多量程直流数字电压表.docx
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多量程直流数字电压表
电子技术课程设计报告
专业班级：
学生学号：
学生姓名：
指导教师：
设计时间：
自动化与电气工程学院
设计课题题目：
多量程直流数字电压表
一、设计任务与要求
1．设计并制作一个直流稳压电源，设计要求为
（1）输入电压为220V
（2）输出电压为±5V
2．设计一个
直流数字电压表，设计要求为
分辨率
（1）测量量程：
基本量程：
200mV0.1mV
扩展量程：
2V1mV
20mV0.01mV
（2）测量范围：
0mV~2V
（3）显示范围：
十进制数0~1999
（4）使用双积分A/D转换器ICL7107完成直流电压的数字化转换
二、电路原理分析与方案设计
1.设计要求分析
数字电压表由电阻网络（量程调整）、直流放大（运放组成）、电压极性判断、A/D转换、数码（液晶）显示等部分组成。
直流数字电压表主要完成对电位器或外部电压的测量与显示。
因此，为了适应不同大小的的待测模拟电压信号，应该有测量量程的选择功能。
ICL7107是双积分式三位半A/D转换器，可构成基本量程200Mv,而扩展量程2V可由电阻电位器分压，20mV量程可由运放放大。
2.方案设计
（1）±5V直流稳压电源
首先通过中心抽头的18V电源变压器，输出电压经过四个二极管组成的桥式整流电路整流后通过电容滤波，然后通过三端稳压管LM7805和KV7905分别对正负电压进行稳压，在对输出电压进行滤波，从而得到较为稳定的±5V直流稳压电源。
（2）
直流数字电压表
将输入电压分别通过电阻电位器和μA741运放放大器进行缩小和放大，将输出信号输入到ICL7107A/D转换器V-IN端，经过A/D转换电路、参考电压电路、复位电路、时钟电路等电路完成数据转换及传输，最后通过
数码管进行显示。
三、单元电路分析与设计
1．单元电路原理分析
电源：
（1）电源变压器
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
[2]B1为带中心抽头的18V变压器。
220V的交流市电通过电源变压器变换成交流低压，而带中心抽头的变压器将电压分为正负两端。
变压器的选择要根据所需的输出电压大小来确定，原则是变换后的电压必须至少比输出电压高3伏。
本次电路需要的是±5V，所以通过变压器后的电压应为9V。
（2）桥式整流电路
在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。
选择电容滤波电路后，直流输出电压：
Uo1=（1.1～1.2）U2。
[2]D1D2D3D4是由四个二极管两两并联后接入输出电压，根据二极管的单向导通原理，分别把正负电压整流并输出。
本电路使用的二极管型号为IN4007，适用范围为正向电流1A,最大反向电压为1000V
（3）滤波电容
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
电容滤波是利用电容的充放电作用使整流输出电压变得平稳，而且电压幅值升高，滤波效果好，适于各种整流电路。
滤波电容的选择主要是种类和容量、耐压值的确定。
常用的整流滤波电容有铝电解、钽电解、涤纶、独石电容等。
独石电容体积可以做得很小，耐压也可以做得很高，化学性能和热性能比较稳定，但容量小。
一般当整流输出电流大时，必须用电解电容滤波稳压；输出电流小时，用一般电容或电解电容滤波都可以。
[4]
（4）三端稳压管7805和7905
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
LM78××输出电流1A以上,内置过热保护电路,无需外部元件,输出晶体管安全范围保护,内置短路电流限制电路。
三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V，7909表示输出电压为负9V。
79系列除了输出电压为负。
引出脚排列不同以外，命名方法、外形等均与78系列的相同。
引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。
这样标注便于记忆。
引脚1为最高电位，3脚为最低电位，2脚居中。
从图中可以看出，不论正压还是负压，2脚均为输出端。
对于78××正压系列，输入是最高电位，自然是1脚，地端为最低电位，即3脚，如附图所示。
对与79××负压系列，输入为最低电位，自然是3脚，而地端为最高电位，即1脚，如附图所示。
此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第3脚相连。
这样在78××系列中，散热片和地相连接，而在79××系列中，散热片却和输入端相连接。
[3]
仪表板：
（1）数码管
本电路采用四位七段共阳极数码管，共阳极数码管是指八段数码管的八段发光二极管的阳极（正极）都连在一起，而阴极对应的各段可分别控制。
共阳极数码管公共端在中间，而共阴极数码管公共端在旁边。
表示四位数码管后三位是从1到9的，千位只显示1和符号“—”，即显示数据为0~1999.同理，四位半显示0~19999，
位显示0~3999.
（2）A/D转换器ICL7107
ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。
它包含
位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
它将高精度、通用性和真正的低成本很好地结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。
①1脚——+5V；21脚——电源地；26脚——-5V；30脚——信号地；32脚——模拟地；35脚——基准地;电路中30、32、35连接并接地。
注意：
电路中电源地与模拟地只可有一点相连，即所有电源地串联且所有模拟地串联并分别接地。
②2~25脚各引脚分别与数码管相连;注意：
19脚ab4，千位数笔段驱动输出端，由于
位的计数满量程显示为“1999”，所以ab4输出端应接千位数显示器显示“1”字的b和c笔段。
③26、27、28——积分网络;
27端：
INT，积分器输出端，外接积分电容
5（一般取
=0.22μF）。
28端：
BUFF，输入缓冲放大器的输出端，外接积分电阻
4（一般取
=47KΩ）。
29端：
A-Z，积分器和比较器的反相输入端，接自校零电容
（取
=0.47μ）。
④30、31——INLO、INHI，输入电压低、高端;由于两端与高阻抗CMOS运算放大器相连接，可以忽略输入信号的注入电流，输入信号应经过1MΩ电阻和0.02μF电容组成的滤波电路输入，以滤除干扰信号。
⑤33、34——基准电容负压、正压端；被充电的电压在反相积分时，成为基准电压（一般取C2=0.1μF）
⑥35、36——外接基准电压低、高位端，由电源电压分压得到。
⑦38、39、40——产生时钟脉冲的振荡器的引出端；外接R1=100KΩ、C1=100pF
（3）模拟开关CD4052
CD4052为双4选1模拟开关，相当于一个双刀四掷开关，特点是电平位移，双向传输，地址选择。
Y0~Y2分别控制数码管后三位的小数点，X0、X1控制20mV档，X2控制2V档。
SA、SB分别控制两个内置开关以形成四个状态。
（4）运算放大电路
2．计算书
（1）放大电路的电阻选择[1]
根据虚断和虚短的概念有：
υp≈υn,ιp=ιn=0,可知
υi=υp≈υn=υf=
从而可得电压增益为
=
因所需量程为2000mV，即将电压放大10倍，即
=10
所以
=10;
即
所以电路中选取的电阻
即
（2）分压电路电阻的选择
因为所需量程为20mV，即将量程缩小10倍，
所以要求
即
，
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图——整机电路图
2.元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
R1
RT1-1
100KΩ，额定功率1/4W
1
R2
RT1-2
24KΩ，额定功率1/4W
1
R3
RT1-3
1MΩ，额定功率1/4W
1
R4
RT1-4
47KΩ，额定功率1/4W
1
R5
RT1-5
510Ω，额定功率1/4W
1
R6
RT1-6
10KΩ，额定功率1/4W
1
R7
RT1-7
100KΩ，额定功率1/4W
1
R8
RT1-8
10KΩ，额定功率1/4W
1
R9
RT1-9
1MΩ，额定功率1/4W
1
R10
RT1-10
97KΩ，额定功率1/4W
1
实际电路中用100KΩ
R11
RT1-11
10KΩ，额定功率1/4W
1
R12
RT1-12
10KΩ，额定功率1/4W
1
U1
ICL7107
V+~GND:
6VV-~GND:
-9V
模拟输入电压：
V+~V-
参考源输入：
V+~V-
时钟输入：
GND~V-
1
U2
CD4052
电源电压=-0.5～18V;输入电压=-0.5～Vdd+0.5V;直流输入电流=±10mA
1
U3
μA741
最大电源电压：
±18V；最大差分电压:
±30V；最大输入电压:
±15V
1
U4
LM7805
输出电流1A以上,内置过热保护电路,无需外部元件,输出晶体管安全范围保护,内置短路电流限制电路。
1
实际电路中与散热器相连
U5
KV7905
输出电流1.5A
1
U6
DPY_7-SEG_DP
共阳极
1
U7
DPY_7-SEG_DP
共阳极
1
U8
DPY_7-SEG_DP
共阳极
1
U9
DPY_7-SEG_DP
共阳极
1
C1
101
100pF；独石电容
1
C2
104
0.1uF；独石电容
1
C3
223
0.02uF；独石电容
1
C4
474
0.47uF；独石电容
1
C5
224
0.22uF；独石电容
1
C6
1000uF；电解电容
1
C7
220uF；电解电容
1
C8
104
0.1uF；独石电容
1
C9
104
0.1uF；独石电容
1
C10
10uF；电解电容
1
C11
10uF；电解电容
1
C12
104
0.1uF；独石电容
1
C13
104
0.1uF；独石电容
1
D1
IN4007
正向电流1A,最大反向电压为1000V
1
D2
IN4007
正向电流1A,最大反向电压为1000V
1
D3
IN4007
正向电流1A,最大反向电压为1000V
1
D4
IN4007
正向电流1A,最大反向电压为1000V
1
W1
WT1-1
1K
W2
WT1-2
10K
1
W3
WT1-3
10K
1
T1
INPUT220VOUTPUT9V
1
五、安装与调试
1.调试过程描述
（1）静态调试：
检查电路
①检查芯片是否反装；
②检查数码管及芯片各引脚是否完好；
③检查电路导线连接是否有误；
④检查各电阻电容型号是否安装有误；
⑤检查电源正负端是否反装，如果无误将电源连接
⑥将地线与信号输入端短接，观察数码管是否清零
⑦变换开关连接，同理检查另两个扩展量程
（2）动态调试
在基本确定电路连接无误的前提下，接入外部电压信号，将开关分别致于三个量程，并依据电压校准器上显示的数值分别调节三个电位器，使数码管上显示的数值尽量与仪器上的数值相等。
①如果两个数值相差超过20个字，需要串联或并联相应大小电阻在进行调试
②若三个量程中有调节电位器后数码管数字未发生变化的，检查电路中各元件是否有用错的情况
2．实物照片
六、性能测试与分析
1．误差分析：
基本量程：
200mV单位：
mV
测得数据
实际数据
绝对误差
相对误差
28.63
28.61
+0.02
0.069%
77.16
77.15
+0.01
0.013%
168.35
168.24
+0.11
0.065%
扩展量程：
2000mV单位：
mV
测得数据
实际数据
绝对误差
相对误差
607．5
605.4
+2.1
0.345%
1342.8
1341.9
+0.9
0.067%
1065．2
1068.3
-3.1
0.291%
扩展量程：
20mV单位：
mV
测得数据
实际数据
绝对误差
相对误差
2.233
3.241
-1.021
0.936%
4.954
5.810
+0.956
0.759%
6.732
7.945
-1.213
0.110%
七、结论与心得
这是一个让人纠结的日子，刚开始查资料设计电路，按照以前的老电路做，理解然后略做改动。
潘老师给定了课程设计项目是：
多量程直流数字电压表设计。
当课题定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，有老师给的，网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在电脑上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于设计项目的完成。
然后我将收集到的资料仔细整理分类，设计自己的原理图。
结果的检查让人崩溃，重复检查，测试，检查。
再测试，然后就是重复这个步骤。
最终结果还是有差距的。
让我以后做事要认真。
细心的，不然就悲剧了。
所以从现在起养成良好的细心习惯。
上课人认真听老师讲课，好好学习，天天向上，为伟大的祖国做贡献。
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八、参考文献
[1]康华光电子技术基础模拟部分[M]，高的教育出版社
[2]华东师范大学物理系万嘉若,林康运电子线路基础[M],高等教育出版社.
[3]李定宣开关稳定电源设计与应用[M].中国电力出版社，2006，8
（1）
[4]直流稳压电源设计及其串联应用[J].中国通信广角,2008
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