【《低频函数信号发生器直流数字电压表部分设计案例》3400字】

低频函数信号发生器直流数字电压表部分设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u30914低频函数信号发生器直流数字电压表部分设计案例 1211871.1电路组成 1179711.2工作原理 3142001.3模块测试部分 7207591.3.1调试流程 729161.3.2调试步骤 71.1电路组成“三位半A/D转换器”电路主要由大规模CMOS集成电路IC7107内的A/D转换器（配有时钟信号发生器、电子开关、计数器、译码器、逻辑控制电路、驱动电路）和集成电路4069组成的负电压产生电路、基准电压电路、LED显示电路等单元组成，电路组成框图及原理图如下：图6-1直流电压表程序框图图6-2数字电压表原理图集成电路ICL7107可完成A/D转换、计数、译码、驱动等功能，IC7107集成电路内部采用双积分取样工和原理，经内部电子开关、时钟信号发生器、计数器、译码器等协调工作，将输入的模拟信号电压转换成脉冲数量的多少，经计数、译码后，用数字的形式显示出来，从而实现了A/D转换的功能。该电路的其他部分都是为使IC7107集成电路正常工作而设置的外围电路，如集成电路4069和其他一些电阻、电容、二极管等外围元器件构成负电压、基准电压产生电路，提供电路正常工作所需的约-5V的电源电压跟1V基准电压。LED显示器可显示电路的输入电压的大小，当在其电路输入端输入0-20V直流模拟量电压时，通过LED数码管直接显示20V的直流数字量电压。1.2工作原理集成块7017共有40个脚，各脚功能如下：UDD（1脚）：正电源，＋UDD=5VUEE（26脚）：负电源，－UEE=－5V（能达到2V以上即可）INT（27脚）：积分器输出端，外接积分电容C3BUF（28脚）：输入缓冲放大器的输出端，外接积分电阻R1。模拟量输入端，输入信号经电阻3R2、RC滤波电路输入，以滤除干扰信号AZ（29脚）：积分和比较器的反向输入端，接自校零电容C4模拟量输入端，输入信号经电阻3R2、RC滤波电路输入，以滤除干扰信号IN（＋）（31脚）IN（－）（30脚）COM（32脚）：模拟信号公共端。CREF（33脚）：基准电容模拟公共端CREF（34脚）：基准电容模拟公共端基准电压VREF＋（36脚）基准电压VREF－（35脚）TEST（37脚）：逻辑地，数字逻辑电路接地端振荡器产生cpOSC1（40脚）：振荡器产生cpOSC2（39脚）：连接R4、RP2（100KΩ）OSC3（38脚）：连接C7（100pF）a1—g1（5，4，3，2，8，6，7脚）：个位数a2—g2（12，11，10，9，14，13，25）：十位数a3—g3（23，16，24，15，18，17，22）：百位数20脚：负极性输出端21脚：接地端（一）A/D转换器实现“A/D转换”有不同的方法，通常有非积分式和积分式两大类。IC7107集成电路内部采用了双积分式方法将模拟信号量转换成数字信号量进行显示。双积分式又称双斜式积分，其特点是再测量过程中用同一积分式先后进行两次积分，首先对被测电压Ux在固定时间T内进行积分，然后再对内部基准电压UREF进行反向定值积分，通过两次积分比较，将Ux变换成与之成正比的时间间隔（所以，这个A/D变换属于U/T变换），在时间间隔中对时钟脉冲进行计数，这样就使输入电压与所记脉冲数正比。若调整到19.99V输入电压所积分时间内计数脉冲正好是1999个，并使小数点设在第二位右下方，就使输入电压与计数量成完全对应，下面具体分析两次积分过程。1、准备阶段准备阶段是转换前的初始工作，S1接通至S1-4，积分器输入输出为零，计数器清零，整个电路处于休止状态。显示器显示前一具测量周期的结果。2、采样阶段对被测电压定时器（定时取电压，对电容C3积分，使电容上的电压与输入电压成正比）采样周期开始（t1）时刻，逻辑控制电路发出采样指令，使电子开关S1置于S1-1，把被测电压－Ux或（Ux）接到积分器（由A1，R1，C3组成）的输入端，同时S2断开，这时积分器开始对－Ux（或Ux）积分，其输出电压UO开始线性上升（如果是对Ux积分，UO线性下降），一旦UO大于0，过零比较器（A2）输出从低电平跳高电平，打开主门，时钟脉冲通过主门同时计数（即计时）。当经过预定时间T，即t=t2时刻，计数器溢出，并得零。溢出脉冲使逻辑控制器电路输出一个比较指令，使电子开关S1置于S1-3，采样阶段宣告结束，积分器的输出电压到UO，若输出的被测电压不收干扰，则：U01可见，UO1正比于Ux。若被测直流电压受到干扰电压UOm的影响，即加到积分器的输入电压为：Ux=-(Ux+Uom则从式中可知，U01与Ux（二）基准电压电路图6-3基准电压电路基准电压电路由3R3，3V6，3RP1组成，为ICL7107（36）脚提供1V左右基准电压，如下图所示。该电路采用并联式稳压电路，3V6为3V的稳压二极管，3RP1采用多圈精密电位器，便于电压调整。（三）时钟信号发生器ICL7107集成电路内设时钟振荡器，但必须通过外接电阻和电容来实现为ICL7107集成电路的（38）脚提供40kHz的时钟信号输出。外接电阻电容分别为3R4，3RP2，3C7。（四）负电压产生电路要使ICL7107集成电路能正常工作，必须采用±5V双电源，而在本电路中只采用一组电源，即+5V单电源电路。集成电路所需的负电源是通过“ICL7107”集成电路本身输出的方波脉冲信号（40kHz）经过滤波整流后得到的，这样虽然多了一只4069集成电路，但简化了对电源的要求。图6-4负电压产生电路电路的负电压是如何产生的呢？负电压产生电路由3IC2（4069），3C1，3C2，3V1，3V2等元件组成，如上图所示。3IC2（4069）中有六个反相器（A—F），其中“3IC2F”反相器的作用主要是对输入波形进行整形，其余5个反相器并联连接到电路中，得到的负电压有足够的功率，可满足IC7107集成电路的需要。另外，3IC2还起隔离整流电路与时钟信号发生器的作用。负电压产生的过程：负电压产生的输入信号取之于时钟信号，当输入为正电压时，经过3IC2整形、放大后对3C1（通过3V2）充电，此时，3V1截止，3C1上充电电压约为5V—0.65V=4.35V，当输入电路跳变为零时，由于3C1上所充电电压不能突变（电路特性），所以3C1充得的电压经3V1对3C2充电（3C1放大），此时，3V2截止，3C2负端由此得到一个—4.35V＋0.65V=－3.7V左右的负电压。当输入再次跳变为正电压时，3C1再充电，由于3V1截止，3C2的放电时间常数较大，3C2上的负电压基本保持不变，这样就获得了约—3.7V的电压（虽比—5V高，但已经可以保持集成电路工作），保证了集成电路ICL7107的正常工作。（五）显示电路主要显示输出电压的大小，当其在输入端输入0—19.99V的电压时，QP1—QP4（3LED1—3LED4）四个LED数码管是为电路提供输出电压数字显示的器件，本级电路的数码管工作在共阳极状态，为了保证3LED1—3LED4所需要的工作电压，电路采用了3个二极管，即3V3，3V4，3V5串联后接至+5V电压电路进行降压，这样可以限制数码管工作电压过高而造成损坏。电阻3R5连接至第2位数码管小数点脚，为其小数正常工作提供一定的工作电压。（六）零位自动校正电路3C4作为内部零件自动校正电路而设置的，这样可免除每次测量时校零的麻烦。（七）基准电容为了使电路能稳定可靠地工作，在电路上特别设置了电容3C6，该电容是一个基准电容（3C6），用来储存基准信号，满足稳定工作的需要。（八）其他外围电路组成及工作原理输入电路由于3R2组成，起缓冲和减少高频干扰作用。1.3模块测试部分1.3.1调试流程图6-5调试框图1.3.2调试步骤（1）调试接线要求：时钟发生器的震荡频率（A点）fosc=40KHZ(±1%-5%)方法：用示波器或频率计测调A点的波形步骤：a、示波器使用前需校正，面板上的主要量程开关t/div：5ms/div；v/div：1v/div，被测信号从示波器“CH1”输入端引入。bRP（0AD转换器时钟发生器的波形周期为T=5fosc=40KHZ要求：负电压值为-4V左右方法：用数字万用表测C点的对地电压步骤：a、选用数字万用表直流电压档b、数字万用表的黑表笔接地，红表笔测C点的对地电压，正常值应为—4.0V左右（因为三位半A/D转换器的电路所需负电压是由附加的负电压产生的电路提供的，输出点为C点）要求：a、参考电压（基准电压）UREF=1.000V±1%b、计算满度电压与参考电压值比b、计算满度电压与参考电压值比Ufs/UREF=2±1%方法：用数字万用表B点的对地电压步骤：a、选用数字万用表的直流电压档b、数字万用表的黑表笔接地，红笔测B点参考电压UREF，正常值应在1.000V左右，若不符，可调节3RP1使值满足要求。（5）满度电压调整要求：满度电压调至Ufs=19.99V（±1个字）方法：用数字万用表电压档检测输入电压Ui的大小，使“A/D转换器”显