数字电压表课程设计实验报告讲解

1、自动化与电气工程学院电子技术课程设计报告题 目数字电压表的制作专 业班 级学 号学生姓名 指导教师 二O三年七月一、课程设计的目的与意义1. 课程设计的主要目的，是通过电子技术综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过 程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。2. 同时了解双积分式 A/D转换器ICL7107的性能及其引脚功能，熟悉集成电路 ICL7107构成直流数字电压表的使用方法，并掌握其在电路中的工作原理。3. 通过设计也有助于复习和巩固以往的模电、 数电内容，达到灵活应用的目的。在 完成设计后还要将设计的电路进行安、 调试以加强学生的动手能力。在此过过程中培 养从事设计工作的整体观念。

2、4. 利用双积分式A/D转换器ICL7107设计一数字电压表，量程为-1.99 +1.99，通 过七段数码管显示。、电路原理图数字电压表原理图三、课程设计的元器件1.课程设计所使用的元器件清单:序号名称数量序号名称数量1ICL7107集成块1174芯导线12IC集成块插座118IN4148 二极管23PCB线路板119360欧电阻247段LED数码管共阳极42091K电阻253296电位器2K121100K电阻16TL431基准源12215K电阻179014三极管12310K电阻188550三极管124470欧电阻19100pF瓷片电容125470K电阻110103瓷片电容1261M电阻111

3、224CBB电容（聚丙烯）12710M 电阻 1/4W112104CBB电容（聚丙烯）1281.1M 电阻 1/4W113473CKK电容（校正）12924K 电阻 1/4W11410uF电解电容230表框1155芯插座（带插针）131红膜1165芯插头132螺丝22.主要元器件介绍（1）芯片 ICL7107:ICL7107的工作原理双积分型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。它的原理性框图如图所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和

4、时钟信号源。 积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。ICL7106A/D转换器原理图li0V控制卿1V&脉冲（讨号: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fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。译码器为BC

5、D-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。钓锁存器用来存放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）三个阶段。第一阶段：自动调零阶段AZ 转换开始前（转换控制

6、信号 VL=O），先将计时器清零，并接通开关 SO，使积分电 容C完全放电。第二阶段：信号积分INT令开关S1合到输入信号V1 侧，积分器对V1进行固定时间Tl的积分，积分结果 为：上式说明，在Tl固定条件下V0与VI成正比。第三阶段：反向积分DE令开关S1转至参考电压VREF 侧，积分器反向积分。如果积分器的输出电压上升 至必零时，所经过的积分时间 T2则可得，=0RC故可得到，可见，反向积分到V0=0这段时间T2与VI成正比。令时钟脉冲CD的周期为Tc， 计数扔器在T2时间内计数值为N得：T2=NTc代入上式得：分析可知：T1,Tc, VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟

7、量到 数字量的转变。下面介绍A/D转化过程的时间分配。假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000TC, 如图所示，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。双积分型A/D转换器的电压波形图各阶段时间分配如下 信号积分时间Tl用1000TC。 信号反向积分时间T2用0 2000TC，这段时间的长短是由VIN的大小决定的 自动调零时间T0用1000-3000TC。从上面的分析可知，Tl是固定不变的，但T2随VIN的大小而改变。因为，TC电VRFF = lOO.Omv ,由:得：VIN=O.1N满量程时 N=2000，同样由上式可导出满量程时 VIN与基准电压的关系为： VIN=2VREF。为了提高

8、仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间TI为工频周期的整数倍。我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms,应选T仁nX20ms。n= 1,2,3n 越大，对串模干扰的抑制能力越强，但 n越大，A/D转换的时间越长。因此，一般取 Tl=100ms，即 f0 = 40KHz。由 T0=2RC105=2.2RC,得I0.45J =-一巫2.2RCRC式中T0为振荡周期 由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可INC7107的结构电路图ICL7107主要参数:电源电压ICL7107 V+ to GND6V温度范围OCto 70 CICL7107 V- to GND-9V

9、热电阻PDIP封装qJA( C /W)50MQFP 寸装80模拟输入电压V+ to V-最大结温150C参考输入电压V+ to V-最高储存温度范围-65 C to 150 C时钟输入GND to V+芯片INC7107各个引脚的功能和注意事项:ICL7107 安装电压表头时的一些要点： 按照测量= 199.9mv1. 辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。 知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依 次是第 2至第40引脚。（1脚与40脚遥遥相对）。2. 牢

10、记关键点的电压：芯片第1脚是供电，正确电压是 DC5V。第 36脚是基准电压，正确数值是100mV第 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。芯片 第 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“ 0”信号输入，以方便测试。3. 注意芯片 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。芯片 的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。 4. 注意接地引脚：芯 片的电源

11、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 4 个 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。5、比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片 的信号端，观察此时数码管的读数6、其他引脚的功能简要说明：20引脚PM液晶显示器背面公共电极的驱动端， 简称背电极 .a1-g1,a2-g2,a3-g3 ：分别为个位、 十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的

12、相应笔画电极19脚Bc4:千位笔画驱动信号。接千位 LEO显示器的相应的笔画电极。37脚TEST : 测试端，该端经过 500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字 地”。 27脚 INT： 27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电 压产生漂移现象的元件。28脚BUF缓冲放大器输出端，接积分电阻 Rint。其输出 级的无功电流（idlingcurrent ）是100卩A,而缓冲器与积分器能够供给 20卩A的驱动电流，从此脚接一个 Rint至积分电容器，其值在满刻度 200mV时选用47K, 而2V满刻度则使用470& AZ积分器和比较器的反向输入端，接自动调

13、零电容（29 脚）CAz。如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47卩F,而2V满刻度是0.047 卩Fo（2）电压显示电路：设计中采用的是7段LED数码管来显示电压值。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 8 个发光二极管组成，其中 7 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 8个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我们采用共阴极接法。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

14、显示“ 0”，则dp g f e d c b a分别为：00111111B若要显示多个数字，只要让若干个数码管的位码循环为高电平就可以了。七段数码管结构图abcdefgd|共阳极共阴极7段数码管驱动方法：发光二极管（LED是一种由磷化傢（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。7段数码管每段的驱动电流和其他单个 LED发光二极管一样，一般为510mA; 正向电压随发光材料不同表现为 1.82.5V 不等。7 段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。（1） 静态显示所谓静态显示，就是当显示某一字符时， 相应段的发光

15、二极管恒定地寻能可截止。 这种显示方法为每一们都需要有一个 8 位输出口控制。对于 51 单片机，可以在并行 口上扩展多片锁存 74LS573 作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定， 在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮 度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时， CPU 才执行一次显示 更新子程序，这样大大节省了 CPU 的时间，提高了 CPU 的工作效率；缺点是位数较 多时，所需 I/O 口太多，硬件开销太大， 因此常采用另外一种显示方式动态显示。（2）动态显示所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） ，对于显示器的每一 位而言，每隔一段时间点亮一次

16、。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮） ， 但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄 灭时的余辉效应，看到的却是多个字符 “同时” 显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关， 也与点亮时间和间隔时间的 比例有关。 调整电流和时间参烽， 可实现亮度较高较稳定的显示。 若显示器的位数不 大于 8位，则控制显示器公共极电位只需一个 8位 I/O 口（称为扫描口或字位口） ， 控制各位 LED 显示器所显示的字形也需要一个 8 位口（称为数据口或字形口） 。动态显示器的优点是节省硬件资源， 成本较低， 但在控制系统运行过程中， 要保 证显示器正常显示， CPU 必须每隔一段时间执行一次显示子程序，

17、这占用了 CPU 的 大量时间，降低了 CPU 工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。综合以上考虑， 由于温度显示为精确到小数点后两位， 故只需 4 个数码管，又考 虑到 CPU 工作效率与电源效率，本毕业设计采用静态显示。为共阳极显示。四、系统调试及结果分析1. 首先根据电路原理图焊接出实际电路，然后进行电路的调试，在实际的电路中， 芯片一脚接+5V的电源，26引脚接-5V的电压，在电阻R2 一端接入一个测试电压, 接地端接测试电压的负极。2. 现在将在调试过程中的问题总结：测试数码管显示的数据是否正确，将编好的程序写进单片机后，观察数码管，发现码型显示不正确，通过改正硬件电路，是数码管 显

18、示正确的数据。3. 通过以上硬件电路调试，最终达到了设计的要求，实现了从-1.99V- +1.99V的显示，并且精度比较高。实物图如下：五、课程设计的体会本次课程设计对数字电压电路认真的学习以及对 PCB有了更进一步的熟悉，实际操 作和课本上的知识有很大联系， 但又高于课本， 一个看似很简单的电路， 要动手把它 设计出来就比较困难了， 因为是设计要求我们在以后的学习中注意这一点， 要把课本 上所学到的知识和实际联系起来，同时通过本次电路的设计，不但巩固了所学知识， 也是我们把理论与实践从真正意义上结合起来， 增强了学习的综合能力。 通过这次设 计不仅锻炼了我们勤于思考的精神，而且提高了动手能力。在这几天的试验中， 在收获知识的同时， 还收获了阅历， 收获了成熟。 在此过程中， 我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操 作的能力。 在各种其他方面的能力上也都有了提高， 而且在与老师和同学的交流过程 中，互动学习，将知识融会贯通。更重要的是我们学会了很多学习的方法，而这是日 后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断学习、实践、再学习、 再实践。不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的完全积累，可以把这个当做基础 东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得