数字电压表设计报告.docx

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数字电压表设计报告

湖南人文科技学院

课程设计报告

课程名称:

课程设计

设计题目：

数字电压表

系别：

通信与控制工程系

专业：

自动化

班级：

二班

学生姓名:

蔡少毅彭永权孙喜艳

学号:

094213010942132009421339

起止日期:

2009年6月8日~2009年6月19日

指导教师:

李朝鹏

教研室主任：

谢四莲

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。

数字电压表电路设计要求

1、题目：

数字电压表

2、利用双积分式A/D转换器ICL7107设计一数字电压表，量程为-1.999—+1.999，通过四位数码管显示。

1.方案论证以及对比

1.1主控芯片选择

方案1：

选用专用电压转化芯片INC7107实现电压的测量和实现。

用四位数码管显示出最后的转换电压结果。

缺点是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。

优点是价格低廉。

方案2：

选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0809实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。

缺点是价格稍贵；优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。

基于课程设计的要求，我们优先选用了：

方案1

1.2显示部分

方案1：

选用4个单体的共阳数码管。

优点是价格比较便宜；缺点是焊接时比较麻烦，容易出错。

方案2：

选用一个四联的共阳数码管，外加四个三极管驱动。

这个电路几乎没有缺点；优点是便于控制，价格低廉，焊接简单。

基于课程设计的要求，我们优先选用了：

方案1

2.详细仪器清单以及芯片资料

2.1芯片ILC7107

双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。

它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。

它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。

计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。

控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。

分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。

译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。

驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。

控制器的作用有三个：

第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。

第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。

第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"，其余码全部熄灭。

钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。

它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶

ICL7107的结构电路图

2.2芯片ICL7107各个引脚的功能和注意事项

ICL7107安装电压表头时的一些要点：

按照测量＝±199.9mV来说明。

1.辨认引脚：

芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。

也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。

许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。

知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第2至第40引脚。

（1脚与40脚遥遥相对）。

2.牢记关键点的电压：

芯片第1脚是供电，正确电压是DC5V。

第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。

芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV的电压。

在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

3.注意芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是0.22uF,47K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。

芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。

4.注意接地引脚：

芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。

5、比例读数：

把31脚与36脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，观察此时数码管的读数

6、其他引脚的功能简要说明：

20引脚PM：

液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极.a1-g1,a2-g2,a3-g3：

分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极

19脚Bc4：

千位笔画驱动信号。

接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

37脚TEST：

测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”37脚输出电位为高。

可以做为数码管的小数点的显示，从而显示出所测到的、电压值。

。

27脚INT：

27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件

28脚BUF：

缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。

其输出级的无功电流（idlingcurrent）是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

AZ：

积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容（29脚）CAz。

如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

2.3电压显示电路：

设计中采用的是4段LED数码管来显示电压值。

LED具有耗电低、亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，它由4个发光二极管组成，其中3个按‘8’字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。

把4个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我们采用共阴极接法。

当发光二极管导通时，相应的一段笔画或点就发亮，从而形成不同的发光字符。

其8段分别命名为dpgfedcba。

例如，要显示“0”，则dpgfedcba分别为：

00111111B；若要显示多个数字，只要让若干个数码管的位码循环为高电平就可以了。

下图是数码管的结构图

2.4其他元器件：

0.22uF、0.047uF，103PF，104PF，100PF的电容各一个

470K，1M，10K，15K,1K,100K,1K的电阻各一个

3.单元电路设计以及计算

3.1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：

3.2自动较零阶段设计

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。

3.3信号积分阶段（采样阶段）

第二阶段，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

3.4反积分阶段（测量阶段）

第三阶段，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。

3.5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

4.系统软件工作流程图以及仿真

4.1模拟电路

本设计采用集成芯片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0~199.9mV量程电压值的测量。

电路连接图与仿真图如图（图9和图10）所

图10ICL7107的电路连接图

4.2电路仿真

本设计采用集成芯片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0~199.9mV量程电压值的测量。

电路连接图与仿真图如下图所示。

（1）Proteus可提供的仿真元器件资源：

仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。

（2）Proteus可提供的仿真仪表资源：

示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交流直流电流表。

理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。

（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。

这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。

这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。

（4）Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

电路仿真

2.Proteus软件运行流程

ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图所示。

包括：

标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。

运行Proteus程序后，进入软件的主界面。

侧工具栏中的P（从库中选择元件命令）命令，在PickDevices左侧口中选择所需元件的关键字，然后放置元件并调整方向和位置以及参数设置，最后进行连线。

如下图所示。

3.将所需的元器件放置好后，绘制成原理图如下图所示

5.系统调试及结果分析

5.1调试仪器

可调直流电源，可调范围：

0~200mV；万用表，精度：

0.1mV。

5.2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。

5.3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

图12实物图

6.总结

本次课程设计对点阵显示电路认真的学习以及对单片机技术有了更进一步的熟悉，实际操作和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手把它设计出来就比较困难了，因为是设计要求我们在以后的学习中注意这一点，要把课本上所学到的知识和实际联系起来，同时通过本次电路的设计，不但巩固了所学知识，也是我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的综合能力。

通过这次设计不仅锻炼了我们的团队协作精神，而且提高了创新能力。

在这四周的试验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟。

在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力。

在各种其他方面的能力上也都有了提高，而且在与老师和同学的交流过程中，互动学习，将知识融会贯通。

更重要的是我们学会了很多学习的方法，而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断学习、实践、再学习、再实践。

不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的完全积累，可以把这个当做基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。

7、参考文献

1、单片机原理及应用张毅刚、刘杰《哈尔滨工业大学》

2、DSP芯片的原理与开发应用彭启棕《高等教育出版社》

3、单片机基础第三版李广弟、朱月秀、冷祖祁《人民邮电》