数字电压表课程设计实验报告.docx
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数字电压表课程设计实验报告
自动化与电气工程学院
电子技术课程设计报告
题目数字电压表的制作
专业
班级
学号
学生
指导教师
二○一三年七月
一、课程设计的目的与意义
1.课程设计的主要目的，是通过电子技术综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、完成的工作容和具体的设计方法。
2.同时了解双积分式A/D转换器ICL7107的性能及其引脚功能，熟悉集成电路ICL7107构成直流数字电压表的使用方法，并掌握其在电路中的工作原理。
3.通过设计也有助于复习和稳固以往的模电、数电容，到达灵活应用的目的。
在完成设计后还要将设计的电路进展安、调试以加强学生的动手能力。
在此过过程中培养从事设计工作的整体观念。
4.利用双积分式A/D转换器ICL7107设计一数字电压表，量程为-1.99—+1.99，通过七段数码管显示。
二、电路原理图
数字电压表原理图
三、课程设计的元器件
1.课程设计所使用的元器件清单：
序号
名称
数量
序号
名称
数量
1
ICL7107集成块
1
17
4芯导线
1
2
IC集成块插座
1
18
IN4148二极管
2
3
PCB线路板
1
19
360欧电阻
2
4
7段LED数码管共阳极
4
20
91K电阻
2
5
3296电位器2K
1
21
100K电阻
1
6
TL431基准源
1
22
15K电阻
1
7
9014三极管
1
23
10K电阻
1
8
8550三极管
1
24
470欧电阻
1
9
100pF瓷片电容
1
25
470K电阻
1
10
103瓷片电容
1
26
1M电阻
1
11
224CBB电容〔聚丙烯〕
1
27
10M电阻1/4W
1
12
104CBB电容〔聚丙烯〕
1
28
1.1M电阻1/4W
1
13
473CKK电容〔校正〕
1
29
24K电阻1/4W
1
14
10uF电解电容
2
30
表框
1
15
5芯插座〔带插针〕
1
31
红膜
1
16
5芯插头
1
32
螺丝
2
2.主要元器件介绍
〔1〕芯片ICL7107：
ICL7107的工作原理
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。
它通过对输入模拟电压和参考电压分别进展两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。
它的原理性框图如下图，它包括积分器、比拟器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。
积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期，积分器先后对输入信号电压和基
准电压进展两次积分。
比拟器将积分器的输出信号与零电平进展比拟，比拟的结果作为数字电路的控制信一号。
时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。
它是由部的两个反向器以及外部的RC组成的。
其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC 。
ICL7106A/D转换器原理图
计数器对反向积分过程的时钟脉冲进展计数。
控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。
译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。
驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。
控制器的作用有三个：
第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进展。
第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。
第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"，其余码全部熄灭。
钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。
它的每个测量周期自动调零〔AZ〕、信号积分〔INT〕和反向积分〔DE〕三个阶段。
第一阶段：
自动调零阶段AZ
转换开场前〔转换控制信号VL=0），先将计时器清零，并接通开关S0，使积分电容C完全放电。
第二阶段：
信号积分INT
令开关S1合到输入信号V1一侧，积分器对V1进展固定时间Tl的积分，积分结果为：
上式说明，在Tl固定条件下V0与Vl成正比。
第三阶段：
反向积分DE
令开关S1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那么可得，
故可得到，
可见，反向积分到V0=0这段时间T2与Vl成正比。
令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数扔器在T2时间计数值为N得：
T2=NTc
代入上式得：
分析可知：
T1,Tc，VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。
下面介绍A/D转化过程的时间分配。
假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000Tc,
如下图，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。
双积分型A/D转换器的电压波形图
各阶段时间分配如下
①信号积分时间Tl用1000Tc。
②信号反向积分时间T2用0一2000Tc，这段时间的长短是由VIN的大小决定的。
③自动调零时间T0用1000－3000Tc。
从上面的分析可知，Tl是固定不变的，但T2随VIN的大小而改变。
因为，
选基准电压VRFF =100.0mv,
由：
得：
VIN=0.1N
满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为：
VIN=2VREF 。
为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间Tl为工频周期的整数倍。
我用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1=n×20ms。
n=l,2,3……n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n越大，A/D转换的时间越长。
因此，一般取Tl=100ms，即f0＝40KHz。
由T0=2RC105=2.2RC，得
式中T0为振荡周期。
由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。
INC7107的构造电路图
ICL7107主要参数：
电源电压
ICL7107V+toGND
6V
温度围
0℃to70℃
ICL7107V-toGND
-9V
热电阻
PDIP封装
qJA（℃/W）
50
MQFP封装
80
模拟输入电压
V+toV-
最大结温
150℃
参考输入电压
V+toV-
最高储存温度围
-65℃to150℃
时钟输入
GNDtoV+
芯片INC7107各个引脚的功能和考前须知：
ICL7107 安装电压表头时的一些要点：
按照测量＝±199.9mv
1.识别引脚：
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1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。
在一开场，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，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。
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。
5、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，观察此时数码管的读数 6、其他引脚的功能简要说明：
20引脚PM：
液晶显示器反面公共电极的驱动端，简称背电极. a1-g1,a2-g2,a3-g3：
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19脚Bc4：
千位笔画驱动信号。
接千位LEO显示器的相应的笔画电极。
37脚TEST ：
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〞。
27脚INT：
27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件。
28脚BUF：
缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。
其输出级的无功电流（ idling current ）是100μA，而缓冲器与积分器能够供应20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度那么使用470K。
AZ：
积分器和比拟器的反向输入端，接自动调零电容〔29脚〕CAz 。
如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。
〔2〕电压显示电路：
设计中采用的是7段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，我们采用共阴极接法。
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dp g f e d c b a。
例如，要显示“0〞，那么dp g f e d c b a分别为：
00111111B；假设要显示多个数字，只要让假设干个数码管的位码循环为高电平就可以了。
七段数码管构造图
共阴极共阳极
7段数码管驱动方法：
发光二极管〔LED是一种由磷化镓〔GaP〕等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。
当其部有一一电流通过时，它就会发光。
7段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样，一般为5～10mA；正向电压随发光材料不同表现为1.8~2.5V不等。
7段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。
〔1〕静态显示
所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。
这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。
对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存74LS573作为静态显示器接口。
静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示容时，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率；缺点是位数较多时，所需I/O口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式——动态显示。
〔2〕动态显示
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器〔扫描〕，对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。
虽然在同一时刻只有一位显示器在工作〔点亮〕，但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时〞显示。
显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳定的显示。
假设显示器的位数不大于8位，那么控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口〔称为扫描口或字位口〕，控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口〔称为数据口或字形口〕。
动态显示器的优点是节省硬件资源，本钱较低，但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，CPU必须每隔一段时间执行一次显示子程序，这占用了CPU的大量时间，降低了CPU工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。
综合以上考虑，由于温度显示为准确到小数点后两位，故只需4个数码管，又考虑到CPU工作效率与电源效率，本毕业设计采用静态显示。
为共阳极显示。
四、系统调试及结果分析
1.首先根据电路原理图焊接出实际电路，然后进展电路的调试，在实际的电路中，芯片一脚接+5V的电源，26引脚接-5V的电压，在电阻R2一端接入一个测试电压，接地端接测试电压的负极。
2.现在将在调试过程中的问题总结：
测试数码管显示的数据是否正确，将编好的程序写进单片机后，观察数码管，发现码型显示不正确，通过改正硬件电路，是数码管显示正确的数据。
3.通过以上硬件电路调试，最终到达了设计的要求，实现了从-1.99V--+1.99V的显示，并且精度比拟高。
实物图如下：
五、课程设计的体会
本次课程设计对数字电压电路认真的学习以及对PCB有了更进一步的熟悉，实际操作和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手把它设计出来就比拟困难了，因为是设计要求我们在以后的学习中注意这一点，要把课本上所学到的知识和实际联系起来，同时通过本次电路的设计，不但稳固了所学知识，也是我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的综合能力。
通过这次设计不仅锻炼了我们勤于思考的精神，而且提高了动手能力。
在这几天的试验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟。
在此过程中，我们通过查找大量资料，请教教师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力。
在各种其他方面的能力上也都有了提高，而且在与教师和同学的交流过程中，互动学习，将知识融会贯穿。
更重要的是我们学会了很多学习的方法，而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断学习、实践、再学习、再实践。
不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的完全积累，可以把这个当做根底东西，只有掌握了这些最根底的，才可以更进一步，取得更好的成绩。
六、参考文献
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电子工业,2006
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人民邮电，2006
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