第十章数字电压表.docx
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第十章数字电压表
河北科技大学教案用纸
第22次课3学时
上次课复习：
数字电位器的原理及应用
本次课题（或教材章节题目）：
第十一章数字电压表
第一节数字电压表的特点
第三节LCD显示DVM的原理与应用
教学要求：
掌握单片A/D转换器产品分类及LCD显示DVM原理与应用
重点：
LCD显示DVM的电路设计
难点：
ICL7106的功能检查
教学手段及教具：
讲授
讲授内容及时间分配：
1.第一节数字电压表的特点45分钟
2.LCD显示DVM的原理与应用90分钟
课后作业
思考题：
1～3
参考资料
1.沙占友等编著.数字化测量技术，机械工业出版社，2009.3
2.沙占友等著.新型数字电压表原理与应用，机械工业出版社，2006.1
注：
本页为每次课教案首页
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第十章数字电压表
第二节单片A/D转换器产品分类
A/D转换器是数字电压表、数字多用表及测试系统的“心脏”。
A/D转换器大致可分成五大类；
①单片A/D转换器；
②单片DMM专用IC（内含A/D转换器）；
③多重显示仪表专用IC；
④专供数字仪表使用的特制IC（ASIC）；
⑤其他通用型A/D转换器，这种芯片仅完成模／数转换，不能直接配数字仪表。
一、单片A/D转换器
单片A/D转换器：
采用CMOS工艺将DVM的基本电路（含模拟电路与数字电路）集成在同一芯片上，配以LCD或LED数显器件后能显示A/D转换结果的集成电路。
按显示位数划分，单片A/D转换器主要有4种：
3½位、3¾位、4½位、5½位。
若按智能化程度来区分，又分纯硬件、带μP的两种。
第三节3½位LCD显示数字电压表
ICL7106是目前广泛应用的一种3½位A/D转换器，能构成3½位液晶显示的数字电压表。
一、ICL7106的工作原理
1.ICL7106的性能特点
（1）＋7V～＋15V单电源供电，可选9V叠层电池，有助于实现仪表的小型化。
低功耗（约16mW），一节9V叠层电池能连续工作200小时或间断使用半年左右。
（2）输入阻抗高（1010Ω）。
内设时钟电路、＋2.8V基准电压源、异或门输出电路，能直接驱动3½位LCD显示器。
（3）属于双积分式A/D转换器，A/D转换准确度达±0.05％，转换速率通常选2次／秒～5次／秒。
具有自动调零、自动判定极性等功能。
通过对芯片的功能检查，可迅速判定其质量好坏。
（4）外围电路简单，仅需配5只电阻、5只电容和LCD显示器，即可构成一块DVM。
其抗干扰能力强，可靠性高。
3.ICL7106的工作原理
ICL7106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。
主要包括2.8V基准电压源（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
（10-3-1）
将T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得
N＝10UIN或UIN＝0.1N（10-3-2）
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”。
若需改装成2V量程的数字电压表，可按表11-3选择元件值。
表11-3200mV与2V量程元件对照
名称
量程UM
基准电压UREF
R2/kΩ
C4/μF
R4/kΩ
备注
基本表
200mV
＋100.0mV
24
0.47
56
f0＝40kHz
改装表
2V
＋1.000V
1.5
0.047
560
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）（10-3-3）
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。
（2）数字电路
数字电路如图10-3-3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，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。
7段LCD驱动电路如图10-3-4所示。
图中，加在a、b、c笔段上的方波电压与BP端方波电压的相位相反，存在电位差，使这三段显示。
而d、e、f、g段消隐，故可显示数字“7”。
显见，只要在异或门输入端加控制信号（即译码器输出的高、低电平），用以改变驱动器输出方波的相位，就能显示所需数字。
4.ICL7106的功能检查
功能检查的目的是判断ICL7106的质量好坏，进而区分DVM或DMM的故障范围究竟在A/D转换器还是在外围电路。
以200mV量程的DVM为例，功能检查分4步进行，内容如下：
①检查零输入时的显示值。
将ICL7106的IN＋端与IN－端短接，使UIN＝0V，仪表应显示“00.0”；
②检查比例读数。
将UREF端与IN＋端短接，用UREF来代替UIN，即UIN＝UREF＝100.0mV，仪表应显示“100.0”，此步骤称为“比例读数”检查，它表示UIN/UREF＝1时仪表的显示值；
③检查全显示笔段。
将TEST端接U＋端，令内部数字地变成高电平，全部数字电路停止工作。
因每个笔段上部加有直流电压（不是交流方波！
），故仪表应显示全部笔段“1888”（此时小数点驱动电路也不工作）。
为避免降低LCD使用寿命，做此步检查的时间应控制在1分钟之内；
④检查负号显示及溢出显示。
将IN＋端接U－端，使UIN远低于－200mV。
仪表应显示“－1”。
图10-3-5ICL7106的功能检查电路
二、由ICL7106构成的3½位数字电压表
由ICL7106构成的3½位数字电压表电路如图10-3-6所示，基本量程UM＝200mV。
R1、
图10-3-6由ICL7106构成3½位数字电压表的电路
C1分别为振荡电阻与振荡电容。
R2与RP构成基准电压分压器，RP宜采用精密多圈电位器，调整RP使UREF＝UM/2＝100.0mV，满量程即定为200mV，二者呈1∶2的关系。
R3、C3为模拟输入端高频阻容式滤波器，以提高仪表的抗干扰能力。
C2、C4分别为基准电容和自动调零电容。
R4、C5依次为积分电阻和积分电容。
仪表采用9V叠层电池供电，测量速率约2.5次／秒。
IN－端、UREF－端、COM端互相短接。
思考题：
1.当电源电压E＝9V时，画出ICL7106的U＋、U－、COM、TEST引脚的电位分布图（以COM引脚的电位做参考点）。
2.简述对ICL7106进行功能检查的方法与步骤。
3.若用一根导线将ICL7106的第40脚（OSC1）与第37脚（TEST）短路，强迫内部数字电路停止工作，即可实现读数保持功能。
请说明其原理及使用注意事项（提示：
此时采用的是直流驱动方式！
）。
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第23次课2学时
上次课复习：
LCD显示DVM的原理与应用
本次课题（或教材章节题目）：
第十一章数字电压表
第四节LED显示DVM的原理与应用
教学要求：
掌握LED显示DVM的设计原理与应用
重点：
LED显示DVM的电路设计
难点：
（1）最高位真值表；
（2）超量程闪烁报警电路
教学手段及教具：
讲授
讲授内容及时间分配：
1.MC14433的工作原理45分钟
2.LED显示DVM的电路设计45分钟
课后作业
思考题：
1、2
参考资料
1.沙占友等编著.数字化测量技术，机械工业出版社，2009.3
2.沙占友等著.新型数字电压表原理与应用，机械工业出版社，2006.1
注：
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第十章数字电压表
第四节3½位LED显示数字电压表
MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片3½位A/D转换器，它适合构成带BCD码输出的3½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。
一、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数码管。
（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。
二、MC14433的工作原理
1.MC14433的引脚功能
MC14433采用DIP－24封装。
UDD端、UEE端分别接＋5V、－5V电源，UEE端向内部模拟电路提供负电源，负载电流约为0.8mA。
UAG为模拟地。
USS端为输出信号的公共地，该端接UAG端时输出电平变化范围是UDD～UAG，接UEE端时是UDD～UEE，UI为模拟电压输入端，接UIN。
UREF是外接基准电压的正端（负端在片内接UAG端，未引出）。
DU为实时输出控制端，亦称数据更新端。
若在双积分过程中的第5阶段开始前从DU端输入一个正脉冲，则本次A/D转换结果依次经锁存器和多路选择开关输出，否则输出端仍保持原有数据不变。
若将DU端与EOC端相连，则每次A/D转换结果都被输出。
将DU端接USS端时可实现读数保持。
CLI、CLO分别为时钟输入、输出端，外接振荡电阻即可产生时钟信号。
EOC为A/D转换结束标志（正脉冲）输出端。
是超量程信号输出端（负逻辑）。
DS1～DS4为多路调制位选通信号输出端，其中DS1为千位，DS4为个位。
Q0～Q3为BCD码输出端。
2.M14433的工作原理
MC14433的原理框图如图10-4-2所示。
完成一次A/D转换大约需要16400个时钟周期（T0）。
整个A/D转换分6个阶段进行：
①模拟调零，占4000T0；②数字调零，小于800T0；③重复模拟调零占4000T0；④正向积分，T1＝4000T0；⑤重复数字调零，小于800T0；⑥反向积分，T2≤4000T0。
其中，阶段①与阶段③都是消除缓冲器和积分器的失调电压。
在阶段②用计数器将比较器的失调电压△UOS记下来，存入锁存器中；阶段⑤则是在反向积分之前先扣除△UOS的影响，使计数器复位。
数字电路包括时钟振荡器、3½位计数器、锁存器、多路选择开关、控制逻辑、极性检测器和过载（超量程）指示器。
MC14433内部没有段译码器。
时钟振荡器由内部反相器、振荡电容以及外部振荡电阻RC所构成，电路如图10-4-3a所示。
当RC分别取750kΩ、470kΩ、360kΩ时，时钟频率f0依次为50kHz、66kHz、100kHz（近似值）。
f0-RC的典型特性曲线如b图所示。
为提高抗工频干扰的能力，f0及正向积分时间T1应为50Hz整倍数。
图10-4-2MC14433的原理框图
MC14433最高位的真值表见表10-4-1。
UR表示欠量程，对于2V基本量程而言，当UIN＜9％UM＝0.180V时为欠量程。
OR表示超量程，即UM＞1.999V。
Q3代表最高位数据的反码，当千位数据为1时Q3＝0，该位显示1；千位为0时Q3＝1，该位消隐。
因此，要译出千位上的数据，还需要给Q3端外接一级反相器。
由表可见，千位只有8种计数状态，分别对应于十进制数14、10、15、11、4、0、7、3，因前四种数已超出BCD码范围，故外部BCD-7段译
表10-4-1MC14433最高位真值表（DS1＝1）
最高位（MSD）
应显示的数据
输出二进制码
所对应的十进制数
经过译码后最高
位的实际显示值
Q3（反码）
Q2（极性）
Q1
Q0
＋0
1
1
1
0
14
消隐
－0
1
0
1
0
10
＋0（仪表欠量程）
1
1
1
1
15
－0（仪表欠量程）
1
0
1
1
11
＋1
0
1
0
0
4
因千位只接通b、c笔段，故此时显示1
－1
0
0
0
0
0
＋1（仪表超量程）
0
1
1
1
7
－1（仪表超量程）
0
0
1
1
3
码驱动器（例如CD4511）就强迫千位显示器消隐。
后四种数虽然属于BCD码，但因千位显示器仅接通b、c这两个笔段，故只能显示出数字1。
Q2表示信号极性，Q2＝1为正极性，Q2＝0为负极性。
Q0＝1表示UIN超出正常范围。
超量程时，UIN＞1.999V，Q0＝1，Q3＝0，
＝0。
欠量程时，UIN＜0.180V，Q0＝1，Q3＝1，
＝1。
而在正常测量范围内，0.180V≤UIN≤1.999V，Q0＝0，
＝1。
三、由MC14433构成的3½位数字电压表
（1）200mV量程的3½位LED显示数字电压表
3½位LED显示数字电压表的电路如图10-4-5所示，其满量程为200mV，整机功耗（包括显示器
图10-4-5由MC14433构成3½位数字电压表的电路
）约250mW。
其超量程显示特点是，当UIN＞199.9mV时，
端呈低电平、使段译码驱动器CD4511的消隐控制端
＝0，强迫共阴极显示器全部消隐。
位选通信号经过MC1413分别接4只数码管的公共阴极，在DS1～DS4位选通信号的控制下进行动态扫描显示。
MC1413属于7路达林顿驱动器（现仅用其中5路），它有两个作用：
第一，将DS1～DS4反相成低电平有效，以便接LED数码管的公共阴极；第二，增加驱动能力，其β＝l500，ICM≥200mA，7路同时工作时每路仍可输出40mA电流。
利用MC1403向MC14433提供200.0mV的基准电压，RP为精密多圈电位器。
实选R2＝470kΩ时f0≈50kHz。
R3～R9为笔段限流电阻。
RDP、RM分别为小数点、负极性笔段的限流电阻。
负极性显示的原理是，当DS＝1（正好扫到千位）且UIN＜0时，从Q2端输出负极性信号（低电平），加至MC1413的第5脚。
因MC1413属于集电极开路输出（OC门），故第12脚无输出，相当于开路。
＋5V电压就经过RM接千位LED的g段，由于此时千位已被选中并且该位公共阴极接低电平，故g段发光，显示负极性符号。
R1为积分电阻，C1、C2分别是积分电容和自动调零电容。
（1）读数保持电路
MC14433实现读数保持电路如图10-4-6所示，在EOC端与DU端串入100kΩ电阻。
当开关S断开时能正常进行A/D转换，显示值被不断地刷新；闭合S时DU＝0，A/D转换结果就长期保持下来，此时A/D处于锁存状态。
保持时间即开关闭合时间。
（2）超量程闪烁报警电路
图10-4-5示出的数字电压表亦有不足之处，在超量程时强迫显示器消隐，这容易使操作人员误以为仪表发生故障或突然停电了。
改进方案是增加如图10-4-7所示的超量程闪烁报警
图10-4-7超量程闪烁报警电路
电路。
现利用双D触发器CD4013的一半作二分频器。
作触发器复位信号EOC作时钟脉冲。
常态下，
＝1→
＝1→
＝1，能正常显示；一旦发生超量程，
＝0，EOC信号经二分频后加至CD4511的
端，令显示器低频闪烁。
1/2CD4013有两个作用：
第一，将EOC窄脉冲变成方波；第二，对fEOC进行二分频，降低闪烁频率以取得最佳报警效果。
例如，当f0＝50kHz时，fEOC＝f0/16400≈3Hz，经二分频后f＝1.5Hz方波，周期T＝0.67s。
这样，
端就加上交替变化的高、低电平，强迫LED显示器以1.5Hz的低频进行闪烁，以示超量程报警。
思考题：
1.将MC14433的Q0端与
端进行“逻辑与”，能否获得欠量程信号？
画出电路图。
2.简述MC14433的超量程报警电路的工作原理。
D触发器在该电路中起什么作用？
能否直接把EOC信号接
端来达到过载闪烁之目的？
为什么？
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