数字式直流电压表的设计与测试学士学位论文.docx

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数字式直流电压表的设计与测试学士学位论文

目录

摘要…………………………………………………………………

Abstract…………………………………………………………………

前言……………………………………………………………

1、数字式直流电压表现状，研究目的以及意义…………………………………

1.1课题背景及发展趋势………………………………………………

1.2研究的意义和目的………………………………………………

2、数字电压表整体设计方案…………………………………………

2.1数字电压表原理介绍…………………………………………

2.2数字电压表设计方案综述…………………………………………

3、集成电路ICL7106的理论综述………………………………………

3.1ICL7106概述………………………………………

3.1.1ICL7106简介……………………………………

3.1.2ICL7106的特点介绍……………………………………

3.2ICL7106管脚的功能特点……………………………

3.3ICL7106的内部电路和工作原理………………………………………3.3.1ICL7106内部模拟电路…………………………………

3.3.2ICL7106内部数字电路…………………………………

4、电路设计和分析…………………………………………………………………

4.1由ICL7106构成的数字式直流电压表表头的分析………………

4.2小数点驱动电路……………………………………………………

4.3各测量电路……………………………………………………

4.3.1直流电压测量电路………………………………………………

4.3.2交流电压测量电路………………………………………………

4.3.3直流电流测量电路………………………………………………

4.3.4电阻测量电路………………………………………………

4.4使用注意事项………………………………………

5、数字万用表的制作，调试和测试………………………………………

5.1制作方法………………………………………

5.2系统调试………………………………………

5.3测量结果对比分析………………………………………

结束语

参考文献…………………………

致谢…………………………

数字式直流电压表的设计与测试

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。

本设计主要由集成芯片ICL7106和四个共阴极LED数码管构成，其中ICL7106内部包括模拟电路和数字电路两大部分，模拟电路部分包括基准电压源、模拟开关和A/D转换器；数字电路部分包括时钟振荡器、分频器、计数器、译码器异或门构成的驱动器、控制逻辑电路和锁存器。

其中，A/D转换器是该系统的核心部分，它将输入的模拟量转换成数字量输出。

在实际测量使用过程中，输入电压经量程转换进入ICL7106进行A/D转换，然后通过计数译码电路变换成笔段码，最后再通过驱动LCD上的电池显示符号来显示数值。

本文将对设计所用集成芯片ICL7106各部分功能和电路以及其它扩展电路做详细阐述。

关键词：

数字电压表；ICL7106；A/D转换器

DigitalDCvoltmeter’sdesigningandtesting

Abstract

Digitalvoltmeter（DigitalVoltmeter）referredtoasDVM,itistheuseofdigitalmeasuringtechnology,thecontinuousanalog（DCinputvoltage）intoanoncontinuous,discretedigitalformandtheinstrumentdisplay.ThisdesignmainlybytheintegratedchipICL7106andfourcommoncathodeLEDdigitaltube,whichiscontainedintheICL7106analogcircuitanddigitalcircuittwoparts,partsofanalogcircuitincludesareferencevoltagesource,analogswitchesandA/Dconverter;digitalcircuitpartcomprisesaclockoscillator,frequencydivider,thecounter,thedecoderXORgatedrive,controllogic.Circuitandalatch.Amongthem,theA/Dconverteristhecorepartofthesystem,theanalogitwillenterintoadigitaloutput.Intheactualmeasurementprocess,theinputvoltagerangeconversionintotheICL7106toA/Dconversion,andthentransformthecountingdecodingcircuitintosegmentsofcode,andthenthroughthedriveLCDonthebatterysymboltodisplaythenumericaldisplay.Inthispaper,thedesignoftheintegratedchipICL7106,thefunctionofeachpartandthecircuitandothercircuitdoneindetail.

前言

随着科学技术的发展和进步，电子测量中常用的指针式万用表逐步地已被数字式万用表所取代。

数字万用表的结构基础是数字电压表。

只要在数字电压表的前面加上各种转换电路，即可构成数字式万用表。

数字式电压表的出现，有两方面的原因。

一方面由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了满足实时控制及数据处理的需要；另一方面，电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。

世界上第一台数字电压表是美国NLS公司制造的。

我国是从1958年开始研制数字电压表的。

同计算机的发展过程类似，数字电压表的发展过程也经历了电子管，晶体管，集成电路和大规模集成电路时代。

数字电压表的发展目前则早已进入智能化时代，高档智能化数字万用表均带微处理器和标准接口，能配计算机与打印机进行数据处理及自动打印，构成完整的测试系统。

在日常生活和工业生产中，数字电压表都是不可或缺的。

本课题的目的就是基于ICL7106芯片设计制作设计出一种结构简单、工作可靠、灵活性好的数字电压表。

本文先阐述数字电压表的发展历程和趋势，研究的目的和意义。

然后进一步分析数字电压表的工作原理，主要包括：

集成芯片ICL7106的特点，内部电路，工作原理分析；数字万用表表头DT830B的电路原理，组装与调试；扩展电路的分析。

最后完成对数字式万用表DT830B的组装和调试，实验测试数据并与实验室标准万用表测量数据进行比对，完成对实验结果和可能造成实验误差的原因的分析。

一、数字式直流电压表现状，研究目的以及意义

1.1课题背景及发展趋势

出现于50年代初，在60年代末得到迅猛发展的数字电压表，简称DVM，它的工作原理采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。

数字式电压表的产生与发展与电子计算机的发展是密不可分的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。

由于传统的指针式电压表存在功能单一、精度低等缺点，已经不能满足数字化时代的需求。

同时采用集成芯片的数字式电压表，由于其精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可与PC进行实时通信等特点已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。

数字电压表在近五十年间得到发展迅猛，构成数字电压表的核心元器件也已从早期的中小规模电路发展到大规模ASIC（专用集成电路）阶段。

数字电压表的应用范围也从传统的测量扩展至通信、传感、自动控制等领域，由此可见，数字式电压表具有极其广阔的发展前景。

传统电压表主要有两种设计思路：

一种是用电流计和电阻利用欧姆定律构成的电压表；另外一种是利用中小规模集成电路芯片构成的电压表。

目前市场上较为流行的则是使用大规模ASIC（专用集成电路）构成的电压表。

虽然设计思路不同，但各种电压表各有优劣，同时也为各种新颖的电压表设计提供依据和基本设计思路。

近期中国数字电压表产业发展研究报告从多方面介绍了世界数字电压表产业的发展现状，同时阐述了中国数字电压表产业现状及其与外国同行业的差距，创新性地提出了“新型数字电压表产业”和“替代品产业”两个新概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型数字电压表产业”及替代产品的内涵。

根据“新型数字电压表产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从各个角度对中国数字电压表产业的发展现状进行了总结和分析，并对数字电压表产业在中国行政划分的四大都市圈的发展趋势做了深刻的评估和预测。

以下给出中国新型仪表产业未来发展的几个趋势：

（1）普遍采用新技术，不断开发创新，向模块化发展

随着科学技术的发展，各种新技术新产品层出不穷，仪器仪表产业也不断地面临着技术的革新。

首先是20世纪90年代针对A/D转换器的技术改革，如美国的四斜率A/D转换技术和余数再循环技术，英国的自动校准技术，荷兰的智能化专用芯片80C51系列等，这些新技术让数字电压表想高稳定性，高准确度，低成本方向发展。

近年来，集成电路的发展使电压表只需要在外围加一个扩展电路和几个简单的元器件就可构成智能化仪表，可以完成测量，控制，比较，存储等多种功能。

（2）标准化，规范化

新型仪表正向着标准模块化方向发展，这也是未来数字仪表的发展趋势。

未来的数字仪表将由各个标准化，规范化，通用化，系列化的模块所构成，这也将为仪器仪表的电路设计，维修检测提供很大的方便。

（3）扩展能力强，测量速度快，抗干扰能力强

数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。

它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期；5位以下的DVM大多采用双积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80～120dB。

高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力。

（4）提高安全性

仪器仪表的安全性在生产制造中至关重要，各个厂家都在尽力为仪表设计安

全保护电路，并使其满足国家标准。

（5）集成度高，微功耗

新型数字电压表的设计具有很高的输入阻抗，可高达1TΩ。

另外，其越来越多地将采用CMOS大规模集成电路，所以整机功率很低。

（6）操作简单

新型数字仪表由于采用集成芯片加简单的元器件即可构成，按键少，操作简单，实用。

这也是数字式仪表向智能化发展的一个重要标志。

1.2研究的意义和目的

此次研究数字式直流电压表的目的在于：

通过此次毕业设计对数字直流电

压表的设计和测试综合运用数字电路和模拟电路，巩固所学知识；了解双积分A/D转换器的原理；掌握ICL7107构成数字直流电压表的方法；了解数字显示电路的扩展应用；了解产品设计的基本思路和方法；掌握常用电子元件的选择方法和元件参数；加强计算机运用、查阅资料和独立完成电路设计的能力。

在此基础之上，分析了解目前国内国外数字电压表产业的发展，为以后的学习和行业研究打好基础。

众所周知，在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中尤其以电压量的测量最为普遍。

数字电压表作为最常用的测量仪表，以电压表为核心，可以扩展成为各种通用数字仪表，专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表（如：

温度计，湿度计，酸度计，重量，厚度仪等），几乎覆盖了电子电工测量，工业测量，自动化仪表等各个领域。

另外，综合近年来数字化仪表的发展趋势所看，数字式电压表具有比传统电压表读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，转入阻抗高，功耗小、抗干扰强等优点，值得人们去探索研究。

从行业潜力来看，目前对于数字电压表的研究和技术革新主要存在于硬件方面，软件方面的作用远远没有发挥出来。

但未来的发展趋势必然是智能仪表与人工智能结合起来开创的全新的智能仪器，所以说目前数字电压表的智能化发展还处于“幼年期”，需要我们更加深入地去了解，研究和创新。

二、数字电压表整体设计方案

2.1数字电压表原理介绍

DT830B是利用ICL7106设计的一种简易型数字万用表。

除了ICL7106和LCD外，该表仅使用了24个电阻、6个电容和1个二极管，线路简单，但测量功能仍有20项，且价格低廉，适合于学生练习电子设备的焊接、组装与调试，也可做简单的电子测量使用。

该系统主要由集成电路ICL7106和四个共阴极LED数码管构成，其中ICL7106内部包括模拟电路（即双积分A/D转换器）和数字电路两大部分。

在实际测量使用过程中，输入电压经量程转换进入ICL7106进行A/D转换，然后再通过驱动LCD上的电池显示符号来显示数值。

由于集成芯片ICL7106只有液晶笔段及背电极驱动，没有小数点驱动端，所以为显示小数点，需另加外围电路。

2.2数字电压表设计方案综述

该数字式电压表设计提供的电源是用电池提供的9v的电压。

量程开关则是由接入的电阻的大小来控制的。

接入的电阻越大测量的量程就越小，反之接入的电阻越小它的量程也就越大。

此电路的量程最大可以达到1000v。

时钟电路是由外接震荡电路产生的。

集成芯片ICL7106提供A/D转换电路，显示部分则由ICL7106管脚直接驱动LCD显示.由于ICL7106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，芯片内部有异或门输出电路，因此可以直接驱动LCD显示器，也无需外加模块进行智能控制，即可实现对直流电压、交流电压、直流电流和电阻测量对象切换。

下图为数字电压表结构框图

在上图所示结构框图中，除了LCD，RC滤波器，电容CREF外，其余各功能部分，都被集成到一块CMOS大规模集成电路7106中，还有少数无法用集成电路技术制造的电阻，电容，则通过管脚和内部电路连接，这使得7106的管脚多达40个。

三、集成电路ICL7106的理论综述

3.1ICL7106概述

3.1.1ICL7106简介

ICL7106是美国英特西尔（Intersil）公司的产品，它是一块高性能，低功耗应用非常广泛的三位半A/D转换器电路集成芯片。

它包含31/2位数字A/D转换器，内部设有参考电压，模拟开关，逻辑控制，自动调零功能等。

另外ICL7106含有一背电极驱动线，适用于液晶显示（LCD）。

高集成度芯片ICL7106拥有三个显著的优点：

高精度，通用性，低成本。

ICL7106是一个系列产品，还有ICL7107、ICL7116、ICL7117，ICL7126、ICL7136、ICL7137等等，它们的功能和用途略有差别。

国产的同型号产品是CC7106。

3.1.2ICL7106的特点介绍

ICL7106属于大规模CMOS集成电路，它将模拟电路和数字电路集成在同一块芯片上。

它有如下特点：

（1）采用单电源供电，电源电压范围是7～15V，因此可以使用9V叠层电池供电，便于制造袖珍式测量仪表。

（2）功耗低，芯片本身的工作电流仅为1.8mA左右，功耗约为16mw，一节9V叠层电池能连续工作200小时左右，正常断续使用，可使用半年以上。

（3）输入阻抗极高，典型值为1010Ω,对输入信号没有衰减作用。

（4）数字输出部分为异或门输出电路（又称相位驱动电路）能直接驱动31/2位LCD。

（5）整机组装方便，不需要外加有源器件，只需要配上几个电阻和几个电容及LCD，就可以构成一个31/2位的直流电压表，俗称数字电压表头。

在数字表头的基础上只需增加少量的转换电路和量程扩展电路即可制成数字万用表。

（6）芯片内部设有时钟电路的有源部分，设计者只要通过引脚外接阻容或石英晶体便可构成时钟振荡电路，给设计者留有充分的选择余地。

（7）能通过内部的模拟开关实现自动调零，能自动判定被测电压的极性。

（8）内置基准电压，使用方便。

（9）可以很方便地对芯片进行功能检查，从而判断芯片质量的好坏。

（10）因为是COMS集成电路，A/D转换采用双积分式工作原理，故抗干扰能力强，噪声低，失调温漂和增益温漂均很小，且可靠性高，寿命长。

3.2ICL7106管脚的功能特点

ICL7106有两种封装形式，一种为双列直插式塑料封装，另一种则为陶瓷封装，均为40个引出端，引出端俗称管脚，管脚排列如下图所示。

各管脚功能分叙如下：

（1）V+和V-（1,26脚）：

分别接9V电源的正、负极。

（2）COM（32脚）：

模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时通常将该端与输入信号的负端IN-相连，在集成电路内部则与基准电压的负端相连。

（3）TEST（37脚）：

测试端，此端有两个功能，一是做“测试指示”，将它与V+短接后，LED显示器显示全部笔画l888，据此可确定显示器有无笔段残缺现象；第二个功能是作为数字地供外部驱动器使用，构成小数点、标志符显示电路这是因为7106内部没有集成小数点驱动电路。

（4）a1~g1（5,4,3,2,8,6,7脚）：

个位笔段驱动端，它们分别接至LCD个位相应笔段电极。

（5）a2~g2（12,11,10,9,14,13,25脚）:

十位笔段驱动端，显然，它们应分别接至LCD十位的相应笔段电极。

（6）a3~g3（23,16,24,15,18,17,22脚）：

百位笔段驱动端，接至LCD百位的相应笔段电极。

（7）b4c4（19脚）：

千位（即最高位，也称1／2位）笔段驱动端，接千位LED的b、c段。

当计数大于1999时，LCD发生溢出，仅千位显示“1”，其余位均不显示，以此表示仪器过载。

（8）POL（20脚）：

负极性指示输出端，接千位LED的g段，当POL端输出的方波与背电极方波反相时，显示出负号“—”。

（9）BP（21脚）：

LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。

（10）OSC1--OSC3（40,39,38脚）：

时钟振荡器的外接元件端，通常是外接阻容元件，以便和内部反相器构成两极反相式阻容振荡器。

（11）VREF+（36脚）：

基准电压的正端，简称“基准+”，利用内部基准电压源可获得所需要的基准电压，也可以采用外部更高性能的基准电压源。

（12）VREF-（35脚）：

基准电压的负端，简称“基准-”。

（13）CREF+、CREF-（34，33脚）：

外接基准电容端。

（14）IN+、IN-（31,30脚）：

模拟电压的输入端，分别接被测直流电压VIN的正负两端。

（15）CAZ（29脚）：

外接自动调零电容端，该端在芯片内部接至积分器和比较器的反相输入端。

。

（16）INT（27脚）：

积分器的输出端，接积分电容CINT。

（17）BUF（28脚）：

缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。

需要说明的是，由于ICL7106的数字地（GDN）并未引出，而是通过内部500Ω电阻和TEST相连，但TEST和数字地呈等电位，故可将TEST视为数字地。

3.3ICL7106的内部电路和工作原理

ICL7106的内部电路分为模拟电路和数字电路两大部分。

其中集成了A/D转换器的模拟部分电路，如缓冲器、积分器、电压比较器、基准电压源和模拟开关，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。

ICL7106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）。

3.3.1ICL7106内部模拟电路

如下图所示为ICL7106内部电路的模拟电路部分。

由上图可以看出，模拟部分分别由以下各单元电路组成。

（1）基准电压源，由稳压二极管DZ，硅二极管D，电阻R1和R2组成。

E0的允许范围是2.4V~3.2V。

E0不仅给芯片提供基准电压，还为设计万用表的Ω档，二极管档，hFE档提供了方便。

在普通数字万用表中，均通过电阻分压器从E0获得VREF。

（2）模拟开关，分别为SAZ,SINT,SDE。

SAZ是自动调零开关，SINT为正向积分开关，SDE+和SDE-是反向积分开关，但SDE+和SDE-每次只有一组工作，是被测电压正负而定。

（3）A/D转换器，由积分器A2，比较器A3和外接元件RINT,CINT组成双积分A/D转换器。

A/D转换器的每个测量周期分为三个阶段，即：

自动调零（AZ），正向积分（INT），反向积分。

第一阶段：

自动调零阶段AZ

转换开始前（转换控制信号VL=0），先将计时器清零，并接通开关SAZ，使积分电容C完全放电。

VREF向CREF充电，使CREF的电压被充到VREF，为反向积分做好准备。

第二阶段：

信号积分INT

此阶段中SINT闭合，SDE，SAZ断开，切断了自动调零电路，并去掉了A1+端和COM的短路线，将IN+，IN-端分别与A1+端，A2+端接通，积分器A2，比较器A3，缓冲器A1都开始工作。

当定时计数器满1000个脉冲时，正向积分停止，转为反向积分开始，此时积分器的输出电压为：

正向积分结束时，被测电压的极性即被判定。

K为缓冲器A1的电压放大倍数，约为1。

第三阶段：

反向积分DE

令开关SDE转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。

如果积分器的输出电压上升至必零时，所经过的积分时间T2则可得，

故可得到，

可见，反向积分到V0=0这段时间T2与VIN成正比。

令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数扔器在T2时间内计数值为N得：

T2=NTcp

代入上式得：

由上式可知，T1，TCP,VREF都是预先设计好固定不变的，所以计数值N仅与被测电压VIN成正比，从而实现了对模拟直流电压VIN的数字化测量。

（4）A/D转换过程的时间分配

在测量过程中7106能在控制逻辑电路的控制下自动完成下述循环：

其中每个阶段测量周期的测量速率为：

测量周期选定之后，每个阶段的时间分配如下：

1，上次反向积分时间T2：

从第0个T0到第2000个T0。

由被测电压VIN决定，但最大不超过1999T0。