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论文编码：TM46首都师范大学本科学生毕业论文数显8通道模拟参数巡检仪的设计与制作 作 者 李新光 院 系 信息工程学院 专 业 电子信息工程系 学 号 1041000178 指导教师 马昆宝 日 期 2008年5月1日 中文提要 在一个复杂的控制电路处于正常工作状态时，往往有多个工作点的电压需要时刻被监测，然而依靠人工地去检测每个点的电压既耗时又不方便，这时，就需要用到多通道模拟参数巡检仪来检测。本文所设计的数显8通道模拟参数巡检仪可以自动循环检测8路05V的电压值，具有测量方便、精度高，抗干扰能力强、成本低等特点。此巡检仪主要有两大部分组成：循环控制部分和电压测量部分(电压表)。循环控制部分几乎全部采用了CMOS4000/4500系列数字集成电路芯片，包括通用时基电路、计数器、译码器、和模拟开关-数据选择器。CMOS集成电路采用场效应管组成互补推挽结构，工作时两个串联的场效应管总是一管导通,另一管截止，静态时几乎不从电源吸取电流，因此功耗极小。电压测量部分主要由双积分式A/D转换器构成。其基本原理是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成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。关键词：A/D转换器 CMOS集成电路 循环控制 AbstractWhen a complicated control circuit is working normally, therere usually some voltages of nodes should be measured at any moment. But it is a waste of time and so troublesome to measure it artificially. So we need a Multicenter Simulation Parameter Circular Measurement now.The design of the LED Multicenter Simulation Parameter Circular Measurement in this paper can measure the voltages of eight nodes between 0 to 5 volts automatically and circularly. It has some advantages such as convenient measure, high precision, anti-jamming and cheap cost. The Measurement is making up of two parts: the Circular controller and the voltmeter.The Circular controller part mostly adopts digital IC of CMOS4000/4500 series. The IC of CMOS is a configuration of complementary push-pull making by Field Effect Transistors (FET). It is always that one FET is open while the other is closed when the IC works. It hardly assimilates current from the power when its in the static state, so it has little consumption of power. The voltmeter is made up of double-integrating analog to digital convertor (ADC). The basic theory of it is to integrate the input analog voltage and the reference voltage twice, and change the average of input voltage to the time slot which is directly proportional to it, then calculate the time slot by clock pulse and counter, so we can get the digital output in the end. By the reason of the average of input voltage is changed in the convertor circuit, so the convertor circuit has strong ability of anti-jamming to the power frequency, and it has been widely used in the field of digital measure.Key words: analog to digital convertor IC of CMOS control circularly目录第一章 引言1第二章 系统概述2 2.1 设计目的2 2.2 系统设计指标2 2.3 设计思路2 2.4 设计框图2第三章 循环控制部分3 3.1 脉冲发生器-由555定时器接成的多谐振荡器3 3.2 双BCD同步加计数器5 3.3 八选一模拟开关40516 3.4 BCD-7段译码显示电路7第四章 电压测量部分-数字电压表9 4.1 设计方案9 4.2 电路设计及工作原理9 4.2.1 ICL7107模拟部分9 4.2.2 ICL7107数字部分10 4.2.3 其它外围电路11第五章 总体电路15 5.1 电路总图15 5.2 总体描述16第六章 焊接电路18第七章 PCB的制作20致谢21附录（附图）22参考文献25III第一章 引言人类的经济活动已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。各种电气、电子设备在人们的生产、生活中的应用也越来越广泛，关系也日益密切。社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。因此，随时对系统运行状况(如温度、湿度、压力、电压等)进行监测对保障人们的生活、生产起着至关重要的作用。在这样的条件下，参数巡检仪应运而生。目前市面所售的巡检仪不仅能够对各种物理量进行巡回检测，并且可以实现数据存储、误差校准、报警、通讯、打印等功能，因此价格都很昂贵。本文所设计的产品只选用了几种应用非常广泛并且价格比较低廉的数字集成芯片，可以满足我们在日常生活中对电压等常见信号检测的需要。本文共分为七章。从二章开始分别介绍了该系统的设计思路和基本组成原理、系统不同部分的电路设计、工作原理、元器件选择、电路焊接以及系统PCB的制作过程，以及最终的设计成果。第二章 系统概述2.1 设计目的 在某个电路处于正常工作状态下，往往有多个点的电压需要时刻被监测，但是依靠人工地去检测每个点的电压既耗时又不方便，因此，我希望设计出一台能够自动循环检测多路电压信号的仪器。2.2 系统设计指标1） 循环检测速度可调。2） 8路输入依次接通，同时由LED数码管依次显示数字0、1、2 . . .7，来指示被接通的路数。3） 由数字电压表依次显示8路输入的电压值，位数三位半，精度1%。4） 被测信号可用简易稳压源来充当，0-5V范围内。2.3 设计思路 该系统由脉冲发生器产生低频矩形振荡波形，送入BCD计数器进行加计数。计数器的计数输出一路送入模拟开关，经其译码后依次与8路输入信号接通，并依次输出到OUT端；另一路送入BCD驱动器，经其译码后由LED显示屏依次显示被接通的通道数。另一方面，将模拟开关输出的模拟信号送入A/D转换器进行模数转换，最终在另一LED显示屏上显示出各路输入信号其值大小。2.4 设计框图图2-1 设计框图第三章 循环控制部分3.1 脉冲发生器-由555定时器接成的多谐振荡器图3-1 555多谐振荡器 多谐振荡器是555用得最多的电路。上图所示为555构成的最常用的多谐振荡器。它的工作原理是这样的：通电瞬间，由于C上点位不能突变，2号引脚被低电平触发，这时3号引脚输出为“1”（高电平），内部的放电管截止，+VDD经R1、R2向C充电，C上电压VC逐渐升高；当VC升高到2/3VDD时，555状态翻转，这时3号引脚输出为“0”（低电平），同时内部的放电管饱和导通，C上电荷经R2、555的7脚释放，VC开始下降；当VC下降到低于1/3VDD时，555状态再次翻转。如此周而复始，就形成了振荡，也就是矩形振荡波。 电容C的充电时间T1和放电时间T2分别为 故电路的振荡周期为 输出脉冲的占空比为具体数值计算是这样的：因为巡检所得到的数值要被人们看到并且有时间做出记录，所以显示每一路输入的时间不应太短，在3s到5s最为合适，这样经过粗略计算，可初步确定R1为22K、R2为100K左右，这样R1+2R2就在在250350K左右，则C为20u（可以用两个10u的电容并联使用），最后再串联一个200K的变阻器，通过改变变阻器的大小来调整循环速度。将实际数值代入上述各公式，得到：T在3.188到5.963秒之间。 实际电路及波形如下图：图3-2 实际电路 由于Multisim软件默认时间是按照ms计算的，所以想要看到实际输出波形几乎是不可能的，因此需要在交互式仿真设置里把终止时间加长，并且把最大时间步长设为0.05s，这样就可看到间隔在1s以上的振荡波形了，如下图：图3-3 输出波形 产生的矩形波形通过3号引脚输出到之后的计数器中进行计数。3.2 双BCD同步加计数器计数器我采用了双BCD同步加计数器4518，它在一个封装中含有两个可互换二/ 十进制计数器，其功能引脚分别为1 7 和9 15。该计数器是单路系列脉冲输入1 脚或2 脚；9 脚或10脚，4 路BCD 码信号输出（3 脚6 脚；11脚14脚）。此外还必须掌握它的控制功能，否则无法工作。图3-4 4518 当RESET=0、CLOCK=0时，时钟脉冲从EN脚输入，在其下降沿的作用下计数；当RESET=0、EN=1时，时钟脉冲从CLOCK脚输入，在其上升沿的作用下计数；当RESETR=0、CLOCK =1或RESET=0、EN =0时，均禁止计数；当RESET=1，复位，Q1AQ2AQ3AQ4A=0000。CD4518有两个时钟输入CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1 ”；若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0 ”，不仅如此，清零（复位）端RESET也应保持低电平“0 ”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。在这里我采用时钟上升沿触发。当脉冲发生器产生的第一个高电平送入4518时，它开始第一个加法计数并从6、5、4、3号引脚输出0001，当第二个高电平来到时，进行第二次加法计数并且输出0010，以此类推。实际电路中，由于只需要输出07，即000111，所以可将芯片6号引脚Q4A接到7号引脚R上，当Q4A=1时，电路立即复位，重新开始计数。图3-5 输入输出示意图3.3 八选一模拟开关4051因为8路输入要依次与电压表接通，因此这里我选用模拟开关4051作为连接的桥梁。4051内部有地址译码器和8选1双向模拟开关。通过外部地址端CBA控制8个开关与公共端的接通，其功能相当于8档旋转开关。4051具有低导通阻抗和很低的截止漏电流，幅值为 4.520V 的数字信号可控制峰峰值至20V 的模拟信号。例如，若 VDD5V，VSS0，VEE10V，则4051可控制幅值为15V 的模拟信号。这些开关电路在整个 VDDVSS 和 VDDVEE 电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。通过4518的计数输出可对4051进行控制，具体是这样的：INH=0，CBA=000111时，(I/O)0(I/O)7端依次与公共端I/O接通，例如CBA=000，则(I/O)0=I/O；CBA=001，则(I/O)1=I/O INH=1，输入输出均禁止，I/O端呈高阻态。表3-1 4051真值表输入状态接通通道INHCBA0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1fff均不接通 实际电路中，4518的3、4、5号管脚与4051的9、10、11号管脚相接，作为外部控制地址，(I/O)0(I/O)7端与待测电压相接，I/O则与数字电压表相接。由于被测信号在05V范围内，所以不必使用正负双电源，VSS、VEE接地即可。3.4 BCD-7段译码显示电路最初选定的芯片为4547 BCD-7段译码/大电流驱动器，但是走访市场发现民用4547已经停产，而军用的价格又非常昂贵，因此我又重新查阅资料，找到了功能相同可以替代4547的4543。4543是功能较完善的BCD-7段译码显示驱动器，可将BCD计数器的输出译码成LED数码管所需要的七段输入形式。它既可以驱动液晶显示器又可以驱动LED显示器，除此之外还提供了“共阴”、“共阳”数码管驱动选择，应用有较大的灵活性。 当PH（相位控制）=0时，驱动共阴LED数码管，PH=1时驱动共阳LED数码管；PH为交流信号时，驱动LCD数码管。这里驱动共阴管，这里接地。 LD：数据锁存。4543为LD=1时有效，因此这里接5V电源。BI：消隐输入。BI=1时，显示被消隐。这里接地。 4543对4518的计数输出进行译码。5、3、2号引脚A、B、C分别和计数器4518的Q1A、Q2A、Q3A端相连。915号引脚分别与对应的共阴LED数码管的引脚相连。由于只需显示07，因此可将4号引脚D接地即可。限流电阻选用430。图3-6 连接示意图第四章 电压测量部分-数字电压表4.1 设计方案数字电压表的核心部分就是A/D转换器。A/D转换器可选用较为常见的ICL7135或者ICL7107。ICL7135是高精度、通用型CMOS单片4位模数转换器，最大计数是19999，满量程为2.0000V，能自动判别信号的极性，具有读数保护功能。具有超量程和欠量程信号输出，便于实现自动量程转换。但是构成4为数字电压表时，需要外部设置基准电源和显示译码器，并且价格较高。ICL7107是3位数模转换器，能直接驱动共阳数码管，最大计数是1999，计数范围内的准确度为1个字，能自动调零保证在零输入时读数为0。提供内部基准电源，电压为2.8V0.4V，温度系数80106 /，转换速率为3次/S。但由于ICL7107需要正负电源供电，因此可采用4069构成电路提供负电压源。最后，我还是决定采用较为方便且成本较低的ICL7107搭配4069。4.2 电路设计及工作原理ICL7107是大规模集成电路，除负电压源之外，所有电路都集成在芯片上，内部有模拟电路和数字电路。 4.2.1 ICL7107模拟部分芯片的模拟电路框图如图，主要由积分器、缓冲放大器和比较器组成。模数转换周期分为自动调零（AZ）、正相积分（INT）、反相积分（DE）三个阶段。图4-1 7107的模拟部分1）自动校零阶段 此时除SDE+ 、SDE-闭合，而其余的模拟开关均断开，使积分开关SINT、自动调零开关SAZ ,基准电压开关SR+、SR-均导通。在此阶段要完成3项工作：将输入信号对模拟地短路；基准电压VREF对基准电容CREF充电，一直充到VREF值（1.000V）；闭合反馈回路使积分器、比较器和缓冲放大器的输出均为零。2）信号积分阶段（正向积分） 对信号积分时，受逻辑电路的控制，SAZ断开，输入端不再短路，积分器、比较器工作，被测电压VIN 送至积分器。在时间T1内，A/D转换器以VIN /（RINT CINT）的斜率对VIN进行正向积分。结果为V= T1VIN /( RINT CINT)。T1=1000TCP。T1为正相积分的时间。此阶段结束时，信号的极性被寄存在极性触发器中。3）反向积分阶段 与正相积分基本相同，他们之间的区别只是把缓冲器A1和积分器A2的同相输入端依次改接为VREF、COM。先对VIN做极性判别，在用CREF上已经充好的电压VREF（此电压的极性与VIN极性相反）以VREF/ （RINT CINT）的斜率进行反相积分。通过对基准电压反相积分，使积分器的输出又回到零点。反相积分时间T2= T1（VIN/VREF）与被测电压成正比。仪表显示值N=1000*VIN/VREF。 在第二次积分时VREF的正负是靠SDE+ 、SDE-的接通和断开实现的。VIN0时，积分器、比较器的输出为负，负信号通过逻辑电路控制SDE+接通 、SDE-断开，使CREF的负端接到缓冲的同相端，即用负的VREF对积分器积分；VIN0时，反之。 4.2.2 ICL7107数字部分芯片的数字部分框图如图，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；LED数码管驱动。图4-2 7107的数字部分 时钟振荡器由ICL7107内部反相器以及外部阻容元件R、C组成。它属于两级反相的阻容振荡器，输出波形是占空比为50%的方波。若取R100k，C100PF，T=2RCln1.5=2.2RC，则f0=0.45/RC，f040kHz。分频器对时钟脉冲逐级分频，得到所需的计数脉冲fCP和共阳极所需的方波信号fBP。它是由一级四分频、一级二分频和两极十分频组成。计数器由4位十进制计数器组成，计数器的输出采用BCD码。译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED显示器7段笔画组成数字的相应的编码。非门相位驱动器是将译码器输出对应于数码管显示器7段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。控制器有3个。识别积分器的工作状态，适时地发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行；识别输入电压极性，控制LED显示器的负号显示；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后驱动LED。 4.2.3 其它外围电路负电源提供电路，由反相器和隔直电容C1以及倍压整流电路构成。4069是由6个反相器组成的， Vss引脚7接地，VDD引脚14接电源，可以提供3.0 V 到18 V的直流电压。为了提高反相器的驱动电流，将4069内部除第一极反相器外的剩余的5个反相器并联使用。使用隔直电容和2个锗二极管构成倍压整流电路，将38号引脚的交流电压转变成直流电，整流电路主要利用二极管的单向导电作用，此处用的是单相半波整流电路。另一电容C2具有滤波作用，为滤波电容。图4-3负电源提供电路 用信号发生器示波器来模拟7107的38号引脚产生的振荡信号，效果如下图：图4-4 仿真图图4-5 输出前后波形由示波器可以看出，振荡信号经过4069两极反向驱动及单向半波整流电路后，可以得到-4V左右的直流电压信号，可以满足7107负电源的需要。图4-6 其它外围电路RP、R1为基准电源分压电阻。基准电压采用7107外部R1，VD组成的稳压电路经R2、RP分压后取得1.0V电压。R4、C2为输入端阻容滤波电路。C5、R5分别为积分电容和积分电阻。积分电容要求漏电要小，以减少翻转误差，因此最好选用聚丙乙烯电容。C4为自动调零电容，因为0.01uF CAZ 1uF，故选用大小为0.47uF的聚丙乙烯电容。基准电容0.1uF CREF 1uF，选择C1为0.1uF。由于7107额定测量最大值为2V，因此要想改为量程20V，可以在输入端采用1比10的电阻分压方法。因为所设计的数字电压表为三位半数字电压表，没有专门的小数点驱动信号。使用时可以将共阳极LED数码管的公共阳极接V+，小数点通过限流电阻接地点亮，这里选用430。第五章 总体电路5.1 电路总图图5-1 循环控制部分图5-2 电压测量部分5.2 总体描述电路由555构成多谐振荡器，RP调节振荡频率，以控制巡检循环速度。3脚输出的矩形振荡波通过常闭开关S后送入BCD计数器4518进行加计数。计数器的计数输出一路送入8选1模拟开关的地址输入端CBA，另一路送入BCD（7段译码显示）驱动器4543的数据输入端DCBA。4518（3、4、5脚）计数结果依次输出为000001010111BCD码（4518的D=1时，加到7脚使芯片复位，因此，计数器的最大计数为111），经4051译码，IN1、IN2、IN3IN8依次与3脚OUT端接通，IN1 IN8路电压信号依次通过OUT端输出给电压表。同时，4543译码后依次显示“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”数字，来指示被接通的路数。另一方面，电压源提供+5V的电压供给ICL7107，同时提供4069的工作电源，38脚的振荡信号经过4069反相器两级反相驱动、单向半波整流电路倍压整流后提供负电源给ICL7107，同时采用7107外部R1，VD组成的稳压电路经R2，RP分压后取得的1.0V电压作为基准电压。振荡电路决定A/D转换器的时钟频率，积分电路决定A/D转换器积分时间常数，从VIN+、GND引脚处接入4051的OUT端输出电压即被测电压，经过RC滤波后输入A/D转换器，经模数转换后，由7107内部数字逻辑电路部分直接驱动LED数码管显示数值即被测电压值，显示位数为三位半。这样，在电路工作过程中，如果其中一路出现断路等故障的话，我们就可以轻而易举地观察到它的电压变化，并且可以知道是哪一路出现了故障。这时按下开关，电路就停在当前显示的通道上，便于我们检测和修复。另外，在4518的RESET端可另外增加一个按键开关与电源相连接，作用是当按下开关后，电路立即复位，重新从0号通道开始巡检。第六章 焊接电路 焊接电路板可以说是这次设计中比较繁琐的一环，也是最能考查我们动手能力及耐心、细心程度的一环。这期间，由于经验不足，我会把一些器件的型号弄混，并且遇到了要买的器件已经停产的情况，因此我还要重新查资料重选器件。就这样，在去了几趟电子城后，终于把所需的器件买齐了。焊接过程中我也遇到了不少问题，例如：布局没有经过仔细思考导致布局不合理，最后的器件没有合适的空间去码放，还