基于ICL7107数字电压表的设计.docx

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基于ICL7107数字电压表的设计

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，当然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。

本文主要介绍的是基于ICL7107数字电压表的设计的设计，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种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，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，够成数字电压表，此电路简洁完整，稍加改造就可以够成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。

ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种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，官地方官方主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用，调频接口电路，它采用的是双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路设计。

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。

在软件设计上，主要编写了实现计数频率的调节和单片机功能的相关程序，,最后把软件设计和硬件设计结合到一起，然后进行调试。

本文阐述了硬件设计中具体的硬件结构和功能和软件设计中具体写入的程序还有相应的调试过程。

关键词：

ICL7107芯片、数字电压表、数字电子秤、数字温度计、31/2位A/D转换器

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thetypeofdigitalvoltmeter,moreandmorefunctionmoreandmorerich,ofcourse,areasofapplicationareincreasinglybeingusedtogivepeoplealotofworkandlifeeasy.Inthispaper,isbasedonthedesignofdigitalvoltmeterICL7107design,ICL7107iswidelyusedindigitalmeasuringsystemisasetofthreeandahalfdrivedigitalconvertersectionofthedriveinoneofthelargescaleintegratedcircuits,ICL7107isawidelyusedAdigitalmeasurementsystemat31/2A/Dconverter,abletodirectlydrivecommonanodeLEDdigitaltube,enoughforadigitalvoltagemeter,thiscircuitissimpleandcomplete,littlecanbeenoughtotransformintoothercircuits,suchasdigitalelectronicsscales,digitalthermometersandotherspecializedsensorsmeasuringtools.ICL7107iswidelyusedindigitalmeasuringsystemisasetofthreeandahalfdrivedigitalconvertersectionofthedriveinoneofthelargescaleintegratedcircuits,theofficiallocalgovernmentismainlyusedforthemeasurementofdifferentvoltagesandmanyengineeringapplications,FMInterfacecircuit,whichusestheprincipleofcompletedoubleintegralA/Dconverter,allconversioncircuitsforCMOSVLSIdesign.ApplicationoftheICL7107chipdigitaldisplayandsoon,thechipisthefirstfoot-powered,correctvoltageDC5V,connectthepowersupplytotheitemstobemeasuredbyconnectingthetwoportsinthetable,soyoucanseetheneedtomonitortheresultsof.Insoftwaredesign,mainlythepreparationoftheregulationtoachievecountrateandSCMfunctionsrelatedprocedures,andfinallythecombinationofsoftwaredesignandhardwaredesigntogether,andthendebugit.Thispaperdescribesthehardwaredesignofthestructureandfunctionofspecifichardwareandsoftwaredesign,therearespecificwrittenproceduresfortheappropriatedebuggingprocess.

Keywords:

ICL7107chip,digitalvoltmeter,digitalelectronicscales,

digitalthermometers,31/2A/Dconverter

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.了解双积分A/D转换器的工作原理。

3.掌握ICL7107构成数字直流电压表的方法。

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.掌握常用电子元件的选择方法和元件参数的

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方案选择

方案1：

主要器件由芯片ICL7107和液晶显示器LCD组成。

由于7107是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模CMOS集成电路.

因此本方案有主要以下特点：

1.采用单电源供电，，可以使用9V迭层电池，有助于实现仪表的小型化。

2.芯片内部有异或门输出电路，可以直接驱动LCD液晶显示器。

3.耗功低。

芯片本身消耗电流仅1.8mA,功耗为16mW。

4.输入阻抗极高，对输入信号无衰减作用。

5.能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性功能。

6.噪声低，失调温标和增益温标均很小。

具有良好的可靠性，使用寿命长。

7.整机组装方便，无须外加有源器件，可以很方便的进行功能检查。

方案2：

主要芯片有ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。

本方案的主要特点是：

1.能够直接驱动共阳极的LED显示器，不需要外加驱动原件，使整机线路简化。

2.采用+5V和-5V两组电源供电。

3.LED属于电池控制原件，芯片本身功耗较小。

4.显示亮度较高。

方案3：

主要器件有芯片MC14433和共阴极半导体数码管LED组成。

MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片A/D转换器，它适合构成带BCD码输出的31/2位LED显示数字电压表，是目前应用较为普遍的一种低速A/D转换器。

MC14433的主要性能特点：

1.MC14433属于CMOS大规模集成电路，其转换准确度很高，内时钟振荡器，仅需外接一个振荡电阻。

能获得超量程（OR）、欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。

能增加度数保持（HOLD）功能，电压量程分两挡：

200mV、2V,最大显示值分别为：

199.9mV和19999V。

量程与基准电压成1比1关系。

即UM=UREF.原理方框图.

图2.1-1

2.2系统方框图

方案一是采用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

本文的电压表是一个31/2位半直流电压测量的数字式电压表。

测量范围为直流0到199mV，0到1.99V，0到19.99V，0到199.9V，0到1999V，功5个量程。

电压值显示稳定，读数方便，能测量正负电压和自动切换量程，使用方便，本系统可分为测试电压转换、模拟电压通道、数据电压通道、数码显示、小数点驱动电路5部分。

图2.2-1系统方框图

2.3设计要求

1.利用芯片ICL7107来实现电路功能；

2.选择合适的电阻、电容、液晶显示器等器件；

3.完成全电路理论设计、制作、调试，并画出电路原理图；

4.撰写设计报告；

5.上交制作产品一件。

2.4设计任务

1.设计一个数字电压表电路；

2.通过设计，可以实现数字测量；

3.测量范围：

直流电压0V到1.999V，0V到19.99V,0V到199.9V,0V到1999V.

4.组装调试数字电压表。

5.画出数字电压表电路原理图，写出实验报告。

2.5实验原理

1双积分模数转换器（ICL7107）的基本工作原理

当输入电压为Vx时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C进行恒流（电流大小与待测电压Vx成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q与被测电压Vx成正比；然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref成正比），这样电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。

所以，可以得出T2也与Vx成正比。

如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值N2，则N2与Vx成正比。

双积分AD的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比构成的。

现在我们以实验中所用到的3位半模数转换器ICL7107为例来讲述它的整个工作过程。

ICL7107双积分式A/D转换器的基本组成如图1所示，它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所组成。

下面主要讲一下它的转换电路，大致分为三个阶段：

第一阶段，首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器C上积累的电量，然后参考电容Cref充电到参考电压值Vref，同时反馈环给自动调零电容CAZ以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的偏置电压。

这个阶段称为自动校零阶段。

第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），在此阶段Vs接到Vx上使之与积分器相连，这样电容器C将被以恒定电流Vx/R充电，与此同时计数器开始计数，当计到某一特定值N1（对于三位半模数转换器，N1=1000）时逻辑控制电路

使充电过程结束，这样采样时间T1是一定的，假设时钟脉冲为TCP，则T1=N1*TCP。

在此阶段积分器输出电压Vo=-Qo/C（因为Vo与Vx极性相反），Qo为T1时间内恒流（Vx/R）给电容器C充电得到的电量，所以存在下式：

Qo=

=

（1）

Vo=-

=-

（2）

图2.5-1双积分AD内部结构图

第三阶段为反积分阶段（测量阶段），在此阶段，逻辑控制电路把已经充电至

的参考电容

按与

极性相反的方式经缓冲器接到积分电路，这样电容器C将以恒定电流

放电，与此同时计数器开始计数，电容器C上的电量线性减小，当经过时间T2后，电容器电压减小到0，由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计数结果。

此阶段存在如下关系：

Vo+

=0（3）

把

（2）式代入上式，得：

T2=

Vx（4）

从（4）式可以看出，由于T1和Vref均为常数，所以T2与Vx成正比，从图2可以看出。

若时钟最小脉冲单元为

则

，

，代入（4），

即有：

N2=Vx（5）

可以得出测量的计数值N2与被测电压Vx成正比。

对于ICL7107，信号积分阶段时间固定为1000个

即N1的值为1000不变。

而N2的计数随Vx的不同范围为0～1999，同时自动校零的计数范围为2999～1000，也就是测量周期总保持4000个

不变。

即满量程时N2max=2000=2*N1,所以Vxmax=2Vref，这样若取参考电压为100mV，则最大输入电压为200mV；若参考电压为1V，则最大输入电压为2V。

下面阐述它的引脚功能和外围元件参数的选择。

ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择

图2.5-2ICL7107芯片引脚图

ICL7107芯片的引脚图如图3所示，它与外围器件的连接图如4所示。

图4中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的，所以不加详述。

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与芯片内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。

下面我们来分析一下这些参数的具体作用：

Rint为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，对于ICL7107，充电电流的常规值为Iint=4uA，则Rint=满量程/4uA。

所以在满量程为200mV，即参考电压Vref=0.1V时，Rint=50K,实际选择47K电阻；在满量程为2V，即参考电压Vref=1V时，Rint=500K,实际选择470K电阻。

Cint=T1*Iint/Vint,一般为了减小测量时工频50HZ干扰，T1时间通常选为0.1S，具体下面再分析，这样又由于积分电压的最大值Vint=2V，所以：

Cint=0.2uF,实际应用中选取0.22uF。

对于ICL7107，38脚输入的振荡频率为：

f0=1/（2.2*R1*C1），而模数转换的计数脉冲频率是f0的4倍，即Tcp=1/（4*f0），所以测量周期T=4000*Tcp=1000/f0，积分时间（采样时间）T1=1000*Tcp=250/fo。

所以fo的大小直接影响转换时间的快慢。

频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度，同学们可以在实验过程中通过改变R1的值同时观察芯片第40脚的波形和数码管上显示的值来分析。

一般情况下，为了提高在测量过程中抗50HZ工频干扰的能力，应使A/D转换的积分时间选择为50HZ工频周期的整数倍，即T1=n*20ms,考虑到线性度和测试效果，我们取T1=0.1m（n=5），这样T=0.4S，f0=40kHZ，A/D转换速度为2.5次/秒。

由T1=0.1=250/f0，若取C1=100pF，则R1≈112.5KΩ。

实验中为了让同学们更好的理解时钟频率对A/D转换的影响，我们让R1可以调节，该调节电位器就是实验仪中的电位器RWC。

图2.5-3ICL7107和外围器件连接图

（1）直流电压测量的实现（直流电压表）

Ⅰ:

当参考电压Vref=100mV时，Rint=47KΩ。

此时采用分压法实现测量0～2V的直流电压,电路图见图5。

Ⅱ:

直接使参考电压Vref=1V，Rint=470KΩ来测量0～2V的直流电压，电路图如图。

（2）直流电流测量的实现（直流电流表）

直流电流的测量通常有两种方法，第一种为欧姆压降法，，即让被测电流流过一定值电阻Ri，然后用200mV的电压表测量此定值电阻上的压降Ri*Is（在Vref=100mV时，保证Ri*Is≤200mV就行），由于对被测电路接入了电阻，因而此测量方法会对原电路有影响，测量电流变成Is’=R0*Is/（R0+Ri）,所以被测电路的内阻越大，误差将越小。

第二种方法是由运算放大器组成的I-V变换电路来进行电流的测量，此电路对被测电路的无影响，但是由于运放自身参数的限制，因此只能够用在对小电流的测量电路中，所以在这里就不再详述。

如下图所示

图2.5-4

电阻值测量的实现（欧姆表）

Ⅰ:

当参考电压选择在100mV时，此时选择Rint=47KΩ，测试的接线图如图8所示，图中Dw是提供测试基准电压，而Rt是正温度系数（PTC）热敏电阻，既可以使参考电压低于100mV，同时也可以防止误测高电压时损坏转换芯片，所以必需满足Rx=0时，Vr≤100mV。

由前面所讲述的7107的工作原理，存在：

Vr=（Vr+）–（Vr-）=Vd*Rs/（Rs+Rx+Rt）（6）

IN=（IN+）–（IN-）=Vd*Rx/（Rs+Rx+Rt）（7）

由前述理论N2/N1=IN/Vr有：

Rx=（N2/N1）*Rs（8）

所以从上式可以得出电阻的测量范围始终是0～2RsΩ。

Ⅱ:

当参考电压选择在1V时，此时选择Rint=470KΩ，测试电路可以用图9实现，此电路仅供有兴趣的同学参考，因为它不带保护电路，所以必需保证Vr≤1V。

在进行多量程实验时（万用表设计实验），为了设计方便，我们的参考电压都将选择为100mV，除了比例法测量电阻我们使Rint=470KΩ和在进行二极管正向导通压

图2.5-5

降测量时也使Rint=470KΩ并且加上1V的参考电压。

常用万用表需要对交直流电压、交直流电流、电阻、三极管

和二极管正向压降的测量等，图10为万用表测量基本原理图。

下面我们主要讲讲提到的几种参数的测量：

实验使用的DH6505型数字电表原理及万用表设计实验仪，它的核心是由双积分式模数A/D转换译码驱动集成芯片ICL7107和外围元件、LED数码管构成。

为了同学们能更好的理解其工作原理，我们在仪器中预留了9个输入端，包括2个测量电压输入端（IN+、IN-）、2个基准电压输入端（Vr+、Vr-）、3个小数点驱动输入端（dp1、dp2和dp3）以及模拟公共端（COM）和地端（GND）。

图2.5-6数字万用表的组

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。

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