基于的数字电压表设计报告.docx
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基于的数字电压表设计报告
电子技术基础
课程设计
题目名称：
直流数字电压表
指导教师：
唐治德
学生班级：
2014级11班
学号：
20144363
学生：
倪扶瑶
评语：
成绩：
大学电气工程学院
2016年7月2日
摘要
随着科学技术的发展，数字电压表的种类越来越多，功能越来越丰富，应用的领域也越来越广泛，给人们的工作和生活带来许多方便。
本文通过对比三种直流电压表设计的方案，选择介绍的是基于ICL7107数字电压表的设计。
ICL7107是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，主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用。
ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统的一种31/2位A/D转换器，能够直接驱动共阳极数字显示器，构成数字电压表，此电路简洁完整，稍加改造就可以构成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。
本文设计应用了ICL7107芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电，正确电压时DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口，从而可以在显示器上看到所需要的结果。
加上量程转换电路的设计，电路可以实现对0~1.999v，0~19.99v，0~199.9v的电压测量。
本文阐述了电路设计中具体的每一部分具体电路的结构和功能以及仿真实验和实物调试过程。
一、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。
二、设计容及要求
1.设计直流数字电压表。
2.直流电压测量围：
0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V。
3.直流输入电阻大于100kΩ。
4.画出完整的设计电路图,写出总结报告。
5.选做容：
自动量程转换。
三、设计方案比较和选择
根据设计要求和查阅资料我们拟定了如下三个设计方案：
方案一：
主要ADC0809转换芯片和51单片机
主要采用AT89C51单片机为核心处理，采用ADC0809转换芯片，其中A/D转换器用于实现模拟量向数字量的转换，单电源供电。
数字电压表的系统框图如图1所示，通过测量电路将连续的模拟电压信号经过A/D转换器转换成二进制数值，再经由单片机软件编程转换成十进制数值并通过显示屏显示。
本方案需要进行单片机的编程，由于我们在这方面专业知识尚不熟悉，所以不采用本方案。
图1
方案二：
主要使用MC14433芯片
由集成双积分模数转换器MC14433构成的直流电压表电路如图2所示。
MC1403提供稳定精确的2V基准电压。
MC14543是显示译码驱动电路。
直流输入电压围是0V~2V。
增加测量电路和量程转换电路可实现本课题要求。
图2MC14433直流电压表电路图
MC14433的性能特点有：
（1）MC14433属于CMOS大规模集成电路，其转换准确度为±0.05%。
含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。
能获得超量程（OR）、欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。
能增加读数保持（HOLD）功能。
电压量程分两挡：
200mV、2V，最大显示值分别为199.9mV、1.999V。
量程与基准电压呈1∶1的关系，即UM＝UREF。
（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式，通常选用共阴极LED数管。
（3）有多路调制的BCD码输出，可直接配μP构成智能仪表。
（4）工作电压围是±4.5 V～±8V，典型值为±5V，功耗约8mW。
方案三：
主要采用ICL7107芯片
图3为方案三ICL7107直流电压表的电路图。
直流输入电压围是0V~2V。
增加测量电路和量程转换电路即可实现本课题要求。
本方案主要特点是：
（1）ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1个字。
（2）能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，使整机线路化。
采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN。
（3）能通过部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。
（4）LED属于电流控制器件，在3 1/2位数字仪表中采用直流驱动方式，芯片本身功耗较小。
（5）显示亮度较高，噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。
图3ICL7107直流电压表的电路图
方案二和方案三中的直流数字电压表设计均由测量电路、双积分模数转换电路、数码显示电路和量程转换电路组成，不需要单片机的编程，原理框图如图4所示。
测量电路和量程转换将宽围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。
图4
进一步对比图2和图3中两种方案的电路图发现ICL1707整机组装更为方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。
综上分析，本次设计将采用方案三，即主要以ICL7107芯片和共阳极半导体数码管LED组成电路的方案。
四、设计与分析
4.1单元电路的设计
4.1.1测量电路
因为ICL7107直流电压表的直流输入电压围是0V~2V，所以要实现测量0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V围的直流电压的功能，需要在测量电路中对直流电压进行分压。
测量电路如图5所示。
当输入电压为0V~1.999V时，满足ICL7107输入电压的围，不需要分压输出。
当输入为0V~19.99V时，需要分压输出10%的电压。
当测量输入电压为0V~199.9V时，需要分压输出1%的电压。
根据分析测量电路需要用电阻值之比为1：
9：
90的电阻进行分压，本次设计采用的是10k,90k,900k的电阻，输出接单刀三置开关。
图5测量电路
4.1.2双积分模数转换电路
ICL7107实现双积分模数转换的电路原理如图6所示。
模数转换过程分3个阶段，如图7。
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）。
数字和逻辑控制见图7。
通过外接电阻电容产生周期时钟信号，在其16000脉冲周期完成一次模数转换。
图6模数转换原理
图7数字和逻辑控制
图8ICL7107引脚图
集成双积分模数转换器ICL7107的引脚如图8所示。
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。
器件的输入电压围是0V~Vref，Vref是基准电压（2V），从INHI和INLO引脚输入。
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：
A3~G3。
十位数码管段信号：
A2~G2。
个位数码管段信号：
A1~G1。
4.1.3数码显示电路
本次设计的直流电压表的数码显示将使用4个共阳极的LED数码管。
由于ICL7107芯片能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，所以在本次设计的中直接将芯片的千位数码管段信号、百位数码管段信号、十位数码管段信号、个位数码管段信号分别驱动代表千位、百位、十位、个位的四位数码管。
4.1.4量程转换电路
量程转换电路实现小数点驱动，在不同量程时驱动数码管不同位数的小数点位。
小数点驱动电路如图9所示。
三个运放负端接测量电路输出，正端分别接不同量程的分压电阻。
三个运放输出后经过两个两输入的与非门74LS00，再经过三个三输入与非门74LS10做逻辑运算后控制数码管千位、百位、十位的小数点位低电平有效显示。
图9量程转换电路
4.2分析计算
在上述量程转换电路中，需要将三个运放比较所得电压高低电平输出进行逻辑运算，驱动不同量程时数码管小数点显示的位置。
在单刀三置开关选择最下面一档，即测量直流电压为1~199.9V区间时，十位小数点亮，千位、百位小数点暗。
当开关选择中间档位，即测量直流电压输入为1~19.99V区间时，百位小数点亮，千位、个位小数点暗。
当开关选择最上面一档，即输入直流电压为1~1.999V区间时，千位小数点亮，百位、十位小数点暗。
根据以上小数点驱动电路要求，设千位、百位、十位小数点输出分别为Dp1,Dp2,Dp3,可以列出表1。
待测电压输入
运放1
运放2
运放3
Dp1
Dp2
Dp3
1~1.999V
高
低
低
低
高
高
1~19.99V
高
高
低
高
低
高
1~199.9V
高
高
高
高
高
低
表1
4.3器件选择
本次实验选择的器件如下表2。
器件名称
基本参数
数量
ICL7107
双积分A/D转换
1
A10-50AA
5档旋转开关
1
电容
0.1uF,0.47uF
0.22uF,0.02uF，100pF
每种1
电阻
24k,47k,100k,1k,1M,
900k，90k，10k
每种1
1k电位器
1
LED数码管（红）
共阳极极
4
LM324
4运放
1
表2
五、电路仿真与工作原理
5.1总电路图
根据实验室所提供的器材，我们用Proteus软件设计的直流电压表的仿真图如图10所示。
图10仿真电路图
5.2仿真分析
本设计采用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0~199.9V、0~1.999V、0~19.99V量程电压值的测量。
在进行仿真实验中，改变输入电压值作为测量的直流电压，更换到正确的档位，数码管显示测量的电压值，经过调试，与设定的电压值相比测量电压值在误差围之。
在仿真实验过程中我们遇到了小数点不能按要求准确显示和电压测量精度不够高的问题。
针对小数点不能正确显示的问题，我们更换了运放，并利用Proteus软件在仿真时对高低电平的直接显示的逻辑运算进行了重新的分析，并再次连接了电路图，实现了不同围电压输入显示不同位数的小数点。
针对测量精度不准的问题，我们调整了35脚的电位器和它所连接的电阻R1，重新设置了基准电压，将误差控制在1/1000的围。
5.3工作原理
从V1端输入待测电压，根据不同测量档位的选择，经过量程转换电路后输出正确的小数点位数。
下面部分经过LM324直流稳压电源输入稳定的电压后输入ICL7107芯片，进行双积分A/D转换。
模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。
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11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。
1．定时积分
在确定的时间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12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压为
与取样电压成正比。
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BZ（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
双积分ADC的单位模拟电压LSB为
六、组装与调试
由仿真电路绘制的PCB图如下图13所示。
图13PCB图
将制作好的PCB版焊上元器件后，实物图如图14所示。
图14实物正反面
6.1系统调试
6.1.1调试仪器
可调直流电源，可调围：
0~200V；万用表，精度：
0.1mV。
6.1.2调试方法
（1）数码管显示调试：
接+5V供电电源，将37脚（TEST）接+5V，数码管各段及百位小数点均点亮，说明显示正常。
（2）量程转换调试：
拨动三个单刀双置开关，选择不同的量程测量，若在三个量程分别显示千位、百位、十位的小数点，说明小数点驱动电路正常工作。
（3）电压测量调试：
用该表测量一电压，再用万用表测量，分别记录电压值。
（4）用电位器调试：
首先用整数的电压测量，观察是否能正常测量；然后调节电源电压到小数量程的电压值进行测量，观察是否能正常测量。
6.1.3测试结果分析
通过测量比较发现该电压表能够更为准确地测量出直流电压的数值，与万用表有一定的差异应是分压电阻和模拟开关的导通电阻引起的。
在调基准电压100mV时，由于50Hz纹波影响，无法调到精确值而对最终显示电压产生影响，对于后两位数值跳动问题，通过在输入电源处并联一个0.1uF和一个470uF电容，可抑制跳动,同时应增大接地线的截面积。
6.2故障处理
在实物调试中，我还遇到了许多故障和问题：
1.PCB版绘制错误：
第一次绘制的PCB版存在输入设备不完整的问题，我们根据需要首先在板子上对错误的线路进行了修改，包括隔断铜线和重新用导线连接。
在最终没能解决问题的情况下，我们又重新修改了PCB图，制作了新的PCB板。
2.器件脚大小不符：
本次实物制作所使用的单刀双置开关因为引脚太大不能插入PCB板上的孔，所以我们用剪刀减掉了一半的引脚。
3.电压表无常工作：
电压表在测量电压时，只能显示1666的错误数据。
我们通过测量仿真上ICL7107的35、36端引脚的电压差，得到电压表的参考电压，再在实物工作时进行测量。
将实物的参考电压调整到与仿真情况一致或者接近。
4.电源无常工作：
当实验室的+-5v电压无常工作时，我们选择了充电宝作为供电电源。
使用两个充电宝，将插在两个充电宝上的两根USB线的正端和负端相连，剩下的那根正线即输出+5v，那根负线输出-5v。
七、总结
7.1设计电路优缺点
这本次设计选择了ICL1707实现A/D转换直接驱动共阳极数码管，电路设计简单易懂。
通过运放比较实现小数点驱动，简洁且稳定。
整个电路设计美观简单，能够较为精确地进行直流电源的测量，加上绘制的PCB板同样简洁美观，制作出的直流数字电压表实物具有一定的实用价值，也可以供进一步研究使用。
本次设计的电路还存在一定的不足之处，包括以下三点。
第一，本次电路设计没有实现量程的自动转换，需要手动进行量程的转换。
希望今后有机会可以进一步研究完成电压测量量程的自动转换。
第二，本次电路设计在小数点驱动部门还不够简洁，设计思路限制在老师提供的器材LM324当中，而没有思考更加简洁的电路设计方案。
第三，本次设计电路没有考虑到实际制作当中的问题，包括与非门74LS00普遍存在问题，在画PCB用于实际使用时应该考虑使用74LS10，这样就可以免除后来因为74LS00不能正常工作而导致的问题。
7.2收获与建议
数字电压表是一种常用的电学测量仪器，有关电表的基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的。
随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，包括一些工程上的测量，完成大规模集成电路的转换，应用于大规模的数字测量，实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用。
本次课程设计我们把数字电表基本原理和应用技术引入普通电学实验中，数字电表基本原理简单，它也是一种比较法，对电容器在待测电压Vx与参考电压下的充、放电时间关系进行比较。
了解了数字电表基本原理及常用模数转换芯片外围元件的作用、参量选择原则后可在万用表设计中灵活应用数字电表的模数转换芯片。
本次设计基于ICL7107芯片、数字显计数器的应用，实现了简易美观，具有实用性的数字电压表的设计制作，锻炼了学生多方面运用专业知识和动手实践的能力。
通过本次课程设计我学习到了很多平时在理论学习中所学不到的东西。
首先，本次实验锻炼了我的分析题目要求，根据要求进行仿真和动手实践的能力。
其次，在仿真设计和实物制作的过程中，我深刻地认识到了科学研究的反复性和前进性。
再次，这次课程设计让我学会了仿真软件Proteus的使用，温习了上学期所学了PCB板的绘制。
在拿到题目后，我和自己的组员通过查阅资料确定了方案，在仿真设计中最开始只能完成测量数据的显示，无确地显示小数点的位置，于是我们又作进一步的分析试验。
针对测量精度不够高的问题，我们也进行了分析和修改。
在实物制作过程中我们也遇到了许多意想不到的困难，经历了反复地修改，攻克了诸如PCB版绘制错误、无常工作、电源的提供等问题。
最终，在看到自己的成果时，我感到了前所未有的成就感。
虽然经历坎坷与曲折，但在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。
在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。
脚踏实地，认真严谨，实事的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。
我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助，相信经过了这次课程设计的锻炼我们在未来电气工程专业学习中会更加得心应手。
对于本次课程设计，我个人的建议包括以下两点。
第一，在器材方面希望学校实验室可以提供更多的器材。
如果没有那么多免费的芯片器材，希望学校实验室可以有偿向同学们提供器材，给更多的同学进行实物制作的机会，且免除了同学们自己购买时遇到的器材错误、路途遥远的困难。
第二，在题目设计上可以给学生更多自我创新的空间，并鼓励提倡创新设计的精神，让同学们带着自己的想法投入到课程设计中来。
参考文献
[1]《数字电子技术》，唐治德主编，科学2008.
[2]《模拟电子技术》（第二版），唐治德、申利平主编，科学2014.
[3]《中国集成电路大全》编写委员会编，中国集成电路大全TTL集成电路。
：
国防工业，1985.
[4]《PROTEL电路设计教程》，江思敏、鹏冀胡荣等编著，清华大学2003.
[5]《电子技术基础实验与课程设计》，高吉祥主编，：
电子工业，2005.
附件1
元件清单
名称
元器件名称
基本参数
数量
直流数字电压表
ICL7107
双积分A/D转换
1
单刀双置开关
3
电容
0.1uF,0.1uF,0.22uF,0.047uF
每个1
电阻
0.5k,1k,2k,48k,68k,1M
每种1
10k,18k,100k
每种2
1k电位器
1
LED数码管（红）
共阳极
4
LM324
4运放
1
74LS00
1
74LS10
1
升级会员 