 4 2 电压显示电路 7 7 4 3 自动转换量程开关电路 7 7 4 4 关于多量程电路部分 8 8 五 总框图和原理图 13 13 5 1 总框图 13 13 5 2 设计原理 13 13 5 3 总原理图 14 14 六 结论与心得 15 15 七 参考文献 15 15 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 3 自动转换量程电压表 一 摘要 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 目前 由各种单片A D 转换器构成的数字电压表 已被广泛用于电子及电工测量 工业自动化仪表 自动测试系统等 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崭新水平 本章重点介绍单片A D 转换器以及由它构成的自动 转换量程电压表的工作原理 数字电压表具有以下九大特点 1 显示清晰直观 读数准确 2 准确度高 3 分辨率高 4 测量范围宽 5 扩展能力强 6 测量速率快 7 输入阻抗高 8 集成度高 微功耗 9 抗干扰能力强 二 设计任务与要求 2 1 设计目的 1 了解双积分式 A D转换器的工作原理 2 熟悉 A D转换器 ICL7107 的性能及其引脚功能 3 掌握用 ICL7107 构成直流数字电压表的方法 2 2 设计要求 1 设计一个自动转换量程数字电压表电路 2 测量范围 直流电压 0V 2V 0V 20V 0V 200 V 3 组装调试数字电压表 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 4 4 画出自动转换量程数字电压表电路原理图 写出实验报告 三 方案设计与论证 设计要求电压表能够转换 0 2v 0 20v 0 200v 三个电压测量范围 进行电压档的自动 转换 因此设计电路使其实现其功能 选择 ICL7106 ICL7107 MC14433 芯片可以将模拟信号转化为数字电路 然后外接数码管 从而显示数字 方案 1 主要器件由芯片 ICL7107 和共阳极半导体数码管 LED 和自动转换量程开关电路组 成 关键词 A D 转换器芯片 ICL7107 共阳极半导体数码管 LED 自动转换量程开关电路 由自动转换量程开关电路接入输入信号 然后进入 ILC7107 外接显示数码管 显示输入 电压 方案 2 主要器件由芯片 ICL7106 和液晶显示器 LCD 自动转换开关电路组成 关键词 芯片 ICL7106 液晶显示器 LCD 自动转换开关电路 方案实现过程同上所述 只需要换液晶显示器 LCD 不易实现 方案 3 选用单片机 AT89S52 和 A D 转换芯片 ADC0809 实现电压的转换和控制 用四位数 码管从而显示出最后的转换电压结果 缺点是价格稍贵 优点是转换精度高 且转换的过程和 控制 显示部分可以控制 基于课程设计要求 采用方案一 四 单元电路设计与参数计算和器件选择 单元电路设计 4 1 芯片 INC7107 部分 ICL7107 内部包括模拟电路和数字电路两大部分 二者是互相联系的 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 下面介绍各部分 的工作原理 4 1 1 模拟电路 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 5 模拟电路由双积分式 A D 转换器构成 电路如图 2 所示 主要包括 2 8V 基准电压 图 1 ICL7107 的模拟电路 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 AZ INT DE AZ 的顺序进行循环 令计数脉冲的周期为 TCP 每个 测量周期共需 4000TCP 其中 正向积分时间固定不变 T1 1000TCP 仪表显示值 将 T1 1000TCP UREF 100 0mV 代入上式得 N 10UIN 或UIN 0 1N 4 1 只要把小数点定在十位上 即可直读结果 满量程时 N 2000 此时 UM 2UREF 200mV 仪表显示超量程符号 1 欲测量 2V 以上的直流电压 必须利用精密电阻分压器对 UIN 进行衰减 积分电阻应采用 金属膜电阻 积分电容宜选绝缘性好 介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容 为了提高仪表抗串模干扰的能力 正向积分时间 亦称采样时间 T1 应是工频周期的整 倍数 我国采用 50Hz 交流电网 其周期为 20ms 应选 T1 n 20 ms 4 2 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 6 式中 n 1 2 3 例如取 n 2 4 5 时 T1 40ms 80ms 100ms 能有效地抑 制 50Hz 干扰 这是因为积分过程有取平均的作用 只要干扰电压的平均值为零 就不影响积 分器输出 但 n 值也不宜过大 以免测量速率太低 图 2 ICL7107 外围电路图 4 1 2 数字电路 数字电路如图 4 所示 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 若取 R 120k C 100PF 则 f0 40kHz f0 经过 4 分频后得到计数频率 fCP 10kHz 即 TCP 0 1ms 此时测量周期 T 16000T0 4000TCP 0 4s 测量速率为 2 5 次 秒 f0 还经过 800 分频 图 3 ICL7107 的数字电路 得到 50Hz 方波电压 接 LCD 的背电极 BP LCD 须采用交流驱动方式 当笔段电极 a g 与背 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 7 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 来驱动该笔段显示 驱动电路采用异或门 其特点是当两个输入端的状态相异时 一个为高 电平 另一个为低电平 输出为高电平 反之输出低电平 4 2 电压显示电路 设计中采用的是 4 段 LED 数码管用来显示电压值 LED 具有 耗电低 亮度高 视角大 线路简单 耐震及寿命长等优点 它 由 4 个发光二极管组成 其中 3 个按 8 字型排列 另一个发光 二极管为圆点形状 位于右下角 常用于显示小数点 把 4 个发 光二极管连在一起 公共端接高电平 叫做共阳极接法 相反 公共端接低电平的叫做共阴极接法 我们采用共阳极接法 当发 光二极管导通时 相应的一段笔画或点就发亮 从而形成不同的 发光字符 其 8 段分别命名为 dp g f e d c b a 例如 要显示 0 则 dp g f e d c b a 分别为 11000000B 若要显示多个 数字 只要让若干个数码管的编码为低电平就可以了 右图是数码管的结构图 图 4 LED 显示部分连接 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 8 4 3 自动转换量程开关电路 运用六个比较器将输入电压的分量分为三段进行比较 分别从三个传输门通过 有且只有 一路信号通过 从而达到自动转换量程的作用 图 5 自动转换开关电路 自动转换开关电路的真值表如下 集成电路输出真值表 V 0 2v2 20v20 200v 010111 011110 集成运放的输出 111010 表 1 逻辑与之后的真值表 V 0 2v2 20v20 200v 001 010 输出 100 表 2 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 9 4 4 关于多量程电路部分 也有许多场合 希望数字电压表 数字面板表 的量程大一些 那么 只需要更改 2 只元 器件的数值 就可以实现量程为 2 000V 了 更改的元器件具体位置和数值见图 6 的 28 和 29 两只引脚 图 6 在有了一只数字电压表 数字面板表 之后 按照下面的图示 给它配置一组分流电阻 就可以实现多量程数字电流表 分档从 200uA 到 20A 但是要注意 在使用 20A 大电 流档的时候 不能再有开关来切换量程 应该专门配置一只测量插孔 以防烧毁切换开关 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 10 图 7 利用数字电压表做成的多量程电阻表 采用的是 比例法 测量 因此 它比起指针万用 表的电阻测量来具有非常准确的精度 而且耗电很小 下图示中所配 置的一组电阻就叫 基 准电阻 就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值 再由 Vref 电压与被测电阻上得 到的 Vin 电压进行 比例读数 当 Vref Vin 时 显示就是 Vin Vref 1000 1000 按照需要点亮屏幕上的小数点 就可以直接读出被测电阻的阻值来了 在产品数字万用表中 为了节省成本和简化电路 测量电流的分流电阻和测量电压的分 压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻 这里不讨论数字万用表的电路 仅仅 是帮助读者在单独需要使用某种功能时 可以有一定的参考作用 下图是一个最简单的 10 倍放大电路 运算放大器使用的是精度比较高的 OP07 利用它 可以把 0 200mV 的电压 放大到 0 2 000V 在使用的数字电压表量程为 2 000V 时 例如 ICL7135 组成的 41 2 数字电压表 基本量程就是 2 000V 特别有用 如果把它应用在基本量程为 200 0mV 的数字电压表上 就相当于把分辨力提高了 10 倍 在一些测量领域中 传感器的信号往往觉得太小了 这时 可以考虑在数字电压表前面 加上这种放大器来提高分辨力 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 11 参数计算 单元电路 1 的原件参数是芯片本身规定如上图所示 单元电路 3 的原件参数计算如下 计算的电阻有 12 个 R11 R12 R13 R14 Ro1 Ro2 Ro3 Ro4 R2 R2 1 R2 2 R2 3 Vcc 12V VDD 5V VDD 5V 1 比较器的参照电压部分的分压 R11 R12 R13 R14 之间的分压 4 3 V11 R11 R11 R12 R13 R14 V 4 4 V12 R11 R12 R11 R12 R13 R14 V 4 5 V13 R11 12 13 R11 R12 R13 R14 V 11 12 13 1 10 100 R14 20k 电位10v R13 90k 电位1v R12 9k 电位0 1v R11 1k 电位0v 2 模拟量输入的降压电路 Ro1 Ro2 分压后的电压为 1 20 v V 1 R 1 R 1 2 V 4 6 Ro1 100 Ro2 1 9k 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 12 图 8 3 模拟量输入的降压电路 2 V 1 R 1 R 1 2 V 4 7 Ro3 Ro4 分压后的电压为 1 10 v Ro3 100 Ro4 900 R2为保护电阻 900欧 R2 1 R2 2 R2 3分压 选择档位 R2 1 9M R2 2 900K R2 3 1000K 器件选择 数模转换器 A 的 ILC7107 芯片 气段共阳极 LED 显示器 开关选择电路进行自动电 压转换 集成运算放大器 LM339 与非门 74LS00 非门 CMOS4011 传输门 TG4066 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 13 元件清单 类别代号型号 参数 数量 数码管DS1 DS4 DPY4 R147K1 R29001 R315K1 R41K1 R5100K1 R61K1 R111K1 R129K1 R1390K1 R1420K1 Ro11001 Ro21 9K1 Ro31001 Ro49001 R2 19M1 R2 2900K1 电阻 RWF10K1 C31A C36A LM3396 集成电路 U1ILC7107CPL1 与门U11A U13A 74LS003 非门U14A U16A CM40113 传输门U11A U11C MC14066B3 C10 02uf1 C20 47uf1 C3103f1 C4104f1 电容 C510uf1 三极管 DTL4311 表 3 五 总框图和原理图 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 14 5 1 总框图 本文设计的电压表是一个 3 位半直流电压测量的数字式电压表 测量范围为直流 0 2V 0 20V 0 200V 共 3 个量程 电压值显示稳定 读数方便 能自动切换量程 使用 方便 总框图如下 本系统可分为测试电压转换 模拟电压通道 数据电压通道 A D 转换及 译码锁存 数码显示 3 部分 图 9 框图 5 2 设计原理 1 双积分型 A D 转换器 ICL7107 是一种间接 A D 转换器 它通过对输入模拟电压和参考 电压分别进行两次积分 将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔 然后利用脉冲时间 间隔 进而得出相应的数字性输出 它包括积分器 比较器 计数器 控制逻辑和时钟信号源 计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数 控制逻辑包括分频器 译码器 相位驱动 器 控制器和锁存器 分频器用来对时钟脉冲逐渐分频 得到所需的计数脉冲和共阳极 LED 数码管公共电极所需 的方波信号 译码器为 BCD 7 段译码器 将计数器的 BCD 码译成 LED 数码管七段笔画组成数字的相应编 码 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波 控制器的作用有三个 第一 识别积分器的工作状态 适时发出控制信号 使各模拟开关 待测电压自动转换 数据电压通道 数码显示 电子技术课程设计 电子信息工程 1 班 15 接通或断开 A D 转换器能循环进行 第二 识别输入电压极性 控制 LED 数码管的负号显示 第二 当输入电压超量限时发出溢出信号 使千位显示 1 其余码全部熄灭 锁存器用来存放 A D 转换的结果 锁存器的输出经译码器后驱动 LED 它的每个测量周期 自动调零 AZ 信号积分 INT 和反向积分 DE 三个阶 ILC7107 的结构电路图如右图 ILC7107 各个引脚的功能如下 1 1 脚是供电 正确电压是直流 5V 2 26 引脚是负电源引脚 正确电压数值是负的 在 3V 至 5V 都认为正常 但是不 能是正电压 也不能是零电压 27 28 29 引脚的元件数值 它们是 0 22uF 47K 0 47uF 阻容网络 这三个元件属于芯片 工作的积分网络 不能使用磁片电容 3 31 引脚是信号输入引脚 可以输入 199 9mV 的电压 在一开始 可以把它接地 造 成零信号输入 以方便测试 4 33 和 34 脚所接的 104pf 电容也不能使用磁片电容 5 接地引脚 芯片的电源地是 21 脚 模拟地是 32 脚 使用时一般与输入信号的负端 以及基准电压的负极相连 信号地是 30 脚 基准地是 35 脚 通常使用情况下 这些引脚都 接地 在一些有特殊要求的应用中 例如测量电阻或者比例测量 30 脚或 35 脚就可能不 接地而是按照需要接到其他电压上 AZ 积分器