毕业论文：浅谈数字电压仪

1、成都市技师学院毕业论文设计浅析数字电压仪专业班级：09电气预备技师二班作者姓名：李志恒指导老师：刘毅东联系电话要: 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关键词:仪表。本论文采用两种方案设计数字电压表，重点详细的介绍了 7107安装的设计 方法，首先经过对输入的电压信号的处理（即：电阻分压），再经过7107芯片经 过处理，最后送入led屮显示，且在实现基础要求z上扩展了电压量程。缺点是 精度比较低，优点是价格低廉。而后而介绍了基于at89s52单片机为核

2、心的、以 adc0809数模转换芯片采样、以led液品屏显示的具冇电压测量功能的具冇一定精 度的数字电压表，缺点是价格稍贵。优点是转换精度高。数字电压表；数模转换;精度高;扩展性强;pc通信;7107;at89s52。设计基本要求与方案(-)设计基本要求1. 能够测量至少0-5v之间的直流电压值。2. 4位led显示。3. 扩展量程:-20v+20v(二)设计基本方案1. 基于icl7107芯片设计数字电压表2. 基于51单片机设计数字电压表二.基于7107芯片的电压测量仪设计系统结构图被检测电压一信号处理-7107芯片一显示tt电源部分电源部分图1系统硬件接线设计电源部分电源系统aos咗0与

3、01-u丄ct亠三0.0aos4:0穽u1 iai7805in outgdfn言0 丄 一91 dnos+5vawoin out匕二.xta9e1=901jp2dcu2 lm7905“2整 流 电岸3cctw4稳 压 电t路路1¥图2电源变压器：将交流电网的电压ui,变为合适的交流屯压u2。整流电路：将交流电压u2,变成脉动的百流电压u3。滤波电路：将脉动的直流电压u3,转变成平滑的直流电压u4。滤波原理：利用储能原件电容两端的电压（或通过电感屮的电流），不能突变的特 性，滤掉整流电路输出电压中的交流部分，保留其只留部分。达到平稳输出电压 波形的目的。稳压电路：清除电网波动，以及负载

4、变化的影响，保持输出电压的u0的稳定.信号处理部分：ft!于icl7107芯片 默认满量程为-199.9mv+199.9mv而本论文需耍设计为 20v+20v的电压测量仪。那么我们就需耍对接入信号进行处理，然后再送入 icl7107中，进行测量。进行处理有两种方法：第一种就是对输入信号进行电阻分压。第二种就是利 用运算放大器，进行缩小电压，从而分压。本论文选择第一种方法，即利用屯阻分压。如图：7107芯片部分一芯片管脚介绍icl7107采用dip-40封装，它包含3八1/2位数字a/d转换器，可直接驱动led数码 管，内部设冇参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。其管;脚

5、押匚 列如图：3456w8910111213h卩16r1820v+0sc1d10sc2c10sc3b1testa1ref hif1ref l0g1cref+e1cref-1)2commonc2in hib2in l0a2a-zf2buffe2int1)3v-b302(10* s)f3c3e3a3(looo)abib3polbp/gni)icl7107 管脚排列3938373635343332313029282726252423 2110各个管脚功能如下：vcc; vss:分别为电源正负端。com：模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时通常将该端与输入信号的负端, 基准电压的负端短接。text

6、：测试端，此端冇两个功能，一个是做“测试指示”，它将与v+短接后，led 显示器全部笔画1888,据此口j以确定显示器冇无笔段残缺现象；第二个功能是作 为数字地供外部驱动器使用，构成小数点，标识符显示电路。al-gl,a2-g2,a3-g3：分别为个位，十位，百位驱动端，依次接led显示器的个， 十，百位的相应端位。ab4： t位(最高位,也称1/2位)笔端驱动端，接led千位b, e端;pol：负极性指示驱动端，接千位led的g端gnd：数字地；与37脚(test)经过内部500的电阻接通；0sc1-0sc3：吋钟振荡器引出端，外接阻容元件口j构成两级反向式阻容振荡器。匕基准电压的正端。通常

7、从内部基准电压获取所需的基准电压，以提高基准电压的稳定性。vref-：基准电压的负端。cref+ cree-.外界基准电容端。in+, in-：模拟电压止负输入端；a-z：外界自动调零电容端int：积分输出端，接积分电容；buff：缓冲放大器输出端，接积分电阻。 二工作原理：1.模拟部分图3表示1cl7107的模拟部分，每个测量周期分为三个阶段，他们分别是：1）自动校零阶段（a-z）； 2）信号积分阶段（int）； 3）反向积分阶段（de）甑字 逻務熬分图3其中：（1）.自动校零阶段:在自动校零阶段做三件事。笫一，内部高端输入和低端输入与外部管脚脱开, 在内部与模拟公共管脚短接。第二，参考电容

8、充电到参考电压值。第三，围绕整 个系统形成一个闭合冋路，对自动校零电容caz充电，以补偿缓冲放大器、积分 器和比较器的失调电压。由于比较器包含在冋路中，i大i此自动校零的精度仅受阻 于系统噪声。任何情况下，折合到输入端的失调电压小于louvo（2） 信号积分阶段：在信号积分阶段，自动校零回路断开，内部短接点也脱开，内部高端输入和 低端输入与外部管脚相连。转换器将tn ht和tn l0之间输入的差动输入电压逝 行一固定时间的积分，此差动输入电压可以在一很宽的共模范围内：与正、负电 源的差距各为iv之内。另一方面，若该输入信号相对于转换器的电源电压没冇回 转，可将tn l0连接到模拟公共端上，以建

9、立正确的共模电压。在此积分阶段的 最后，积分信号的极性也已经确定了。(3).反向枳分阶段：最后一个阶段是反向积分阶段。低端输入在芯片内部连接到模拟公共端，高 端输入通过先前已充电的参考电容进行连接，内部电路能使电容的极性止确地连 接以确保积分器的输出能冋到零。积分器的输出冋到零的时间正比于输入信号的 大小。对应的数字输出为:显示值二loooxvin/vrefo2. 差动输入输入端能承受输入放大器允许的共模电压范围内的差动电压。即在比正电源低 0. 5v和比负电源高iv的范围。在此范围内，电路有86db的共模抑制比。然而必 须注意的是积分器的输出不能进入饱和区，一种最坏的情况可能是在输入端有一

10、接近满量程的负向差动电压，同时乂有一个较大的共模正向电压，负向的差动电 压使得积分器的输出向正方向走，而此时积分器输出的止向摆幅乂被正向共模电 压所挤占，在这种严格的应用条件下，可适当地牺牲一些精度，将积分器的输岀 电压摆幅降低到低于所推荐的2v满量程。积分器的输出可在比正电源低0. 3v或 比负电源高0. 3v的范围内摆动而不影响线性度。3. 差动参考源参考电压能够在转换器的电源电压范围内的任意位置上产生。共模误差的主耍 来源是翻转电压，这是由于参考电容对其接点上的分布电容充电或放电而造成的。 如果有一较大的共模电压，在正电压输入下进行反向积分时，参考电容会得以充 电电压增加)。反z,在负电

11、压输入下进行反向积分时，参考电容会失去电荷。 这种由于正负输入电压而在参考电容上造成的电压差异会导致翻转误差。然而通 过选择参考电容，使得它比分布电容大许多，则最坏的情况下的谋差可以控制在 0. 5个显小字z内。4. 模拟公共端此管脚主要是为在电池供屯的应用场合或输入信号相对于供电电源是浮动的 系统中建立一个公共屯压而设置的。common管脚设置的电压比正屯源约低2. 8v, 这样的选择可以使屯池屯压低至接近6v时仍能工作。然而，此模拟公共端冇一些 参考电压的特征。只有当总的供电电压足够高使得屯压管能工作时（7v），此公 共点的电压才有较低的电压系数（0. 001%/v）们和较低的输入阻抗 3

12、15q）,典 型情况下的温度系数小于80ppm/° co另外，片上参考源的一些不足也必须充分予以重视。在1cl7107中，由于驱动 led数码管而导致的内部发热会使性能下降。出于塑料的热阻比陶瓷的人，因此塑 封电路比瓷封电路在这方面的性能要差，由于参考源的温度系数、片上功耗和封 装的热阻筹原因，会使接近满量程时的噪声从25 u vp-p ±升到80nvp-po另外， 高功耗（例如显示值为1000,二十段显示）与低功耗（例如显示值为，1 1 1,八 段显示）使得线性度之差会达到一个字，甚至更多。参考源冇正沿度系数的电路量 程溢出时会多出几个字。这是因为溢出时三个低位数字均不显

13、示，而处于低功耗 状态。相似地，参考源为负温度系数的电路会在溢出和非溢出读值之间來回交替 变化。这是由于芯片不断被加热和冷却的结果。所冇这些问题在使用外部参考源 时自然就解决了。在屯路的应用中，以方便地加上外部参参考源源。模拟公共端在自动校零和反向积分期间与低端输入回路相连。如果tn l0不 同于模拟公共端，就会在系统中产生一共供电压并会被电路优异的共模抑制特性 所抑制，然而在某些应用场合，in l0会被设置成一已知的固定电压比如电源的 公共端），这时，模拟公共揣也应接至此同一点，以消除电路上的共模电压。此问 题对于参考屯压也同样重要。如果参考源能方便地接至模拟公共端，就必须要接。 因为只有这

14、样才可以消除曲于参考源系统而引入的共模屯压。在芯片内部，模拟公共端连接至一 n沟道场效应管，该管子冇约30m的限电 流能力，以便模拟公共端的电压维持在比电源电压低2. 8v （当冇一负载将此公共 屯同正上端拉时）。但是该模拟公共端只有10ua的源电流能力。由于此，common 端可方便地连接至负屯压而不必考虑内部的参考源。5. 数字部分除了去掉稳压部分和苗极驱动以及将字符驱动电流由2呃增至以满足 仪表上的led数码管的驱动要求z外，其他有6v的稳压二极管和一个很大的p沟 管了构成的源极跟随器形成了内部数字地，这样的电源连接方式在背极（bp）电 压以方波输出时可吸纳较大的融性电流。背极电压的频率

15、为时钟频率除以800,在每次3秒读数刷新频率时。它以60hz的方波。标称屯压幅度为5v, lcd端的驱动 屯压在此背极屯压同频，同幅，不显示时为同像，显示时为反相，在各种条件下,字段负两端的平均直流屯压可以忽略。)由于千位的输出(19脚)，要驱动两个led 段，他的能力加大一倍，达到16m,冇负电压输入时，极性符号会被点亮，必要时,若低端输入(tn l0)和高端输入(tn ht)反接，该指示也会反过來。其为testam图45v+5v三7107芯片接线图vm vin-cnoaclrl匚ikjrmcn寸 on rs000.02uf1k o ocd匸u6 cnco onl(二 usigno'

16、d fleoe< cno(soczo>hz- 出ncnn«<3sihnizo2souoj 4总 ih dnm hsldhe owo mono 5wojod 寸cq<(000i) 2exeh22cd2erco2s3匚i<-05+>寸 £q<cnlu(noq 0 e u- o id a o£q图5显示模块在7107芯片引脚225为led接口，其中引脚21为接地。本论文使用的为共 阳极led。具体如图6：r11丸ue m,£r( q1咯*1ikr5ikr9ikr12r13ikr14ikr15ikr16ik图6 图6为共

17、阳极led的内部结构图。图7图7是led的连接图。icl7107女装电压表头时的一些要点：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，按照反吋针方向去走，依次是第2至第40引脚。（1脚与40 脚遥遥相对）。2. 牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是dc5v。第36脚是基准 屯压，正确数值是loomv,第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在一 3v至一5v都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零屯压。芯片第31引脚 是信号输

18、入引脚，可以输入±199. 9诃 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，它们是阻容网络，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脚接的电容也不能使用磁片 屯容。4. 允许有2 -3个字的误差。如果差别太大，可以微调一下36脚的电压。三基于单片机的设计三.工作原理数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模 拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以 指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。h前数字电压表 的内部核心部

19、件是a/d转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准 确度,数字式电压表是由高阻抗电压表头与分压电路组成的。图8为设计流程图：图8(二)adc0809 功能1. 主要特性(1) 8路8位a/d转换器，即分辨率8位。(2) 具有转换起停控制端。(3) 转换时间为100 u s(4) 单个+ 5v电源供电(5) 模拟输入电压范围0+ 5v,不需零点和满刻度校准。(6) 工作温度范围为-40+85摄氏度(7) 低功耗,约15mwo2. 内部结构:eocoe2 8图9adc0809内部结构框图9：adc0809是cmos单片型逐次逼近式a/d转换器，内部结构如图所示，它由8 路模拟开关、地址锁

20、存与译码器、比较器、8位开关树型d/a转换器、逐次逼近 寄存器、三态输岀锁存器等其它一些电路组成。因此，adc0809可处理8路模拟量 输入，且右三态输岀能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输岀 与ttl兼容。53d2di54vitfgnd55dovraf56d4vcc57d5clok58d6oe59d7d360aleeoc61cstart62bin763a adc0809in664inoin565iniin466in2in340414245464748495051图10adc0809引脚图3. 引脚功能：adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下而说明齐引

21、脚功能。in0in7： 8路模拟量输入端。d0d7： 8位数字量输出端。adda、addb、addc： 3位地址输入线,用于选通8路模拟输入屮的一路。如下 表1-1所示：表 1 adda、addb、addc 真值表addcaddbadda输入通道000ino001ini010in2011in31001011n5110in6111tn?表1-1ale：地址锁存允许信号，输入，高电平冇效。start： a/d转换启动信号，输入，高电平冇效。eoc： a/d转换结束信号，输出，当a/d转换结束时，此端输岀一个高电平(转 换期间一直为低电平)。0e：数据输出允许信号，输入，高电平冇效。当a/d传换结束

22、时，此端输入一个 高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。ref ( + )、ref (-):基准电压。vcc：电源，单一+ 5v。gnd：地。adc0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ale二1,将地址存入地址锁 存器屮。此地址经译码选通8路模拟输入z到比较器。start ±升沿将逐次逼近 寄存器复位。下降沿启动a/d转换，之后eoc输出信号变低，指示传换正在进行。 直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据已存入锁存 器，这个信号可用作中断申请。当0e输入高电平时，输出三态门打开，传换结果 的

23、数字量输出到数据总线上。（三）：at89c51 与adc0809 连接图图11（四）共阳极led连接图d2d37- a 阳 匚yiodpd”4camt j耳汨.ze ldfa.； 上 朗.v <dpoe19u.4ikc« l2p20 til 更2p23h4p2j71a1001 vw> l£ah1id14u-mfp-10mct<hc5734hx-mcbcs?mx图12icl7107是美国inters订公司专为数字仪表生产的数字仪v为满幅输入电压 一般取200mv专用芯片。该芯片集成度高，转换精度高，抗干扰能力强，输出积分电 容可宜接驱动发光数码管，只需要很少

24、的外部元件，就可以构成数积分电容取值用 下式估算：字仪表模块。icl7107芯片用在x线机毫安显示电路中，能使毫 cint=4000xiint/foscxvis安读数显示电路做到使用元件少，可靠性高,调试维 修方便。v为积分器输出幅度。is1icl7107芯片简介自动稳零电容cazicl7107是 双积分式3位半模数转换器,icl7107集成电自动稳零电容caz人小的选择依系统 允许引入的噪声为路内。at89s52是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机片内含4k bytes isp (in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器, 器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系 统及80c51引脚结构