数字显示测量音频电功率本科学位论文文档格式.docx
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另一方面，若该输入信号相对与转换器的电源电压没有回转，可将INLO连接到模拟公共端上，以建立正确的共模电压。
在此积分阶段的最后，积分信号的剂型也已经确定了。
2.1.3反向积分阶段
最后一个阶段就是反向积分阶段。
低端输入在芯片内部连接到模拟公共端，高端输入通过先前以充电的参考电容进行连接，内部电路能使电容的极性正确地连接以确保积分器的输出能回到零。
积分器的输出回到零的时间正比于输入信号的大小。
对应的数字输出为：
显示值=1000
VN/VREF.
2.1.4差动输入
输入端能承受输入放大器允许的共模电压范围内的差动电压。
即在比正电源低0.5V和不比负电源高1V的范围。
在此范围内，电路有86dB的共模抑制比。
然而必须注意的是积分器的输出不能进入饱和区，一种最坏的情况可能是在输入端有一接近满量程的负向差动电压，同时又有一个较大的共模正向电压，负向的差动电压使得积分器的输出向正方向走，而此时积分器输出的正向摆幅又被正向共模电压所挤占，在这种严格的应用条件下，可适当地牺牲一些精度，将积分器的输出电压摆幅降低到低于所推荐的2V满量程。
积分器的输出可以在比正电源低0.3V或比负电源高0.3V的范围内摆动而不影响线性度。
2.1.5差动参考源
参考电压能够在转换器的电源电压范围内的任意位置上产生。
共模误差的主要来源是翻转电压，这是由于参考电容对其接点上的分布电容充电或放电而造成的。
如果有一较大的共模电压，在正电压输入下进行反向积分时，参考电容会得以充电（电压增加）。
反之，在负电压输入下进行反向积分时，参考电容会失去电荷。
这种由于正负输入电压而在参考电容上造成的电压差异会导致翻转误差。
2.2MC1495乘法器
Mc1495是宽带线性四象限乘法器该mc1495是专为使用的情况下输出是一个线性产品两个输入电压。
最大的多功能性，是保证让用户选择的水平转移的方法，典型应用包括：
乘，除平方根，意味着广场，相位检测器。
图2.2MC1495乘法器的管脚引线排
图2.2示电路，设KM＝0.1（V－1），高频信号uC（t）＝4cosωCt（V）
低频信号uΩ（t）＝5cosΩt（V），其中ωC>
>
Ω。
图2.3乘法器
其输出电压u0，并画出uo的波形图及振幅频谱图。
uo＝KMuΩ（t）uC（t）
＝cos（ωC＋Ω）t＋cos（ωC－Ω）t
＝cos[2π（fC＋F）t]＋cos[2π（fC－F）t]
（其中:
fC=ωC/2π、F=Ω/2π）（2.1）
2.4LED数码管显示原理（led数码管的工作原理）
LED数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。
共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极（负极）短接后作为公共阴极。
当驱动信号为高电平、Ө端接低电平时，才能发光。
LED的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。
常见管芯材料有磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）、氮化镓（GaN）等，其中氮化镓可发蓝光。
发光颜色不仅与管芯材料有关，还与所掺杂质有关，因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。
其他颜色LED数码管的光谱曲线形状与之相似，仅入，值不同。
LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。
LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。
当PN结导通时，依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。
在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。
当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。
因此LED数码管属于电流控制型器件，其发光亮度L（单位是cd／m2）与正向电流IF有关，用公式表示：
L=KIF即亮度与正向电流成正比。
LED的正向电压U，则与正向电流以及管芯材料有关。
使用LED数码管时，工作电流一般选10mA左右／段，既保证亮度适中，又不会损坏器件。
图2.4LED数码管原理图
这里是用的共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。
led数码管原理图示意：
图2.5数码管内部结构
从图2.4可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：
1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；
2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp）端接低电平或“0”电平。
这样才能显示的。
一般刚接触数码显示的网友搞不清字段和编码的关系，要看硬件的电路的组成的，其实这里的实验板上的数码显示是用P0口驱动的，原理图可以参阅实验板的网页，其计算的方法如下，供参考：
例：
如要显示“0”，则要a,b,c,d,e,f六个字段亮就显示“0”了，而g和dp字段不亮；
这样只要向P0口送出相应的代码即可，编码方法如下表2.2：
表2.2编码方法
程序使用时，只需将显示数字所对应的编码送P0口，然后打开相应的数码管显示位的电源控制即可显示相应的字符；
实验板载程序如下供参考：
ORG0000H
ajmpstart
org0030h
start:
movsp,#60h;
movP0,#0A4H;
//将数字2的编码送P0口
CLRP2.0;
//打开第一位数码管的显示电源
ACALLD1MS;
//调用延时1MS子程序
SETBP2.0;
//显示1MS后关第一位数码管显示
MOVP0,#0B0H;
//数字3的编码
CLRP2.1;
//打开第二位数码管的显示电源
SETBP2.1;
//显示1MS后关第二位数码管显示
MOVP0,#99H;
//数字4的编码
CLRP2.2;
//打开第三位数码管的显示电源
SETBP2.2;
//显示1MS后关第三位数码管显示
MOVP0,#92H;
//数字5的编码
CLRP2.3;
//打开第四位数码管的显示电源
SETBP2.3;
//显示1MS后关第四位数码管显示
AJMPstart;
//返回从第一位显示循环
//1MS延时子程序1MS延时（按12MHZ算）
D1MS:
MOVR7,#80
DJNZR7,$
RET
END;
第三章工作原理及电路设计
3.1工作原理
电路组成如图2.1所示，由取样电路、乘积运算电路、电平转换电路、A／D转换电路和LED显示部分组成
取样
UL，IL
乘积运MC1495
I2，Iμ
电平转换LM741
P0
A/D转ICL7107
LED显示有功功率
图3.1音频数字功率组成
本设计基于电功率等于电流与电压乘积的基本原理。
完成该乘积运算的核心器件是模拟乘法器MC1495，配合使用运算放大器LM741实现电平转换，ICL7107完成A／D转换并驱动LED实现功率的数字显示。
其中，取样电路获取负载电压UL和负载电流IL，模拟乘法器MC1495实现负载电流与电压的乘积运算，即功率运算，该模拟乘法器采用差动方式从2脚和14脚输出与负载功率成比例的电流I2-I14口由运放LM741组成的电平转换电路将乘法器输出的差动电流转换成电压VO，此电压正比于负载上的平均有功功率PO，再配接由ICL7107为核心组成A／D转换及显示电路，LED数码管显示的数字即为负载有功功率。
3.2电路设计
总体电路如图3.2所示。
整个电路制作在一块5×
8cm的印刷电路板上。
图3.2音频功率计电路
3.2.1取样电路
取样电路的任务是获取负载电流IL和负载两端的电压UL。
图2.2中精密取样电阻Rsense将负载电流，IL转换为电压VX′，Rsense=0.1Ω，故VX′=ILRsense=0.1IL。
负载电压UL则直接送至VY′。
3.2.2有效值功率转换电路
由四象限线性模拟乘法器MC1495实现负载电流与电压的乘积运算，采用差动方式输出与负载功率成比例的电流。
这部分电路主要设计是依据制造商提供的MC1495技术资料及设计要求。
按最大有效值电功率P=100W设计，扬声器阻抗RLoad耐变化范围在4～16Ω之间，则负载电流IL最大约5A（峰值7A），负载电压UL最大约40V（峰值57V）。
从而有VX′（max）=0.7V，VY′（max）=57V。
选择R01=51kΩ，R02=R03=R04=10kΩ，则
（3.1）
满足MC1495输入电压范围不超过±
10V的要求。
根据设计要求，MC1495的13脚外接电阻R13=12kΩ，3脚外接电阻由R3=12kΩ与RP3=5.0kΩ串联组成，从而保证13脚电流I13和3脚电流I3均为1mA左右。
RP3可微调乘法器的增益系数。
根据VX（max）<
I13RX和VY（max）<
I3RY得RX>
0.35kΩ，RY>
9.3kΩ，取RX=0.51kΩ，RY=10kΩ。
并根据±
15V供电电压，选择1脚外接电阻R1=3.0kΩ，乘法器MC1495输出端2脚和14脚外接负载电阻RL=3.0kΩ。
12脚和8脚分别是乘法器的X和Y输入直流偏置调节，该功能由R05，R06，RP1，RP2，DZ1，DZ2组成的平衡调节网络完成。
至此，乘法器MC1495对电流与电压的乘积运算已实现，从2脚和14脚双端差动方式输出与负载功率成比例的电流信号。
设MC1495的2脚和14脚电流（方向如图2.2所示）分别为I2和I14，则有
（3.2）
3.2.3电平转换与滤波电路
电平转换电路由图2.2中的RL，R07，RP4，Rf和运放LM741组成，作用是将MC1495差动输出电流线性转换成单端输出电压，以便A／D转换。
若电路对称（R07+Rp4=Rf，可通过微调RP4实现），则可得运放的输出电压VO=（I2-I14）Rf，，由式（3.3）代入得
（3.3）
前面已选择I3=1mA，RX=0.51kΩ，RY=10kΩ，并将式（3.3）代入式（3.4）得
（3.4）
就一般情况而言，可能存在非阻性负载引起的相移φ，那么应该以负载电流和电压瞬时值进行深入分析，
由式（3.5）得运放输出瞬时电压为
（3.5）
cosφ是功率因数。
对式（3.5）作频域分析可看出，第一项是直流成分，正是负载上消耗的有功功率。
后两项则是输入信号的2次谐波，很容易滤除掉（从而得υO的平均值
）。
运放输出信号υO经分压、滤波电路R08，R09，C3，C4后的电压作为A／D转换器的输入电压VIN送到ICL7107的31脚，此电压代表负载上的平均有功功率，根据图3.2得
（3.6）
对于任意非正弦电压和电流可看作是由一系列正弦波叠加组成，可证明，上述结论对有功功率的计算仍然正确。
3.2.4A／D转换及显示电路
这部分电路主要由ICL7107为核心组成，外围元件参数选择及设计是依据制造商提供的ICL7107技术资料及设计要求。
ICL7107是3.5bitA／D转换器，能直接驱动LED数码管，其显示数N和输入电压VIN之间的关系是
（3.7）
说明数码管显示的数字正比于负载有功功率，实现设计目的。
可通过RP5调节ICL7107的36脚参考电压VRFF，来对该功率计进行定标。
当采用±
5V为ICL7107供电时，要求VIN<
3.5V，前述VIN（max）=2V完全满足要求。
此时调节RP5使VREF大约为2V时，4位LED数码管将显示“1000”，正确选择小数点位，此即代表电功率为100.0W。
3.3调试
电路中所有电位器均使用精密多圈电位器，安装并检查电路连接无误后，按如下过程调节：
（1）乘法器X输入端直流偏置调节：
在MC1495的Y输入端4脚接入1.0kHz，5.0V（P-P）正弦波，将X输入端9脚接地，调节RP1，使示波器在运放LM741输出端6脚观察到的波形幅度尽量接近零。
（2）乘法器Y输入端直流偏置调节：
在MC1495的X输入端9脚接1.0kHz，0.5V（P-P）正弦波，Y输人端4脚接地，调节RP2，使运放LM741的输出端6脚波形幅度尽量接近零。
（3）运放输出平衡调节：
将MC1495的X输入端9脚和Y输入端4脚接地，调节RP4，使运放LM741的输出端6脚直流电位为零（LED数码管也将显示零，该步骤实际是功率计调零）。
（4）乘法器增益系数调节：
依据式（3），在MC1495的X输入端9脚接入0.2V直流电压，在Y输入端4脚接入4.0V直流电压，调节RP3，使运放LM741的输出端6脚直流电压为3.0V（与此对应VIN=2V）。
（5）A／D转换器的初步定标：
在步骤（4）的基础上调节RP5，使4位LED数码管显示“1000”。
根据需要，重复
（1）～（5）的步骤。
（6）A／D转换器的准确定标：
本电路采用直接耦合，直流电压和电流便于准确测量，故采用直流信号对系统进行准确定标。
选择RLoad=8.0Ω，耗散功率大于100W的假负载，对取样电阻Rsense的要求是耗散功率大于5W，稳定性好。
测试时UL接直流稳压电源，用数字电压表和电流表分别同时测量假负载RLoad的电压UL和电流IL，在UL=20.0V时（约50W），仔细调节RP5，使LED数码管显示功率与此时理论计算功率PL=ULIL完全一致，从而完成准确定标。
3.4测试
（1）交流功率测试
选择音频功放配接RLoad=8Ω的扬声器，用低频信号发生器的单频正弦信号作音频功放信号源，用DS5022M数字示波器测试负载交流电压和取样电阻上的电压，从而求得负载功率，测试结果表明，在音频范围内，本系统显示功率与实际功率的满度相对误差不超过±
3％。
（2）直流功率测试
UL接直流稳压电源进行测量，结果如表1所示。
相对误差小于2.5%。
负载电压UL/V
负载电流IL/A
实际功率PL=ULIL/W
显示功率P/W
相对误差
/（%）*
0．0
0．00
4．0
0．15
2．04
2．0
-2．0
8．0
0．99
7．92
8．1
2．3
12．0
1．48
17．76
18．2
2．5
16．0
1．97
31．52
32．1
1．6
20．0
2．45
49．00
49．0
表3.1直流功率测试结果
注：
*处相对误差按（显示功率P-实际功率PL）÷
实际功率PL计算，满度相对误差小于此数值。
图3.3ICL7107安装电压表头电路图
ICL7107安装电压表头时的一些要点：
按照测量＝±
199.9mV来说明。
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）。
牢记关键点的电压：
芯片第一脚是供电，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。
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。
注意接地引脚：
芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，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。
－－本文不讨论特殊要求应用。
负电压产生电路：
负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个+5V供电就可以解决问题。
比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到，这样需要增加硬件成本。
我们常用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K－56K的电阻连接到三极管"
B"
极，在三极管"
C"
极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的"
极电压为2.4V－2.8V为最好。
这样，在三极管的"
极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。
这个电压，最好是在－3.2V到－4.2V之间。
如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有"
短路"
或者"
开路"
故障，那么，电路就应该可以正常工作了。
利用一个电位器和指针万用表的电阻X1档，我们可以分别调整出50mV,100mV,190mV三种电压来，把它们依次输入到ICL7107的第31脚，数码管应该对应分别显示50.0,100.0,190.0的数值，允许有2－3个字的误差。
如果差别太大，可以微调一下36脚的电压。
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，这时候，数码管显示的数值最好是100.0，通常在99.7－100.3之间，越接近100.0越好。
这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少mV无关，也无法在外部进行调整这个读数。
如果差的太多，就需要更换芯片了。
ICL7107也经常使用在±
1.999V量程，这时候，芯片27,28,29引脚的元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在±
1.999V量程了。
这种数字电压表头，被广泛应用在许多测量场合，它是进行模拟－数字转换的最基本，最简单而又最低价位的一个方法，是作为数字化测量的一种最基本的技能。
图3.4ICL7107集成电路
该电路稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数显温度计。
图3.5ICL7107电压表电路
3.5使用ICL7107制作41/2数字电压表头
使用ICL7107制作的LCD液晶显示41/2数字电压表头，具有非常高的性能指标，可广泛应用于数字电压表，便携式数字万用表，智能测量仪器和其他高精度高分辨率的测试系统中。
ICL7107的主要性能特征：
满度测量量程为±
200.00mV（比7135更好！
）和±
2.0000V，在此范围内，准确度为±
1个字。
在积分电路上作了重大改进，采用逐次多重积分、数字调零等先进技术，保证在0V输入时读数为“0000”而且不需要使用自动调零电容，（最高位自动消隐）。
当基本量程选择为±
200.00mV时，分辨力高达10uV.目前大量使用的数字万用表DT930F等名牌系列，其芯片就是ICL7107.输入阻抗高于109Ω，输入漏电流仅仅1pA（典型值）,允许差分输入方式。
（本表头按共地方式输入）。
能够自动判断输入信号的极性，具有数据保持功能。
设有多个标志符号控制信号端口ANND（ANNUNCIATORDIRVE）。
采用LCD液晶显示，非常省电，DC9V供电时，耗电只有9mW.以闪烁方式表示超量程状态。
采用DC9V单电源（电池）供电。
3.5.1本表头的主要应用说明：
本表头是按照普通应用电路而组合成为最基本的数字表头，主要使用了其±
200.00mV的直接测量功能。
只需要给表头供电DC9V就可以正常使用。
芯片的22引脚对电源正极连接，就可以令读数数据保持，方便对瞬变信号的捕捉观察。
小数点选择:
芯片的38、39.20、21引脚是小数点选择点亮引脚，利用一只47k电阻对地连接各引脚，就可以选择点亮某一位小数点。
芯片的37引脚是基本量程选择端口，利用它接地或者是接电源正极，就可以选择基本量程是±
200.00mV（高分辨率）或者是±
2.0000V（普通应用）。
－－此特点比ICL7135好用得多。
3.5.2基本质量的快速判别：
送入DC9V直流稳压电源（小心：
电源不能反接，否则，顷刻之间可能令表头报废！
！
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