直流数字电压表

1、直流数字电压表电子技术基础课 程 设 计题目名称：直流数字电压表 姓 名：徐兆 学 号：20124056 班 级：12级电气5班 指导教师：唐治德 评语： 成绩：重庆大学电气工程学院2014年6月II摘要传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用模数转换器的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。数字电压表（DigitalVoltmeter）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。本文主要介绍的是基于ICL7107数字电压表的设计，ICL

2、7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器位驱动器于一体的大规模集成电路，能够直接驱动共阳极数字显示器，构成的数字电压具有以下几个特点：显示数据直观；读数准确；准确度高；分辨率高；测量范围宽。本次设计的直流数字电压表的能实现多量程的电压测量：最高量程为200V，分三个档位量程，即01.999V，019.99V，0199.9V。量程的改变可以通过调档开关控制分压和小数点移位来实现。 直流数字电压表目录摘要I1设计目的与要求11.1设计目的11.2设计要求12设计思路12.1设计方案12.2系统框图23单元电路的设计方案及原理23.1ICL7107的工作原理23.1.1ICL

3、7107的工作过程23.1.2ICL7107的电路原理图及引脚图53.2电源接入端的电路73.2.1基准电压73.2.2量程转换电路83.3数码管的显示电路83.3.1LED简介83.3.2显示电路93.4小数点的驱动电路104电路仿真图与实物图104.1仿真图104.2实物图115系统调试与结果分析125.1调试仪器125.2调试方法125.3测试结果135.4测试分析136实现中出现的问题147总结及心得体会148元器件清单169参考文献161 设计目的与要求1.1 设计目的1）掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A/D转换器件的设计方法。2）掌握常用数字集成电路的功能和使用。3）熟

4、悉A/D转换器ICL7107的性能及其引脚功。4）掌握用ICL7107构成直流数字电压表的方法。1.2 设计要求1)设计直流数字电压表。2)直流电压测量范围：0V1.999V，0V19.99V，0V199.9V，0V1999V。3)直流输入电阻大于100k。4)画出完整的设计电路图,写出总结报告。5)电压表可以实现手动转换量程。2 设计思路2.1 设计方案1.主要器件由芯片ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。 2.本方案的主要特点是：（1）能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，使整机线路简化。（2）采用+5V和5V两组电源供电。（3）LED属于电流控制器件，在3 1/2

5、位数字仪表中采用直流驱动方式，芯片本身功耗较小。（4）显示亮度较高。 2.2 系统框图本文的电压表是一个31/2位半直流电压测量的数字式电压表。测量范围为直流0到1.99V，0到19.99V，0到1999V，功3个量程。电压值显示稳定，读数方便，能测量正负电压和自动切换量程，使用方便，本系统可分为测试电压转换、模拟电压通道、数据电压通道、数码显示、小数点驱动电路5部分。图 21直流数字电压表设计框图3 单元电路的设计方案及原理3.1 ICL7107的工作原理3.1.1 ICL7107的工作过程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

6、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、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少量的电阻、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。双积分模数转换器（ADC）是间接型ADC。它将取样电压转换为与之成正比的时间宽度，在此期间允许计数器对周期脉冲进行计数。计数器的二进制数就是取样电压对应的数字量。图 31是双积分ADC的电路原理图。电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS=0时，积分器对取样电压 做

7、定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压-VREF做定压积分。 与-VREF电压极性相反，这里设取样电压 为正，则-VREF为负。图 31双积分ADC的电路原理图1定时积分在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。启动信号S输入负窄脉冲（S=0），使计数器、JK触发器QS清零，开关S1选择取样电压作积分器输入。同时开关S2闭合，使积分电容放电，=0。负脉冲消失后（S=1），开关S2断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降，比较器输出逻辑1。允许n位二进制计数器对周期脉冲CP计数。当进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS=1，定时积分结束，定压积分开始。取启动信号S

8、的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CP的周期为TCP。则对取样电压的积分时间T1为T1=2nTCP是确定不变的。积分器输出电压为积分器输出电压与时间成线性关系，其斜率是负的，与取样电压和积分器的时间常数RC有关。越大，负斜率也越大。定时积分的工作波形如图 32所示，图中绘出了2个取样电压的情况。定时积分结束时的积分器输出电与取样电压成正比。图 33双积分ADC工作波形2定压积分在定时积分期间，当计数器的进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零和JK触发器QS=1，开关S1选择基准电压-VREF，积分器开始对基准电压-VREF做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从0继续计数。与此同

9、时，积分器输出电压上升积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。定压积分的工作波形如图11.3.9所示。当时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果B Z（通常为自然二进制数）。从定压积分开始到计数器刚停止计数（）的时间T2为并且，在计数器停止计数时刻，积分器输出电压为0，即所以定压积分时间T2与取样电压成正比。在此期间，计数器从0开始对周期脉冲CP计数，直到停止并保持计数值BZ。所以计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步，导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为

10、双积分ADC的单位模拟电压LSB为3.1.2 ICL7107的电路原理图及引脚图图 34双积分模数转换的电路原理ICL7107实现双积分模数转换的电路原理如图 34所示。模数转换过程分3个阶段。自动0校准（保证积分器输出为零），定时积分（信号积分），定压积分（反向积分）。集成双积分模数转换器ICL7107的引脚如图 35所示。器件的输入电压范围是0VVref，Vref是基准电压（2V），从IN HI 和IN LO引脚输入测试电压。输出数字量直接驱动4个共阳极LED数码管。千位数码管段信号：AB4和负POL。百位数码管段信号：A3G3。十位数码管段信号：A2G2。个位数码管段信号：A1G1。IC

11、L7107芯片的引脚图如图3所示，它与外围器件的连接图如4所示。图4中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的，所以不加详述。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第34脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端； Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（因为测量周期总保持4000个Tcp不变）以及测量的精度。图 35 ICL7

12、107 直流电压表图 36数字和逻辑控制3.2 电源接入端的电路3.2.1 基准电压图 37基准电压的原理图如图 37所示，将R1与滑动变阻器串联，连接电源5V和36脚。将36脚置于滑动器，调节分压电压。第一档为0-1.99V，所以将基准电压设置为2V，也就是调节滑动变阻器，使分压电压为2V。3.2.2 量程转换电路图 33量程转换的电路原理图如图 34所示，直流输入电阻大于100k，基准电压为2V，又因为量程有0-1.999V，0-19.99V和0-199.9V，所以选择总电阻为1000K，列方程： R4+R6+R7=1000, R7/( R4+R6+R7)=0.01 (R6+R7)/ (R

13、4+R6+R7)=0.1解得R4=900K,R6=90K.R7=10K.所以经过如图所示电路，从上到下，第一档为0-1.999V，第二档为0-19.99V，第三档为0-199.9V。然后将量程转换器的两端如图所接，负端接30脚。开关一端经1M的保护电阻后接入31脚。3.3 数码管的显示电路3.3.1 LED简介LED数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管

14、特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。七段数码管分

15、为共阳极及共阴极，共阳极的七段数码管的正极（或阳极）为八个发光二极管的共有正极，其他接点为独立发光二极管的负极（或阴极），使用者只需把正极接电，不同的负极接地就能控制七段数码管显示不同的数字。共阴极的七段数码管与共阳极的只是接驳方法相反而已。如图所示：3.3.2 显示电路图 39显示电路的原理图由于所选择芯片为TC7107，输出为低电平有效，所以选择共阳极数码显示管。最高位由于只显示0或者1，所以不用全部接完，将2，3脚连接一起共同接入7107的19脚。然后将其他3位数码管如图所示接入。将电源级共同连在一起接入VCC。组成显示电路。3.4 小数点的驱动电路由于所选数码管为共阳极数码管，输入低电

16、平有效，用开关控制小数点的位置。0-1.999V量程小数点接入从上往下第一档，0-19.99V小数点接入第二档，0-199.9接入第三档。悬空时，相当于高电平，不亮。接通开关时，接地，相当于低电平，发亮。图 35小数点控制原理图Ui4 电路仿真图与实物图4.1 仿真图本设计采用集成芯片ICL7107作为数字电压表的A/D转换及锁存和译码模块,使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。该系统能够实现0199.9V量程电压值的测量。电路连接图与仿真图如下图所示。图 41ICL7107作为数字电压表的仿真图4.2 实物图图 42电路板正面图图 43电路板背面图5 系统调试与结果分析5.1 调试仪

17、器可调直流电源，可调范围：0 5V；万用表，精度：0.1mV。5.2 调试方法1、直流电压表调试步骤。 (1) 插好芯片TC7107，接图接好全部线路。 (2) 将输入端接地，接通+5V，5V电源（先接好地线），将开关分别置于第一档，此时显示器将不显示值，且小数点在第一位数码显数器右下角。如果不是，应检测电源正负电压。并用欧姆表测短路与否。 (3) 用电阻、电位器构成一个简单的输入电压VX 调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。 (4) 用标准数字电压表（或用数字万用表代）测量输入电压，调节电位器，使VX1.000V，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应

18、调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。(5) 在+1.999V01.999V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。至此一个测量范围在1.999的三位半数字直流电压表调试成功。2、记录输入电压为0.5v，1.0v，1.5v，2.0v，5.0v，10.0v，15.0v，20.0v，10.0v，15.0v，20.0v，25.0v时（标准数字电压表的读数）被调数字电压表的显示值，列表记录之。3、连接好量程选择电路，用电压表测试经过衰减后的电压的比例关系是否为100：10：1。拨动量程开关到20V，输入电压为220V时，观察输出电压的数值。4、

19、准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度，也反映了测量误差的大小，准确度愈高，测量误差愈小。测量的绝对误差有两种表达式：U（a%Uxb%UM） （1）U（a%Uxn） （2）式（1）中，Ux为读数值（即显示值），UM表示满度值。括号中前一项代表A/D转换器和功能转换器（例如分压器）的综合误差，后一项是数字化处理所带来的误差。式（2）中，n是量化误差反映在末位数字上的变化量。若把n个字的误差折合成满量程的百分数，则变成式（1）。可见上述二式是完全等价的。数字电压表的准确度远优于模拟式电压表。例如，3位、4位DVM的准确度分别可达0.1、0.02。5.3 测试结果

20、 电压量程已知电压测量电压123412342v0.5v1.0v1.5v2.0v0.472v0.984v1.421v1.897v20v5.0v10.0v15.0v20.0v5.00v9.97v14.67v19.45v200v10.0v15.0v20.0v25.0v9.5v14.4v19.2v24.3v5.4 测试分析由上图可知我自己做的电压表测的电压不是很准确，通过计算和测量发现有一下原因：1）在量程选档的3个电阻值并不是完全为900K,90K,10K，其用到的电阻的测量值为920K，91K和10.2K；通过对比发现电阻值整体取的较高，所以所测量的电压相对与标准电压值要小。2）标准电压的校准时用

21、万用表测的ICL7107的35和36号管脚的电压不为标准的2v。3）通过观察200v的档位误差最大，分析发现ICL7107在将模拟电压转换为数字信号时，是通过双积分的方法，所以在转换过程中有相应的精度，所以量程越大测的电压误差也越大。6 实现中出现的问题（1）辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后在芯片的坐下方为第一脚。（2）牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压为DC5V。第36脚为基准电压，正确数值为100mV,第26引脚为负电源引脚，正确电源数值是负的，在-3V至-5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。（3）注意芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是

22、0.22uF，74K，0.47uF阻容网络，这三个芯片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：芯片的电源地是21脚，模拟地是30脚，信号地30脚，基准地是35脚，这4个脚是解地。（5）负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是要求供电需要正负电源，通常利用一个-5V供电就可以解决问题。7 总结及心得体会本次设计通过与指导老师的多次讨论，最终设计出了基于ICL7107芯片的直流数字电压表，成功完成了仿真，在仿真软件中通过多次调试，从而达到了比较准确的程度。虽然说这次设计的总体思路比较简单，但

23、是其中还是有一些细节的问题困扰了我们很久。第一个问题就是如何实现小数点的移位。最先我们企图运用一个开关同时实现分压和小数点移位，但是由于输入电压不能接地而失败。但其实只需要将控制分压的开关和控制小数点移位的开关分开即可，实际电路中能通过同轴开关来实现两个开关的共同转动。第二个问题便是如何获得标准的基准电压。我们最先设想的是直接接一个标准的2V电源，与老师的讨论中，我们发现这样做不符合节约的原理，直接运用电阻分5V的电压源便可获得2V的电压。第三个问题便是接地问题。ICL7107芯片的接地分为模拟地和数字地，而我们最开始将两者混在一起，导致电路不能运行。在仿真这个环节中，我感悟到仿真其实也是需要

24、结合实际的，这样才能设计出实用和经济的电路。在仿真之前，我们也需要准备充分的知识，这样在仿真的过程中才不会犯低级错误。在焊电路板这个环节中，我们最先不太顺利。因为我们很晚才设计出电路图，因此只能用上一届的同学用过的原件焊电路。经过测试，我们发现很多的电阻都是坏的，并且我们所需的共阳极数码管却被共阴极数码管代替。但在我们这一组是所有同学的努力下，最终通过各种方法找到了元件，或是用各种方法代替元件，终于焊出来比较理想的电路板。抛开客观原因，其实最主要的原因是因为我们在仿真上花了太多的时间，以至于我们没有足够的时间来准备焊电路的各种元件在完成了仿真及焊电路板之后，我还完成了本组的论文的撰写及排版。虽然论文涉及文字上的功夫，但其中也需要我们用心去探究设计的深层次理论，