数字电压表设计实验报告.docx
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数字电压表设计实验报告
《数字电路》课程设计报告
课题：
数字电压表
专业：
电子信息工程
班级：
姓名：
学号：
指导老师：
日期：
2013年12月10日
一、摘要....................................2
二、设计任务及要求..........................2
三、设计总体方案............................2
四、单元电路的设计..........................3
五、调试过程及结果分析......................6
六、心得感悟................................7
七、参考文献................................7
八、附录（整机逻辑电路图、实物图、PCB板图）...8
一、摘要
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3位半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。
二、设计任务及要求
1.设计一个数字电压表电路，能够实验电压测量；
2.测量范围：
通过小数点驱动电路，直流电压0V到1.999V，0V到19.99V,0V到199.9V,0V到1999V.
3.画出数字电压表电路原理图，并作出PCB图；
4.利用芯片ICL7107来实现电路功能；
5.选择合适的电阻、电容、液晶显示器等器件；
6.完成全电路理论设计、制作、调试，制板锡焊；
7.上交制作产品一件。
8.撰写设计报告；
三、设计总体方案
（1）.方案介绍
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。
（2）.系统框图
四、单元电路的设计
4.1换挡电路
换档电路图如下：
3.1换挡电路
该模块通过配置如图所示的“基准电阻”来采用“比例法”实现多量程电压表，同时采用跳帽来实现换挡，从上到下的档位依此是：
200mV档，2V档，20V档，200V档，1000V档。
4.2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=
=
Vo=-
=-
2.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。
4.3显示部分
显示部分由共阳数码管组成，所以当输入为低电平时候，段选的那一段将会点亮从而显示字符。
小数点显示部分：
由跳帽来点亮，通过串联一个680Ω的电阻分流来实现。
数码管显示：
五、调试过程及结果分析
5.1测试仪器：
直流稳压电源、数字万用表
5.2测试方法：
用直流稳压电源给系统提供±5V的直流电，将跳帽接在200mV档，然后通过调节滑动变阻器调节使Vref值为100mV。
检查步骤：
（1）零电压测量：
将正极输入端与负极输入端短接，仪表显示为“0000”。
（2）基准电压测量：
将正极输入端与VREF+短接，读数为100.0±1。
（3）数码管段位全亮测试：
将TEST端与VDD短接，读数为“1888”。
调试完毕，将直流稳压愿的输出端调制5.0V，然后接入到电压表输入端，观察数码管上面的显示。
5.3整机测试数据
次数
实际值（V）
测量值（V）
误差
1
0.6
0.59
1.6%
2
8.2
8.5
3.66%
3
15.8
15.4
2.5%
4
22.6
22.8
0.9%
5
25.7
25.7
0%
6
30.8
30.1
2.3%
六、心得感悟
通过本次课程设计，让我对AD软件的使用更加熟练了，也了解了一些在画板子当中应该注意到的问题吗，比如说线距，如果线距没有处理得恰当，那么在焊接的时候就可能会出现一些不必要的损失，比如说两根线会在焊接的时候连接到一起，如果没注意到后期的调试工作也必然不会顺利的进行。
还有就是在调试的工程，懂得了一些怎么去处理问题的能力。
比如说在调试过程中，一开始数码管根本一个都不会亮，一开始也没有弄清楚到底是什么原因，在后来通过看原理图以及PCB图，然后在对照自己所焊接的板子，发现是连接数码管的那个电源线出现了问题，然后通过使用万用表的测试，发现那个线出现了断路，之后用锡丝连接上之后，数码管就全部都点亮了。
在本次课程设计中，学到了很多知识。
比如ILC7107芯片是怎么实现AD（模数转换）的。
七、参考文献
[1]庚华光《电子技术基础》数字部分
[2]梁德厚《数字电子技术及应用》机械工业出版社
[3]周长源《电路理论基础》高等教育出版社
[4]《常用电子测量仪器的使用》，【英】A.M.L鲁特金著，谢瑞和、黄志良、谢白关、王关兰译电子工业出版社1999.
[5]《数字电路与逻辑设计》，刘浩斌（主编）汪良能、刘鑫、刘炜（编著），电工业出版社2001.
八、附录（包括：
整机逻辑电路图、实物图、PCB板图）
8.1整机逻辑电路图
8.2PCB图
8.3实物图
正面图背面图
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