基于ICL7107的自动控制量程数字电压表设计.docx

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基于ICL7107的自动控制量程数字电压表设计

电子技术基础

课程设计

题目名称：

直流数字电压

姓名：

xxxx

学号：

xxxxx

班级：

电气工程自动化xxx班

指导教师：

xxx

评语：

成绩：

xxx大学电气工程学院

2015年7月

参考文献………………………………………………………………………………………………12

摘要

数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它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。

目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，之所以被广泛应用是因为数字电压表具有显示清晰，读数准确，扩展能力强，抗干扰能力强等特点。

数字电压表的核心器件就是A/D转换器，A/D转换器一般有积分式、比较式和复合式三种类型。

本设计采用的集成芯片ICL7107是目前广泛应用于作为数字测量系统的一种3位A/D转换器，能够直接驱动共阳极数字显示器，构成数字电压表的A/D转换及锁存和译码模块,从而克服了使用专用的A/D转换器电路复杂，用到的芯片多等缺点，使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。

该系统除了可以测量电压值，更是可以利用模拟开关CD4051实现自动切换量程的功能，即能够实现0~1.999V、0~19.99V、0~199.9V共三个量程电压值的测量。

关键词：

ICL7107数字电压表A/D转换模拟开关自动量程转换

1.课程设计任务与要求

1.1设计目的

1．掌握双积分A/D转换的工作原理以及集成双积分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。

1.2设计内容及要求

1．设计一个直流数字电压表电路；

2．直流电压测量范围：

0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V。

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．选做内容：

自动量程转换。

2.总体设计思路

本设计的整体思路是：

首先对输入数字电压表的被测电压进行电压的变换，即电压的大小，变换至下一个电路能够识别的状态。

其次，转换芯片或控制芯片电路能够根据输入电压的状态调整电压变换电路的结构，使之能够控制电压变换电路，达到自动控制切换的目的。

最后，通过转换器或控制芯片电路输出转换后的信号，经过译码在数码管上面显示出来。

2.1方案选择与论证

根据设计要求和功能实现，以及网上查阅资料文献等，我们考虑了如下三个可行性方案：

方案一：

基于单片机的量程自动转换电压表设计方案

采用转换芯片AD736实现任意波形的有效值的精确测量，通过多路模拟开关与运放的组合设置多个电压量程，应用MC14433的超欠量程信息控制单片机，自动识别交流信号电压范围，选择相应的增益和衰减，实现量程自动转换功能。

方案二：

积分式直流数字电压表的设计方案

主要由模拟和数字两部分构成。

模拟部分分为被测电压信号通过自动量程选择电路，采用双积分A/D转换成数字信号，双积分A/D转换是由OP07集成运放和LM393运算放大器组成，利用电子开关来实现自动校零和量程转换功能。

数字部分以AT89S52为核心，控制由光电耦合器6N137耦合过来的数字信号，有6位数码管LED自动显示量程和电压值。

方案三：

自动量程转换数字电压表的设计方案

以芯片ICL7107为电路的核心器件，采用+5V和-5V两组电源供电，搭建一些其他元件而构成的自动转换数字电压表的设计方案，自动量程切换电路主要由译码器实现小数点的转换而组成，分压电路则由CD4051模拟开关和特定阻值电阻构成。

ICL7107器件实现A/D转换功能，输出转换后的电压，数字显示电路由共阴极LED数码显示管和七段译码器构成。

综合比较三个电路的优缺点，我们最终选择了方案三。

因为该电路是以A/D转换器ICL7107芯片为核心组成的3位半数字电压测量电路，同时外接分压电路和量程自动切换电路，可以不需要再加其它集成芯片使得系统的整体线路更加简洁化，同时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，体现出电路结构功耗低、精度大、性能稳定及使用方便等优点。

2.2系统框架结构

本次设计的直流数字电压表由测量电路、A/D转换电路、分压及量程切换电路、数码显示电路和量程转换电路组成，原理框图如图1所示。

小数点驱动

（配合被测量与量程）

LED

显示

译码器

被测电压

分压电路

A/D转换器

自动量程转换电路

图1自动量程转换数字电压表的原理框图

3.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、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器、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。

ICL7107的一个周期为用4000个计数脉冲作为A/D转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）3个阶段。

内部逻辑控制电路不断地重复产生AZ、INT、DE3个阶段的控制信号，适当的指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作，使输出对应于输入信号的数值。

而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数值T，即VIN的数值=T的数值或VIN=VREF（T/1000）式中：

4000为积分时间（1000个脉冲时间）：

T为反积分时间（满度时为2000）。

3.2ICL7107的工作原理

ICL7107内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是相互联系的。

一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。

下面将详细介绍各部分的工作原理。

（1）模拟电路

模拟电路由双积分式A/D转化器构成，电路如图2所示。

主要包括2.8V基准电压源（EO）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成.缓冲器专门用来提高COM端带负载能力，可为设计数字电压表的电阻档等提供便利条件。

这种转换器具有转换精确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模/数转换。

每个转换周期分三个阶段进行自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）,并按照AZ-INT-DE-AZ…的顺序进行循环。

令计数脉冲的周期为TCP，每个测量周期共需4000TCP。

其中，正向积分时间固定不变，T1=1000TCP。

图2ICL7107的模拟电路

（2）数字电路

数字电路如图3所示。

主要包括8个单元：

时钟振荡器；

分频器；

计数器；

锁存器；

译码器；

异或门相位驱动器；

控制逻辑；

LCD显示器。

时钟振荡器由ICL7107内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。

LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极a~g与背电极BP呈等电位时不显示，当两者存在一定的相位差时，液晶才显示。

因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP之间，利用二者电位差来驱动该笔段显示。

驱动电路采用异或门。

其特点是当两个输入端的状态相异时（一个为高电平，另一个为低电平），输出为高电平；反之输出为低电平。

图3ICL7107的数字电路

（3）ICL7107管脚排列

如图4所示为管教功能图，其中主要的为：

V+和V-分别为电源的正极和负极，COM是模拟信号公共端，简称“模拟地”,使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

TEST为测试端，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”。

该端有两个功能：

作测试指示，将它的U+时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象；

作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。

au-gu,aT-gT,aH-gH:

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。

这里需要说明的是，ICL7107的数图4ICL7107管脚排列

字地并为引出，但可将测试端视为数字地，该端电位近似

等于电源电压的一半。

3.2.1直流数字电压表测量电路

如图5所示为电压测量分压部分。

电压测量分压部分主要就是一些特定的电阻构成，通过电阻分压之后再进入A/D转换器电路，进行下一个部分的处理。

该测量分压电路共设三个档：

2V、20V、200V。

R1~R4为分压电阻，均采用误差较小的紧密金属膜电阻（相抵误差为±0.5%）

由于直流输入电阻要求大于100kΩ，设定总电阻为

。

列出方程计算各电阻阻值：

得：

图5电压测量分压仿真电路

3.2.2量程转换电路

（1）CD4051模拟开关简介

CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH禁止输入端组成，并通过3位二进制信号来选择8个通道中的一个通道。

当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。

只有当INH=“0”时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。

这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗特点，并且与控制信号的逻辑状态无关。

这种多路开关输入电平范围广，数字量输入可到达3~15V，模拟量可达15V，这也是为什么将初始量程设置为最高档的原因。

二进制译码器用来对选择输入端A、B、C的状态进行译码，并控制开关电路TG，使某一路开关接通，从而使输入/输出通道相连。

表1是CD4051的真值表。

表1CD4051的真值表

输入状态

通道号

INH

C

B

A

CD4051

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

2

0

0

1

1

3

0

1

0

0

4

0

1

0

1

5

0

1

1

0

6

0

1

1

1

7

1

×

×

×

无

（2）换程电路

该电路由NE555、计时器和译码器组成。

设计思路主要是根据A/D转换器的超量程信号和欠量程信号控制555构成的多谐振荡器来对模拟电压通道进行选通，555向计数器发送CP计数脉冲，计数器设为三进制计数器，控制着3个档位的循环切换，该设计中同时选用CD4051来控制不同量程的切换，该方案的关键即为该模块的时序控制，因此要利用555输出高电平周期来详细求解出采样周期的信号等。

换程控制电路的原理示意图如图6所示。

送入ICL7107的VIN

第1档

3-8

R1

2V900K第2档

译码器

R2

＋20V90K第3档

－R3

200V9K

R4

1K

ABC

555多谐CP时序

三进制计数器

超、欠量程信号

图6：

自动切换量程方框图

3.2.3数码显示电路

该电路主要由译码器74LS138和共阴极数码管组成。

（1）数字显示

数字显示主要是ICL7107输入端接收模拟开关处得来的控制信号，通过数码管接通ICL7107的输出端A~D，以此来显示对应待测电压的数值。

如图7所示。

图7数字显示仿真电路

（2）小数点显示

小数点显示电路主要根据译码器的ABC来控制，若最高位到最低位小数点依次用D1、D2、D3、D4表示，则可写出其真值表。

0~2V对应的逻辑关系为100（小数点在高电平时才会亮），2~20V对应010,20~200V时对应001,。

在三中不同的情况下又需要接通不同的电压来对应所选择的量程。

因此我们使用138译码器，100则为Y4,010则为Y2,001则为Y1。

三个逻辑电压的输出取一个非（逻辑开关高电平为通，低电平为断），分别接入0~2V，2~20V，20~200V量程的输出端，这三个输出端直接并连在一起，当为某个电压时，有且仅当一个开关导通，其他开关断开，使得相应量程的电压能够输出并且不受到其他输出的干扰。

如表2（1表示高电平点亮）所示。

表2小数点显示真值表

输入

输出

A

B

C

D1

D2

D3

D4

0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

1

图8为小数点控制仿真电路，如图所示在555定时器作为时钟产生电路条件下，当被测电压为130.6V时,十位上的小数点点亮。

图8小数点控制仿真电路

4.电路设计及其仿真

仿真的结果如图9所示（图为输入电压为25V时制作的仿真电压表的值25.0）：

图9数字电压表电路仿真图

在这里需要特别指出的是，我们使用的仿真软件是protues7.8，这个软件内置的ICL7107的某些管脚出现了问题。

第一，7107的30和32管脚，一个是信号地，一个是模拟地，按照原理应当是接地处理。

但是，假如就接地的话，仿真就出现错误，不能启动。

于是经过我们探索，使用电压测量指针，发现30和32都为2V，内置出现了错误，处理错误必须在30和32添加直流电源，但是电压无论取什么值不影响电路，于是就当作加上电源相当于接地成功，实际上这是错误的，但是为了仿真成功，按照仿真软件的错误来。

实际焊电路时候，30和32是直接接地处理的。

第二，7107的信号输入端按照原理是应该直接接入前面CD4051的X输出端信号的，但是由于30和32脚它直接内部产生错误的原因，所以要添加2V的直流电源跟信号地抵消，免得跟实际需要的信号发生叠加。

但是我们在焊电路时候，不需要加，直接将信号输入即可。

在此特意指出，仿真的错误在实际电路中已经修改，在仿真中为了使得仿真成功不得以满足软件的错误的需要，但是实际上我们已经正确掌握7107的使用方法。

其余情况都没出现错误，能够实现电压的测量和自动换挡。

并且把仿真误差控制在了0.1%以内，成功实现了0—2V,2-20V,20-200V的电压测量。

5.系统调试及结果分析

5.1调试仪器

可调直流稳压电源（可调范围：

0-200V）一台

万用表（精度：

0.01V）一台

5.2调试方法

（1）电压测量调试：

首先用设计的数字电压表测量一电压，再用万用表进行测量，分别记录测试出来的电压值。

（2）自动切换量程调试

首先用大于2V的电压测量，观察是否能够正常测量；然后调节电源电压到比该值小一量程的电压值进行测量，观察是否能够正常测量

5.3测试结果分析及综合总结

（1）结果分析

在软件protues中，按照上述电路图连接好电路并实现仿真，改变不同的电压值，根据不同的电压值进行测量，将所得的数据和标准的电压值进行比较，其误差非常小，在可以接受的范围之内，主要是因为用ICL7107双积分模数转换器设计数字电压表具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点。

然而电路中仍存在一些缺点，即测量结果与万用表相比仍然有一定的误差，这主要是由分压电阻和模拟开关的导通电阻造成的。

（2）综合总结

本文实现了基于ICL7107的A/D转换器器芯片的自动量程转换数字电压表设计，并且达到了相应的设计要求。

即其一，测量量程电压0-2V、0-20V、0-200V三档，其二，输入电阻大于1M。

5.4硬件实物图

图10硬件实物图

6．设计心得及体会

通过这次电子设计课程，我真正的感受到了什么叫做学以致用，第一次体会到用自己所学到的知识来制作一个直流数字电压表，以前只是学习理论知识，现在通过实践操作竟然做出来了，所以不免有一定的小小成就感。

我们小组设计并制作的直流数字电压表，其中综合运用了各种数字电子技术的知识与技能。

这与之前的数字电子技术实验是有很大区别的，之前的实验课都是教一些简单的基本数字电路，比如触发器的功能，555定时电路设计成施密特触发器和多谐振荡器等。

其中最复杂的八人抢答器，通过对照着原理图，根据要求和逻辑转化并用相应的元器件设计出不同的电路以实现特殊的功能，也比较简单。

但这次的电子设计则要比之前的电路设计要难很多，复杂很多。

起初抽到这个题目时，我们迷茫的都不知道如何下手，但是在唐老师的细心讲解和自己查阅资料以后，我们对电压表的设计方向和方法有了大概的掌握。

由于课程设计时间比较紧再夹杂在繁重考试周里面，本次不仅要用到这学期所学的数字电子技术，有时还会用到模拟电子技术的知识，特别是在分析双积分模数转换器时就需要将模拟信号转化为数字信号这一过程的两个方面研究清楚才能下手，另外还要用到下个学期才学的单片机的知识。

所以我们几乎是牺牲了很多个夜晚，但是付出总是会有回报的，通过自己辛辛苦苦设计的电路图、勤勤恳恳焊接的电路板，我们收获了属于我们自己的电压表，这给我们的喜悦是巨大的。

这次设计课程不仅加强了自己的动手实践能力、团队合作能力，更是巩固了自己从课本所学的理论知识，正所谓实践出真知，我相信通过本次课程设计之后，也将为今后的学习打下很好的基础。

最后在此要感谢唐老师对我们的悉心答疑，通过老师对理论知识的讲解和一些问题的解决措施，我们才能完成本次课程设计。

参考文献

1）唐治德主编.《数字电子技术基础》.北京:

科学出版社、2009

2）唐治德主编.《模拟电子技术基础》.北京:

科学出版社、2009

3）周守昌主编《电路原理上》.北京：

高等教育出版社、2012

4）周景雷.新型多功能控制LED台灯.《电子技术》2011,38（5）

5）《标准集成电路数据手册TTL电路》.电子工业出版社、2000

6）《中国集成电路大全》编写委员会编，中国集成电路大全TTL集成电路。

北京：

国防工业出版社，1985。

7）【美】D.H.Sheinggold编著，模数转换技术，南京：

江苏科学出版社，1982.

8）彭介华编著，电子技术课程设计指导，北京:

高等教育出版社，1996年。

9）高吉祥主编，电子技术基础实验与课程设计，北京：

电子工业出版社，2005年。

电气学院电子技术课程设计元件表

题目：

直流数字电压表电气xxx班：

xxx

序号

元器件名称

基本参数

数量

替代元器件

参数

备注

1

TC7107

双积分A/D转换

1

2

电阻

9K10K,47K,90K,900K,1000K

各1

1K,100K

2

3

二–十进制加法计数器

74LS160

1

4

二进制译码器

74LS138

1

5

模拟开关

CD4051

2

6

四输入与非门

74LS20

1

7

六输入非门

74LS04

3

8

555电路

NE555

1

9

蜂鸣器

BUZZER

1

10

共阴极LED数码显示管（红）

共阴极

4

11

电容

0.1nF,0.01uF,0.1uF,0.22uF,1uF,0.47uF,

各1

12

信号放大器

CA3140

3

13

与门

74LS00

1