数字电压表设计.docx

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数字电压表设计

《数字电压表设计》

班级：

学号：

小组成员：

指导老师：

完成时间：

2014.10.23

第一章绪论............................................................................1

1.1数字电压表的概术...........................................................2

1.2数字电压表的结构...........................................................2

1.3数字电压表应用领域.......................................................3

1.4设计目的...........................................................................3

第二章课程设计方案、要求、任务实验原理

2.1注意事项............................................................................4

2.2系统方框图.......................................................................4

2.3设计要求............................................................................5

2.4设计任务............................................................................5

2.5实验原理............................................................................6

第3章课程设计框图及工作原理

3.2ICL7107的工作原理.....................................................14

3.3原理图............................................................................18

3.4PCB....................................................................................18

第4章系统调试及结果分析

4.1系统调试............................................................................19

4.2硬件实物图.....................................................................20

第五章总结

第一章绪论

1.1数字电压表的概术

电表是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，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，其原因是：

数字仪表应用日益广泛；

　　　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。

随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，下面介绍一下数字电压表的组成和应用领域。

1.2数字电压表的结构

数字电压表有以下几个个组成部分：

ICL7107芯片\LED数字显示器\三位半驱动\段驱动\位驱动

数字电压具有以下九大特点：

1.显示数据直观，度数准确。

2.准确度高。

3.分辨率高。

4.测量范围宽。

5.扩展能力强。

6.测量速率高。

7.输入阻抗高。

　　8.集成度高，微功耗。

9.抗干扰能力强。

1.3数字电压表应用领域

数字电压表通常被应用以下任务：

1.对一些工程上的测量；

2.完成大规模集成电路的转换；

3.应用于大规模的数字测量；

4.实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用；

本文主要是研究基于ICL7107芯片、数字显计数器的应用。

1.4设计目的

1.综合运用数字电路和模拟电路，巩固所学知识。

2.掌握常用电子元件的选择方法和元件参数的

3.了解双积分A/D转换器的工作原理。

4.了解数字显示电路的扩展应用。

5.了解产品设计的基本思路和方法。

6.掌握ICL7107构成数字直流电压表的方法。

7.加强计算机运用、查阅资料和独立完成电路设计的能力

第二章课程设计方案、要求、任务实验原理

2.1注意事项

1、关于3位半数字电压表原理图（见教材《电子线路设计实验测试》P209图7.5.4）的说明：

1）双积分型A/DC改用ICL7107，驱动共阳数码管SM4105

2）SM4105可用数字万用表通断档测试各引脚端（其中3、8脚为公共电源端），可参见教材P167BS211/212引脚排列.

3）ICL7107为正负5V电源供电，21引脚（BP/GND端）接地，37引脚（test端）可悬空

4）图中C4和C5用0.22uf和0.47uf的CBB电容

5）高三位小数点h4,h3,h2用开关选择通过限流电阻（500欧姆）与GND连接或直接用ICL7107的TEST端（37脚）

6）保险丝用熔断器XF010，封装可用普通无极性电容（rad0.1）封装

7）输入衰减电阻实际值与原理图中理论值有差异，请先测量后再正确安装，以便计算数字电压表测量误差

8）电路安装完毕后调节电位器RP，使ICL7107处于200mv基本量程档测量时，Vref值为100mV

9）4个数码管不剪短引脚，尽量一起安装在DIP40的引脚座上，布线时可适当使用跳线

10）原理图中连动多路开关选择用排针和2.54mm短路帽组合来实现，Protel中可用header5*2和header3*2来实现选择连接

2、PCB制图注意事项：

1）单面板，物理尺寸在100mm*100mm范围内

2）参数设置：

　　芯片焊盘：

60*80mil（x*ymil），其他器件焊盘大小设置为（75*75mil）

　　线间安全距离大于15mil

　　线宽大于20mil

3）至少4张PCB图打印在一张热转印纸上

图2.1-1

2.2三位半数字电压表的设计思想

数字电压表的位数是指完整显示位，即能够显示0-9十个数字的位。

所谓三位半数字电压表，即只有3位完整显示位，而其最高位只能显示0或1，故称为半位。

数字电压表一般由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。

其中，A/D转换器是数字电压表的核心部件。

方案是采用ICL7107芯片原理和相关电路相结合设计的数字电压表显计数器，电路如图所示

图2.2-1系统方框图

　　　第三章课程设计框图及工作原理

3.1工作原理

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、电压比较器、积分器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡器、计数器、锁码器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外加少量的电阻、电容元件显示器件，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显示速度快，是本设计的关键，ICL7107是一个受气为用4000个计数脉冲时间作为A/D转换的一个周期时间，每个周期分为自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反积分（DE）3个阶段。

内部逻辑控制电路不断的重复产生AZ=、INT、DE、3个阶段的控制信号，适时的指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作。

使输出对应输入信号的数值，而输入模拟信号的数值在其内部数值上等于计数数值T，即：

VIN的数值=T的数值或Vin=Vref（T/1000）式中：

1000为积分时间（1000个脉冲周期）：

T为反积分时间（满度时间为2000）。

管脚1和26是ICL7107的正、负极。

COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用适应与IN-、UREF-端短接。

TEST是测试端，该端经内部500殴电阻接数字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故称作数字地。

该端有两个功能：

（1）做测试指示，将它接U+LCD显示全部笔段1888，可检查笔段有无残缺现象，

（2）作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标识符的显示电路。

a1到g1、a2到g2、a3到g3、bc4分别为各位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。

千位b、c在LCD内部连通。

当计数值N>1999时，显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，一次表示仪表超越量程（过载溢出），POL为负极性指示的驱动端，BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。

OSC1到OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两极反向式阻容振荡器。

UREF+、UREF-分别为基准电压的正、负端，利用片内U+-COM之间的+2.8V基准电压源进行分压，可提供所需的UREF值，亦可选外基准，CREF+、CREF-是外接基准电容端，IN+、IN-为模拟电压的正、负输入端，CAZ直接自动调零电容。

BUF是缓冲放大器输出端，按积分电阻RINT。

INT为积分器输出端，按积分电容CINT。

需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未指出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电压近似等于电源电压的一半.

3.2ICL7107的工作原理

二者是相互联系的。

亦方面由控制逻辑产生控制信号，按定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A\D转换正常进行，另一方面模拟电路的比较器输出信

又控制着数字电路的工作状态和显示结果。

下面介绍各部分的工作原理。

（一）模拟电路

模拟电路由双积分式A\D转换器构成，电路如图2所示。

主要包括2.8V基准点呀。

图3.2-1ICL的模拟电路

源（EO）、缓冲器（AL）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关的组成。

缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件.这种转换器具有转换准确高度、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点。

适合做低速\模转换。

每个转换周期分为三个阶段进行，自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ到INT到DE到AZ的顺序进行循环。

令计数脉冲的周期为TCP。

每个测量周期共需要4000个TCP，其中，正向积分时间固定不变。

T1=1000TCP，仪表显示值，

将T1=1000TCP,UREF=100.0mV带入上式得。

N=10UIN、或UIN=0.1N。

（2-2）

只要把小数点定在十位上，即可直读结果，满量程时：

N=2000，此时UM=2UREF=200mV。

仪表显示超量程符号“1”。

要测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。

积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容聚丙烯电容。

为了提高仪表抗串模干扰能力，正向积分时间（称采样时间）T1应是工频周期的整数倍，我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms,应选

T1=20n（ms）.（2-3）

式中，n=1,2,3，………。

例如取n=2,4,5时，T1=40ms、80ms、100ms,能有效地抑制50Hz干扰。

这是因为积分过程有取平均的作用，只要干扰电压的平均值就不影响积分器的输出。

但n值也不宜过大，以免测量速率太低。

图3.2-2ICL7107外围电路图

（二）数字电路

数字电路如图4所示，主要包括8个单元：

（1）时钟振荡器，

（1）频分器；

（2）计数器；

（3）锁存器；

（4）译码器；

（5）异或门相应为驱动器；

（6）控制逻辑；

（7）LCD显示器。

时钟振荡器由ICL7106内部相反器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。

若取R为120千殴，C为100皮法，则F0=40kHz。

F0经过4分频后得到计数频率，fPC=10kHz,即TCP=0.1ms。

此时测量周期T=16000T0=4000TCP=0.4s.测量速率为2.5次每秒。

F0还经过800分频。

图3.2-3ICL7107数字电路

得到50Hz方波电压，接LCD的背电极BP。

LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极a到g与背电极BP呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示因此，可将两个频率与幅度相同而相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动该笔段显示。

驱动电路采用异或门。

其特点是当两个输入端得状态相异时（一个为高电平、另一个为低电平），输出为高电平；反之输出低电平。

（三）小数点驱动电路

为了显示小数点，需采用CD4030四异或门（或CD4077四异或非门），电路如图。

图3.2-4小数点驱动电路

S为晓数点选择开关，DP1到DP3一次为个位、十位、百位的小数点驱动端，LCD的背电极接BP。

剩下一个异或门还可驱动标识符。

控制逻辑有三个作用：

第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使A\D转换正常进行；第二，判定输入电压极性并龙智LCD的负极性显示；第三，超量程时发出溢出信号使千位显示1，其余位消除。

用计数器的输出信号ABC控制小数点电路，若最高位到最低位小数点依次用Dp1、Dp2、Dp3及Dp1表示，则可以写出其真值表，如表1（1表示点亮）所示。

输入

输出

Dp4

Dp3

Dp2

Dp1

表1小数点显示真值表

3.4原理图

3.5PCB图

第四章系统调试及结果分析

4.1系统调试

1．调试仪器

可调直流电源，可调范围：

0~200mV；万用表，精度：

0.1mV。

2．调试方法

（1）.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。

（2）.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。

3．测试结果分析

（1）.电压测量：

由测量可知该表测量电压较准确，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。

（2）.自动切换量程测试：

由测量可知自动切换量程功能能够实现。

4.2硬件实物图

　　　原件清单：

ICL7107芯片一个、非极性电容、电阻、电位器、数码管等PCB单路板。

第五章总结

　　　2011年1月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。

从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。

历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。

回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。

2月初，在与导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：

基于CD4553的三位数显计数器的设计。

当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。

我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。

在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。

我在学校图书馆，大工图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。

然后我将收集到的资料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。

3月初，资料已经查找完毕了，我开始着手论文的写作。

在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。

在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。

3月底，论文的文字叙述已经完成。

4月开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。

为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细学习了Excel的绘图技术和proteus仿真软件的应用。

在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。

最后采用CD4511做译码器，用STC89C52单片机实现对技术频率的控制，然后再结合相应的电路最终达到预期效果

　　当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。

这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。

在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。

我不会忘记这难忘的几个月的时间。

毕业论文的制作给了我难忘的回忆。

在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。

这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。

我从资料的收集中，掌握了很多单片机、CD4553芯片、LED显示屏的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今单片机、LED显示屏的最新发展技术有所了解。

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，实事求是的学习态度，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。

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