基于ICL7107数字电压表的设计.docx
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基于ICL7107数字电压表的设计
一.摘要…………………………………………………………………2
2.1设计目的……………………………………………………………………2
2.2设计要求……………………………………………………………………2
三.总体设计思路………………………………………………………2
3.1方案选择……………………………………………………………………2
3.2系统框图……………………………………………………………………3
四.课程设计框图及工作原理…………………………………………4
4.1工作原理…………………………………………………………………4
4.2ICL7107的工作原理……………………………………………………5
4.3ICL7107安装电压表头时的一些要点…………………………………8
4.4关于多量程电路部分…………………………………………………10
五.电路设计与仿真……………………………………………………12
六.系统调试及结果分析……………………………………………13
6.1调试仪器………………………………………………………………13
6.2调试方法…………………………………………………………………13
6.3测试结果分析……………………………………………………………13
6.4硬件实物图………………………………………………………………13
七.元器件清单…………………………………………………………14
八.设计心得体会………………………………………………………14
九.参考文献……………………………………………………………14
一.摘要
数字电压表（DigitalVoltmeter）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。
目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。
与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
本章重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成各种新型数字电压表的工作原理。
二.课程设计任务与要求
2.1、设计目的
1、了解双积分式A/D转换器的工作原理
2、熟悉A/D转换器ICL7107的性能及其引脚功能
3、掌握用ICL7107构成直流数字电压表的方法
2.2、设计要求
1、采用课程或实验内容中所使用的元器件，设计一个三位半数字电压表，三位半是指个位、十位、百位的范围为0-9，而千位只有0和1两个状态，称为半位。
所以数字电压表测量范围为0001-1999。
数字电压表主要部分是A/D转换器，显示方法通常采用动态扫描（工作时四个数码管轮流点亮，利用人眼的视觉残留特性能够得到整体效果，当扫描频率过低时显示的数码会有闪烁感）方式，但需要字形译码驱动电路和字位驱动电路。
任务要求：
2、基本要求：
直流电压测量范围（0~200V）测量误差小于1%
附加
交流电压测量范围（0~200V）测量误差小于1%
自动量程转换
三.课程设计总体设计思路
3.1方案选择
1）.根据设计要求和功能的实现，我们考虑了如下三个可行性方案：
方案1：
主要器件由芯片ICL7106和液晶显示器LCD组成
关键词：
芯片ICL7106液晶显示器LCD
图一为方案1的简易原理方框图。
由于7106是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模CMOS集成电路，因此本方案主要有以下特点：
（1）采用单电源供电，可使用9V迭层电池，有助于实现仪表的小型化。
（2）芯片内部有异或门输出电路，能直接驱动LCD显示器。
（3）功耗低。
芯片本身消耗电流仅1。
8mA，功耗约16mW。
（4）输入阻抗极高，对输入信号无衰减作用。
（5）能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性的功能。
（6）噪声低，失调温标和增益温标均很小。
具有良好的可靠性，使用寿命长（7）整机组装方便，无须外加有源器件，可以很方便地进行功能检查。
方案2：
主要器件由芯片ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。
关键词：
A/D转换器芯片ICL7107共阳极半导体数码管LED
图二为方案2的简易原理方框图。
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。
（3）采用+5V和—5V两组电源供电。
（4）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。
（5）显示亮度较高。
方案3：
主要器件由芯片MC14433和共阴极半导体数码管LED组成。
MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片3?
位A/D转换器，它适合构成带BCD码输出的3?
位LED显示数字电压表，是目前应用较为普遍的一种低速A/D转换器。
MC14433的性能特点：
（1）MC14433属于CMOS大规模集成电路，其转换准确度为±0.05%。
内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。
能获得超量程（OR）、欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。
能增加读数保持（HOLD）功能。
电压量程分两挡：
200mV、2V，最大显示值分别为199.9mV、1.999V。
量程与基准电压呈1∶1的关系，即UM＝UREF。
（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式，通常选用共阴极LED数管。
（3）有多路调制的BCD码输出，可直接配μP构成智能仪表。
（4）工作电压范围是±4.5V～±8V，典型值为±5V，功耗约8mW。
3.2系统框图
本文设计的电压表是一个3位半直流电压测量的数字式电压表，测量范围为直流0~200V。
电压值显示稳定，读数方便，且能自动切换量程，使用方便。
系统框图（如图1所示）。
本系统可分为测试电压转换、模拟电压通道、数据电压通道（A/D转换及译码锁存）、数码显示、小数点驱动电路5部分。
图1系统框图
四.课程设计框图及工作原理
4.1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。
ICL7107的一个周期为用4000个计数脉冲时间作为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，适时地指挥计数器、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数值T，即：
VIN的数值=T的数值或Vin=Vref（T/1000）式中：
1000为积分时间（1000个脉冲周期）；T为反积分时间（满度时为2000）。
ICL7107的管脚排列：
管脚1和26是ICL7107的正、负极。
COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN－、UREF－端短接。
TEST是测试端，该端经内部500Ω电阻接数字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故亦称做数字地。
该端有两个功能：
①作测试指示，将它接U＋时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象；②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。
a1～g1、a2～g2、a3～g3、bc4分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。
千位b、c段在LCD内部连通。
当计数值N＞1999时显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，以此表示仪表超量程（过载溢出）。
POL为负极性指示的驱动端。
BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。
OSC1～OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。
UREF＋、UREF－分别为基准电压的正、负端，利用片内U＋－COM之间的＋2.8V基准电压源进行分压后，可提供所需UREF值，亦可选外基准。
CREF＋、CREF－是外接基准电容端。
IN＋、IN－为模拟电压的正、负输入端。
CAZ端接自动调零电容。
BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。
INT为积分器输出端，按积分电容CINT。
需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未引出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电位近似等于电源电压的一半。
4.2ICL7107的工作原理
ICL7107内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。
一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路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转换器构成，电路如图2所示。
主要包括2.8V基准电压
图2ICL7107的模拟电路
源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。
缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件。
这种转换器具有转换准确度高、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：
自动调零（AZ）、正向积分（INT）、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。
仪表显示值,
将T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得
N＝10UIN或UIN＝0.1N（2-2）
只要把小数点定在十位上，即可直读结果。
满量程时N＝2000，此时UM＝2UREF＝200mV，仪表显示超量程符号“1”。
欲测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。
积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。
为了提高仪表抗串模干扰的能力，正向积分时间（亦称采样时间）T1应是工频周期的整倍数。
我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选
T1＝n·20（ms）（2-3）
式中，n＝1，2，3，…。
例如取n＝2、4、5时，T1＝40ms、80ms、100ms，能有效地抑制50Hz干扰。
这是因为积分过程有取平均的作用，只要干扰电压的平均值为零，就不影响积分器输出。
但n值也不宜过大，以免测量速率太低。
图3ICL7107外围电路图
（2）数字电路
数字电路如图4所示。
主要包括8个单元：
①时钟振荡器；②分频器；③计数器；④锁存器；⑤译码器；⑥异或门相位驱动器；⑦控制逻辑；⑧LCD显示器。
时钟振荡器由ICL7106内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。
若取R＝120kΩ，C＝100PF，则f0＝40kHz。
f0经过4分频后得到计数频率fCP＝10kHz，即TCP＝0.1ms。
此时测量周期T＝16000T0＝4000TCP＝0.4s，测量速率为2.5次／秒。
f0还经过800分频，
图4ICL7107的数字电路
得到50Hz方波电压，接LCD的背电极BP。
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，当二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端之间，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；反之输出低电平。
（3）小数点驱动电路
为了显示小数点，需采用CD4030四异或门（或CD4077四异或非门），电路如图5
图5小数点驱动电路
所示。
S为小数点选择开关，DP1～DP3依次为个位、十位、百位的小数点驱动端，LCD的背电极接BP。
剩下一个异或门还可驱动标志符。
控制逻辑有三个作用：
第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使A/D转换正常进行；第二，判定输入电压极性并控制LCD的负极性显示；第三，超量程时发出溢出信号使千位显示1，其余位消隐。
用计数器的输出信号ABC控制小数点电路，若最高位到最低位小数点依次用Dp1、Dp2、Dp3及Dp4表示，则可写出其真值表，如表1（1表示点亮）所示。
表1小数点显示真值表
则逻辑表达式为:
4.3ICL7107安装电压表头时的一些要点:
按照测量＝0~200V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。
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，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。
5）.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"C"极电压为2.4V－2.8V为最好。
这样，在三极管的"C"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。
6）.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。
7）.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。
8）.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。
4.4关于多量程电路部分
也有许多场合，希望数字电压表（数字面板表）的量程大一些，那么，只需要更改2只元器件的数值，就可以实现量程为±2.000V了。
更改的元器件具体位置和数值见图6的28和29两只引脚：
图6
在有了一只数字电压表（数字面板表）之后，按照下面的图示，给它配置一组分流电阻，就可以实现多量程数字电流表，分档从±200uA到±20A。
但是要注意：
在使用20A大电流档的时候，不能再有开关来切换量程，应该专门配置一只测量插孔，以防烧毁切换开关。
图7
与多量程电流表对应的是经常需要使用多量程电压表，按照下图配置一组分压电阻，就可以得到量程从±200.0mV至±1000V的多量程电压表。
图8
测量电阻与测量电流或者电压一样重要，俗称“三用表”，利用数字电压表做成的多量程电阻表，采用的是“比例法”测量，因此，它比起指针万用表的电阻测量来具有非常准确的精度，而且耗电很小，下图示中所配置的一组电阻就叫“基准电阻”，就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值，再由Vref电压与被测电阻上得到的Vin电压进行“比例读数”，当Vref＝Vin时，显示就是Vin/Vref*1000=1000，按照需要点亮屏幕上的小数点，就可以直接读出被测电阻的阻值来了。
在产品数字万用表中，为了节省成本和简化电路，测量电流的分流电阻和测量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻。
这里不讨论数字万用表的电路，仅仅是帮助读者在单独需要使用某种功能时，可以有一定的参考作用。
下图是一个最简单的10倍放大电路，运算放大器使用的是精度比较高的OP07，利用它，可以把0～200mV的电压放大到0～2.000V。
在使用的数字电压表量程为2.000V时，（例如ICL7135组成的41/2数字电压表，基本量程就是2.000V。
）特别有用。
如果把它应用在基本量程为±200.0mV的数字电压表上，就相当于把分辨力提高了10倍，在一些测量领域中，传感器的信号往往觉得太小了，这时，可以考虑在数字电压表前面加上这种放大器来提高分辨力。
图9
五.电路设计与仿真
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0~200V量程电压值的测量。
电路连接图与仿真图如图（图10和图11）所示。
图10ICL7107的电路连接图
图11仿真图
六.系统调试及结果分析
6.1调试仪器
可调直流电源，可调范围：
0~200V；万用表，精度：
0.1mV。
6.2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。
6.3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。
七.元器件清单
ICL7107芯片一个；5个非极性电容；4个电阻和1个电位器；
八.设计心得体会
在这次课程设计当中我真正体会到什么叫做学以致用，第一次体会到用自己所学到的知识做出了个数据电压表，在以前想都不赶想，而现在自己竟然亲手做出来，所以此时的我心中不免有些成就感。
虽然这次课程设计理论与实践基本完成，但在实践的过程当中存在着许多的问题。
比如说当测量时得不到理论上的要求,电路焊接杂乱等。
所以在以后的实验当中,我们在实验之前第一件事应该是检查原器件，而不是动手连线。
连线固然重要但我个人认为比这个更重要的是在连线之前应该做的事。
21世纪是电子技术飞速发展的时期，而数字电子技术又是一门发展速度，实践性和应用性很强的技术基础课程。
从这本书中，我们不仅学到了如何分析设计一个电路，使我们这些以前看见过它们，却不知如何去做的人大开眼界。
看来，我们学习了这门课程以后，也可以根据它的基本原理来做出它的电路图，也可以实现它们的功能，得出我们想要设计的电路图。
我觉得选择这门课程是我永远不后悔的事。
因为它可以让我们更加深刻的证实自己的能力，证实自己是不是对这门课很认真，很努力。
我觉得为我们所喜欢的事情去努力，是值得高兴的事，我们会继续的努力学习好这门课的。
希望以后能有更多这样的机会，锻炼我的动手能力，使所学的知识能活学活用。
九.参考文献
[1]．《PROTEL电路设计教程》，江思敏、姚鹏翼、胡荣等编著，清华大学出版社2003
[2]．《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、谢白美、王观兰译电子工业出版社1999
[3]．《数字电路与逻辑设计》，刘浩斌（主编）汪良能、刘鑫、刘炜（编著），电子工业出版社2001
[4]．《数字万用表的原理、使用与维修》，沙占友、沙占为（编著）电子工业出版社1988
成绩评定表
学生姓名：
学号：
班级：
类别
合计
分值
各项分值
评分标准
实际得分
合计得分
备注
实践
完成情况
50
10
遵守课堂纪律，无旷课、迟到、早退、违反实验室纪律等情况。
20
对EDA设计软件使用熟练程度，设计流程的熟练程度与电路的工艺能力。
20
按设计要求完成了全部任务，能完整演示其设计内容，符合要求。
报告完成情况
50
20
报告文字通顺，内容翔实，论述充分、完整，立论正确，结构严谨合理，报告整体格式规范。
20
设计流程正确，论证严谨，逻辑性强；符号统一；图表完备、符合规范要求。
10
能对整个设计过程进行全面的总结，得出有价值的结论或结果；参考文献数量在3篇以上，格式符合要求，在正文中正确引用。
总评成绩：
分
指导教师：
（签字）
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