数字电压表设计模板课案.docx

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数字电压表设计模板课案

模数电课程设计报告

课题名称：

数字电压表设计

姓名：

彭上

学院：

信息与通信工程学院

班级：

自动化13-2BF

学号：

14132100679

序号：

03

指导老师：

程望斌

完成时间：

2014年12月16日

目　录

一、设计任务与要求1

二、实验仪器1

三、设计框图及整机概述2

四、各单元电路的设计方案及原理说明2

五、调试过程、参数测试及结果分析8

六、数字电压表电路板设计与制作注意事项9

七、设计安装及调试体会10

八、对本次课程设计的意见及建议11

九、参考文献12

十、附录13

附录1：

数字电压表原理图13

附录2：

PCB板图14

附录3：

实物图15

附录4：

元器件清单16

数字电压表设计

一、设计任务与要求

该课程设计的主要任务是要求我们自己利用ICL7107及电阻电容去设计一个三位半的数字电压表，能够实现200mv、2v、20v、200v、1000v五个不同档位的电压测量。

整个过程分以下环节：

画原理图，PCB布局，电路板的打印及制作，打孔，焊锡元器件，调试，误差分析等。

整个过程要求我们先学会AltiumDesigner6.9等软件将原理图画出来及PCB的布局连线；其次制作PCB板时要求我们掌握如何去打印PCB图，让我们知道了电路板上的铜线是怎么布上去的；然后在锡焊元器件的时候从很大一部分考验了我们锡焊的功底，同时又锻炼了我们的锡焊能力，提高了我们对锡焊能力培养的重视；最后在调试和误差分析的时候，让我知道在做电子类的产品的时候，并不是所有的理论在实践中都管用，让我们知道了理论和实践之间还是有很大的距离，提醒我们实践出真知，只有通过实践我们才可以更好的掌握和理解书本上理论。

二、实验仪器

直流稳压电源（一台）、数字万用表（一个）

三、设计框图及整机概述

数字电压表设计框图如图1所示。

图1数字电压表设计框图

在图1中，先将待测的电压输入，利用一系列的电阻将待测的电压衰减，然后输入ICL7107芯片的30和31号管脚，通过ICL7107转换及一些外围电路对数码管编码再分别接到对应的数码管上进行显示。

对于小数点，因为本次设计采用的是共阳极的数码管，所以小数点采用短路帽直接连接到ICL7107的37号TEST端口。

对于200mv---1000v5个不同的档位则也采用短路帽和排针的组合来手动转换，短接不同的端口表示选择不同的档位。

四、各单元电路的设计方案及原理说明

1.电源滤波电路

滤波电路如图2所示。

图2滤波电路

在图2中，电路图的作用为滤波，通过两个电容将电源的交流成分滤掉，其目的为稳定电源输入量，减小因电源中的交流成分带来的不稳定及对电路的损害。

2.测试电源接入端电路

测试电源接入端电路如图3所示。

图3测试电源接入端电路

在图3中，P1为测试电源的接入端口，2为正极，1为负极；R5～R9组成电阻衰减网络P2和短路帽实现量程的手动转换，当短路帽接到P2的1和2端口时，送入ICL7107的电压即为待测电压，所以为200mv的量程档；当接P2的3和4端口时，送入ICL7107的电压即为除R5之外其余电阻上的电压，计算易知待测电压衰减了10倍，所以为2v量程档；当接P2的5和6端口时同理可知为20v档；当接P2的7和8端口时为200v档；当接P2的9和10端口时为1000v档。

3.测试端口输入保护电路

测试端口输入保护电路如图4所示。

图4测试端口输入保护电路

在图4中通过量程选档后接入一个过热保护的自恢复保险丝，防止因短路温度过高而烧坏元器件；R3为1M的限流电阻，防止电流过大，损坏电路；D1、D2为稳压二极管稳定输入到ICL7107的电压。

4.ICL7107外接显示电路及其输出电路

ICL7107外接显示电路及其输出电路如图所示

图5ICL7107外接显示电路及其输出电路

由ICL7107芯片资料的截图易知，要驱动该芯片工作必须用±5V电源使能并接相应的外接电路。

核心芯片引脚介绍：

图６　核心芯片图

（1）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。

（引脚1与引脚40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）芯片引脚27、28、29的元件数值是0.22uF,56K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络。

（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。

这里不讨论特殊要求应用。

（5）数码管的显示电路

图７数码管原理图

①数码管显示原理

设计中采用的是8段共阳极LED数码管来显示电压值。

LED具有耗电低、亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，它由8个发光二极管组成，其中7个按‘8’字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。

把8个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫共阴极接法，我们采用共阳极接法。

当发光二极管导通时，相应的一段笔画或点就发亮，从而形成不同的发光字符。

其8段分别命名为dpgfedcba。

例如，要显示“0”，则dpgfedcba分别为：

00111111B；若要显示多个数字，只要让若干个数码管的位选码为高电平就可以了。

②数码管的显示电路

图８数码管的显示电路

如图7所示，从左至右第一个数码管显示最高位，即测得的电压正负和最高位,第二个，第三个，第四个都可以显示1-9，得到的数字显示即为测得的电压。

（6）小数点驱动电路

图９小数点驱动电路

在图8中和量程档的选择一样，小数点的驱动也要用到排针和短路帽，当P3的6和5短接时从左到右的第一个数码管小数点亮；当P3的4和3短接时从左到右的第二个数码管小数点亮；当P3的1和2短接时从左到右的第三个数码管小数点亮。

五、调试过程、参数测试及结果分析

1.调试过程

（1）零电压测量：

将正输入端Vi+与负输入端Vi-短接，仪表读数显示“000”

（2）基准电压测量：

将Vi+与VREF+短接，读数应在100.0mv左右。

（2）显示器笔段全亮的测试：

将TEST端（第37引脚）与VDD短接，读数应为“-1888”。

（3）负号与溢出功能检查：

将Vi+与VEE短接，应显示“-”。

当Vi超过仪表量程后即溢出，千位应显示“1”，而百位，十位，个位均不显示。

（4）将已知的待测电压从数字电压表的两个输入端输入，调节滑动变阻器使电压表的视数和已知的输入电压相近。

2.结果及其分析

（1）数据结果如表1所示。

表1电压表测试数据结果

量程

已知电压

测量值

200mv

0.1v

0.2v

0.091v

0.191v

2v

1.1v

1.7v

1.080v

1.669v

20v

7.5v

14v

7.480v

14.06v

200v

20v

25v

19.80v

24.80v

1000v

25.5v

30.5v

24.89v

29.70v

3.误差分析

由表1可知我自己做的电压表测的电压不是很准确，通过计算和测量发现有一下原因：

（1）在量程选档的5个电阻值R5～R9并不是完全为9.1M、910K、

91K、9.1K、1K,其用到的的电阻测量值10.2M、910K、90K、10K、1K；通过对比发现电阻值整体取的较高，所以所测量的电压相对与标准电压值要小。

（2）标准电压的校准时用万用表测的ICL7107的35和36号管脚的电压不为标准的100mV。

（3）通过观察1000V的档位误差最大，分析发现ICL7107在将模拟电压转换为数字信号时，是通过双积分的方法，所以在转换过程中有相应的精度，所以量程越大，测的电压误差也越大。

六、数字电压表电路板设计与制作注意事项

数字电压表电路板设计与制作注意事项有：

（1）ICL7107为正负5V电源供电，21引脚（BP/GND端）接地，37引脚（test端）可悬空。

（2）图中C4和C5用0.22uf和0.47uf的CBB电容。

（3）高三位小数点h4,h3,h2用开关选择通过限流电阻（500欧姆）与GND连接或直接用ICL7107的TEST端（37脚）。

（4）保险丝用熔断器XF010，封装可用普通无极性电容（rad0.1）封装。

（5）输入衰减电阻实际值与原理图中理论值有差异，请先测量后再正确安装，以便计算数字电压表测量误差。

（6）电路安装完毕后调节电位器RP，使ICL7107处于200mv基本量程档测量时，VREF值为100mV。

（7）4个数码管不剪短引脚，尽量一起安装在DIP40的引脚座上，布线时可适当使用跳线。

（8）原理图中连动多路开关选择用排针和2.54mm短路帽组合来实现，Protel中可用header5*2和header3*2来实现选择连接。

七、设计安装及调试体会

正值期中考试期间当听到要做课程设计时也没太在意，也没多想就选择了数字电压表的设计，到了正式要开始时竟有点措手不及，不过庆幸在此之前我对AD这个软件多多少少有点了解，但为了在使用软件时能更加的得心应手我又在网上找了一些相关的视频边看边自己实践就这样一步一步开始了第一次的课程设计。

在看了几集视频进一步了解这个软件后，就开始搜索芯片及电容的一些资料并根据书上的原理图和一些注意事项开始画图了，这个过程不是很难，只是原件的封装难得找到匹配的，不过还好有学长学姐的帮忙，很快原理图就画好了，接下来就是比较复杂的pcb布局布线了，第一眼看到那么多根交错的飞线要使得他们都不交叉确实有点眼花，由于没有经验，刚开始原件的布局很丑导致不好布线，在参考学长的布局布线后在电阻的布局布线方面学到了点小技巧，更改了自己的布局，不仅好看多了，布线也更加方便，本以为画图就要结束时才发现线宽和线间距又不合要求，就这样反反复复做了好几遍，终于得到了一个比较满意的作品了。

然后经过制版，打孔，焊接终于是把板子做了出来，其实这个过程也不是一帆风顺，也出现许多的问题比如打印不给力，腐蚀液效果不好等等，好不容易来到了调试的步骤，才发现调试才是最困难的，问题更是接踵而来比如烧坏数码管,虚焊等等。

通过这些过程我明白了不论做什么事都要有耐心，只要肯花时间不急躁总会有收获。

做了这次的课程设计，从设计电路，到焊接，到最后做出来一个完全属于自己的电压表。

这过程虽有点艰辛，可是只要认真仔细的探讨和研究完成好每一个步骤和过程，自己终会收获成功的，通过这次将模拟电路和数字电路的理论应用于实际的电子产品中，让我对于书本中理论只是有一个更深的理解，同时也让我知道理论和实践之间是有差别的，完全照搬书本是行不通的，只有加强自己的动手能力，学好理论的同时多多实践，才能够做到理论用于实践，理论指导实践，实践促进理论学习，才能学好专业，成为一个有用的科学技术人才。

八、对本次课程设计的意见及建议

做完本次课程设计，我觉得做课程设计的出发点是很好的但是只有一节理论课对我们这些没接触过这些东西的人来说是远远不够的因此我望学校能够改善我们设备和师资力量，提供更多的资源和条件，能够更多的给予我们这样的自己探索，动手实践的机会，多接触这些基本实用的知识流程，让我们能够更好的适应社会上的工作需求，同时希望老师也能给予更多同学以积极的状态适应这平台。

九、参考文献

[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：

高等教育出版社，2006.

[2]朱定华.protel99SE电子电路设计[M].北京：

清华大学出版社，2007.

[3]罗杰，谢自美.电子线路[M].北京：

电子工业出版社，2002.

十、附录

附录1：

数字电压表原理图

附录2：

PCB板图

附录3：

实物图

（a）正面图

（b）反面图

附录4：

元器件清单

序号

耗材名称

规格型号

单位

每组数量

1

3位半ADC

ICL7107

个

1

2

芯片插座

DIP-40

个

2

3

二极管

4148

个

2

4

自恢复保险丝

XF010

个

1

5

电阻

9.1M

个

1

6

电阻

1M

个

2

7

电阻

910K

个

1

8

电阻

91K

个

1

9

电阻

9.1K

个

1

10

电阻

1K

个

1

11

电阻

56K

个

1

12

电阻

24K

个

1

13

电阻

120K

个

1

14

可调电阻

1K

个

1

15

短路帽

2.54mm

个

2

16

单排针1*40

2.54mm

个

1

17

瓷片电容

0.01uf

个

3

18

瓷片电容

0.1uf

个

2

19

CBB电容

0.47uf

个

1

20

CBB电容

0.22uf

个

1

21

瓷片电容

100pf

个

1

22

电解电容

10uf

个

2

23

共阳数码管

SM4105

只

4