直流数字电压表分析Word格式文档下载.docx

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而采用模数转换器的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。

数字电压表（Digital 

Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

本文主要介绍的是基于ICL7107数字电压表的设计，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，能够直接驱动共阳极数字显示器，构成的数字电压具有以下几个特点：

显示数据直观；

读数准确；

准确度高；

分辨率高；

测量范围宽。

本次设计的直流数字电压表的能实现多量程的电压测量：

最高量程为200V，分三个档位量程，即0~1.999V，0~19.99V，0~199.9V。

量程的改变可以通过调档开关控制分压和小数点移位来实现。

1设计目的与要求 

1.1 

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。

3）熟悉A/D转换器ICL7107的性能及其引脚功。

4）掌握用ICL7107构成直流数字电压表的方法。

1.2设计要求

1）设计直流数字电压表。

2）直流电压测量范围：

0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V，0V~1999V。

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）电压表可以实现手动转换量程。

2设计思路 

2.1设计方案

1.主要器件由芯片ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。

2.本方案的主要特点是：

（1）能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，使整机线路简化。

（2）采用+5V和—5V两组电源供电。

（3）LED属于电流控制器件，在31/2位数字仪表中采用直流驱动方式，芯片本身功耗较小。

（4）显示亮度较高。

2.2 

系统框图 

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1.99V，0到19.99V，0到1999V，功3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21直流数字电压表设计框图

3单元电路的设计方案及原理

3.1ICL7107的工作原理

3.1.1ICL7107的工作过程

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、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少量的电阻、电容元件和显示器件，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反应速度快，是本设计的关键。

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31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。

图31双积分ADC的电路原理图

1．定时积分

在确定的时间内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32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

与取样电压成正比。

图33双积分ADC工作波形

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。

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

3.1.2ICL7107的电路原理图及引脚图

图34双积分模数转换的电路原理

ICL7107实现双积分模数转换的电路原理如图34所示。

模数转换过程分3个阶段。

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）。

集成双积分模数转换器ICL7107的引脚如图35所示。

器件的输入电压范围是0V~Vref，Vref是基准电压（2V），从INHI和INLO引脚输入测试电压。

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。

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。

图35ICL7107直流电压表

图36数字和逻辑控制

3.2电源接入端的电路

3.2.1基准电压

图37基准电压的原理图

如图37所示，将R1与滑动变阻器串联，连接电源5V和36脚。

将36脚置于滑动器，调节分压电压。

第一档为0-1.99V，所以将基准电压设置为2V，也就是调节滑动变阻器，使分压电压为2V。

3.2.2量程转换电路

图34量程转换的电路原理图

如图35所示，直流输入电阻大于100kΩ，基准电压为2V，又因为量程有0-1.999V，0-19.99V和0-199.9V，所以选择总电阻为1000KΩ，列方程：

R4+R6+R7=1000,

R7/（R4+R6+R7）=0.01

（R6+R7）/（R4+R6+R7）=0.1

解得R4=900KΩ,R6=90KΩ.R7=10KΩ.所以经过如图所示电路，从上到下，第一档为0-1.999V，第二档为0-19.99V，第三档为0-199.9V。

然后将量程转换器的两端如图所接，负端接30脚。

开关一端经1MΩ的保护电阻后接入31脚。

3.3数码管的显示电路

3.3.1LED简介

LED数码管（LEDSegmentDisplays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。

如：

显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。

LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。

小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。

发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。

常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

七段数码管分为共阳极及共阴极，共阳极的七段数码管的正极（或阳极）为八个发光二极管的共有正极，其他接点为独立发光二极管的负极（或阴极），使用者只需把正极接电，不同的负极接地就能控制七段数码管显示不同的数字。

共阴极的七段数码管与共阳极的只是接驳方法相反而已。

如图所示：

3.3.2显示电路

图39显示电路的原理图

由于所选择芯片为TC7107，输出为低电平有效，所以选择共阳极数码显示管。

最高位由于只显示0或者1，所以不用全部接完，将2，3脚连接一起共同接入7107的19脚。

然后将其他3位数码管如图所示接入。

将电源级共同连在一起接入VCC。

组成显示电路。

3.4小数点的驱动电路

由于所选数码管为共阳极数码管，输入低电平有效，用开关控制小数点的位置。

0-1.999V量程小数点接入从上往下第一档，0-19.99V小数点接入第二档，0-199.9接入第三档。

悬空时，相当于高电平，不亮。

接通开关时，接地，相当于低电平，发亮。

图36小数点控制原理图

Ui

4电路仿真图与实物图 

4.1仿真图

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0~199.9V量程电压值的测量。

电路连接图与仿真图如下图所示。

图41ICL7107作为数字电压表的仿真图

4.2实物图

图42电路板正面图

图43电路板背面图

5系统调试与结果分析

5.1调试仪器

可调直流电源，可调范围：

0~5V；

万用表，精度：

0.1mV。

5.2调试方法

1、直流电压表调试步骤。

（1）插好芯片TC7107，接图接好全部线路。

（2）将输入端接地，接通+5V，－5V电源（先接好地线），将开关分别置于第一档，此时显示器将不显示值，且小数点在第一位数码显数器右下角。

如果不是，应检测电源正负电压。

并用欧姆表测短路与否。

（3）用电阻、电位器构成一个简单的输入电压VX调