四位半数字电压表课程设计论文.docx

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四位半数字电压表课程设计论文

四位半数字电压表

【摘要】本文介绍一种数字电压测量电路，该电路采用ICL7135高精度、AD转换电路，将模拟量输入电压变换为数字量，通过芯片74LS47译码显示到数码管上。

此设备的测量范围为直流0—±2伏。

芯片ICL7135采用双电源供电，而为了我们使用的方便，我们运用74HC04非门芯片制造一个反电势，其可将单电源转化为双电源。

恰好，74HC04与ICL7135同时都需要时钟脉冲的作用才能工作，我们便运用时钟芯片ICM7556组建了一个产生脉冲的震荡电路。

这样，在几大模块的共同工作下，一个高精度的数字电压表就构成了。

【关键词】AD转换；译码；时钟信号；非门芯片

FourAndaHalfDigitalVoltmeter

[Abstract]Thisarticledescribesadigitalvoltagemeasuringcircuit,thecircuitICL7135precisionADconversioncircuit,theanaloginputvoltageisconvertedtodigital,digitaltubethroughthechip74LS47decodingshow.ThemeasuringrangeofthisdeviceforDC0-±2volts.ChipICL7135adualpowersupplyandconvenienttouse,weuse74HC04NANDgatechiptocreateabackEMF,thesingle-supplydualpowersupply.Exactly,74HC04andICL7135areatthesametimetaketheroleoftheclockpulsetowork,weusetheclockchiptheICM7556formationofapulseoscillatorcircuit.Thus,thejointworkofseveralmodules,ahigh-precisiondigitalvoltmeterconstitutes.

[Keywords]ADconversion;decoding;clocksignal;NANDgatechip

第1章前言

1.1设计目的

1、理论与实践相结合，设计四位半数字电压表。

2、掌握四位半数字电压表的设计原理、组装、焊接与调试方法。

3、了解，掌握，并能独立调式设计四位半数字电压表。

以及各组成元件的使用和原理。

4、熟练使用万用表的各个功能。

1.2设计内容及要求

1、将准备的零器件组装焊接，正确焊接数字电压表。

2、设计好的表测量范围是-1.9999~1.9999V。

3、在正常范围内允许有+/-1个自号跳动。

4、组装并调试四位半数字电压表。

5、画出数字电压表电路原理图与元器件布置图。

第2章系统结构框图及单元电路的设计

2.1系统结构框图

图2.1数字电压表系统结构框图

2.2单元电路的设计

该数字电压表是按照普通应用电路而组合成为最基本的数字表头，主要使用了其±2.0000V的直接测量功能。

2.2.1AD转换电路

AD转换电路采用高精度ICL7135芯片，ICI7135是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出±20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便。

ICL7135具有精度高（相当于14位A/D转换）,价格低的优点。

其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:

自校准（调零）,正向积分（被测模拟电压积分）,反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲）。

故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数。

将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量。

当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。

ICL7135有以下特点：

（1）在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作。

（2）在±2000字（2V满量程）范围内，保证转换精度±1字。

（3）具有自动极性转换功能。

（4）有过量程（OR）和欠量程（UR）标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。

（5）输出为动态扫描BCD码。

ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如下图所示：

图2.21CL7135芯片引脚

V-（1脚）——负电源端

REFERENCE（2脚）—外接基准电压输入端

ANALOGCOMMON（三脚）——模拟地

INT（4脚）——积分器输出，外接积分电容（Cint）端

AZ（5脚）——外接调零电容（Caz）端

BUFF（6脚）——缓冲器输出，外接积分电阻（Rint）端

REFCAP+（8脚）——外接基准电压电容（Cr）端

D5、D4、D3、D2、D1（12，17，18，19，20脚）——位扫描选通信号输出端，每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号，脉冲宽度为200个时钟周期，其中D5对应万位选通，以下依次为千、百、十、个位。

在正常输入情况下，D5--D1输出连续脉冲。

当输入电压过量程时，D5--D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。

利用这个特性，可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象.

B8、B4、B2、B1（16，15，14，13脚）——BCD码输出端，该四端为转换结果BCD码输出，采用动态扫描输出方式，即当位选信号D5=“1”时，该四端的信号为万位数的内容，D4=“1”时为千位数内容，其余依次类推。

在个、十、百、千四位数的内容输出时，BCD码范围为0000--1001，对于万位数只有0和1两种状态，所以其输出的BCD码为“0000”和“0001”。

当输入电压过量程时，各位数输出全部为零，这一点在使用时应注意。

BUSY（21脚）——指示积分器处于积分状态的标志信号输出端，在双积分阶段（INT+DE），BUSY为高电平，其余时为低电平。

因此利用BUSY功能，可以实现A/D转换结果的远距离双线传送，其还原方法是将BUSY和CLK“与”后来计数器，再减去10001就可得到原来的转换结果。

CLK（22脚）——时钟信号输入端，

POL（23脚）——极性输出端，当输入电压为正，则POL等于“1”，反之则等于“0”。

DGNG（24脚）——数字电路接地端

R/H（25脚）——转换/保持控制信号输入端，当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，7135处于连续转换状态，每40002个时钟周期完成一次A/D转换。

若R/H由“1”变“0”，则7135在完成本次A/D转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入电压变化的影响。

因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。

若把R/H端用作启动功能时，只要在该端输入一个正脉冲（宽度》300NS），转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。

注意：

第一次转换周期中的AZ阶段时间为9001-10001个时钟脉冲，这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。

ST（26脚）——选通信号输出端，主要用作外部寄存器存放转换结果的选通控制信号，每次A/D转换周期结束后，ST端都输出5个负脉冲，其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间，ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期，第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期产生。

因为每个选信号（D5--D1）的正脉冲宽度为200个时钟周期（*只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期），所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。

需要注意的是，若上一周期为保持状态（R/H=“0”）则ST无脉冲信号输出。

ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处理器进行传送。

OR（27脚）——过量程信号输出端

当输入电压超出量程范围（20000），OR将会变高。

该信号在BUSY信号结束时变高。

在DE阶段开始时变低。

UR（28脚）——欠量程信号输出端。

在电路内部，CLK和R/H两个输入端上分别设置了非门和场效应管的输入电路，以保证该两端在悬空时为高电平。

2.2.2负电源生成电路

ICL713采用双电源供电，为了省去了用户使用双电源供电的麻烦，我们添加了负电源生成电路，这样一来只需要给表头供电+5V就可以正常使用。

74HC04采用COMS工艺，74HC04是CMOS6反向器数字元件。

其突出优点是可在2~6V电压下工作，既有电源范围宽的特点，并且很适合在低压下工作，不像4000系列CMOS电路。

虽可用于3~15V电源，但在5V以下的输出能力已大为减弱。

既有静态功耗低。

74HC04的内部结构及引脚图如下：

图2.374HC04内部功能图

74HC04管脚分布如图4所示：

图2.474HC04管脚分布

1A----6A为输入端。

1Y-----6Y为输出端

2.2.3震荡电路

震荡电路由时钟芯片ICM7556搭建，该芯片是CMOS定时器提供，大大提高性能，优于标准。

在同一时间，即在大多数应用中这些设备的直接替代点，改进的参数包括低电压、低电流、宽工作电源电压范围、低门槛，触发和复位电流。

控制器产生精确的时间延误或可频率，定时器操作相互独立，每个脉冲的宽度精确控制电路是由一个外部电阻器和电容，座位一个振荡器，自由的非稳态操作运行频率，占空比都是准确控制两个外部电阻器和一个电容器。

输出驱动器一个CMOS逆变器能够组成驾驶大多数逻辑系列,包括COMS和

TTL，因此，如果在所有供应CMOS，输出摆幅驱动电压将等于电源电压。

在电源电压4.5v或将推动更多的标准。

2.2.4译码电路

译码电路采用芯片74LS47，其为10线－4线优先编码器，共有54/7414和54/74LS147两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：

147将9条数据线（1－9）进行4线BCD编码，即对最高位数据线进行译码。

当1－9均为高电平时，编码输出（ABCD）为十进制零。

故不需单设/IN0输入端。

74LS47的管脚分布和说明如下图：

图2.574LS47的管脚分布

（1）LT：

试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。

当LT=0时，无论输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。

（2）BI：

灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。

BI=0时。

不论LT和输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。

（3）RBI：

灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。

当对每一位A3=A2=A1=A0=0时，本应显示0，但是在RBI=0作用下，使译码器输出全1。

其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。

（4）RBO：

灭零输出，它和灭灯输入BI共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。

它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。

实现译码的逻辑电路成为译码

器。

译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。

74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用。

2.2.5输入滤波电路及负电源组成原理

在ICL7135的信号输入端，即“INLO-”“INLI+”两个管脚（9，10）与被测电压VX之间接100KΩ和0.1µF的RC滤波器，以提高整体抗干扰能力，以有利于增加整体的过载能力。

ICL7135所需的“-5V”电源由74LS47的反相器并联为电源逆变电压，以提供所需的-5V电压要求。

输入滤波电路如图6所示：

……………………………………装……………………………………订……………………………………线………………………………………………

图2.6输入滤波电路

6个非门并联相当于一个非门，当输入脉冲为高电平时，经过非门反相器输出为低电平，当反相器输出高电平时，形成如图7所示电路，由点ａ向C6充电至+5V止，这时D2反相截止，当反相器输出低电平时，形成如图8所示回路，当a相当于地，C6上的压降相当于+5V。

图2.7回路1图2.8回路2

C点为地，D3截止，D2导通。

电流方向e→d→b,输出一个-5V电压，满足一个电源供两种极性的要求，同时，选用稳定电压为3V的标准稳压二极管，并且用一个分压电阻与电位器串联，微调提供基准电压Vref=1V，基准电压的精度和准稳定性将直接影响转换的精度。

2.2.6并行位选扫描输出原理

ICL7135是动态扫描传送的，由最高位到最低位，D5~D1在正常的情况下扫描是按顺序的。

ICL7135极性输出端POL外接三极管9013接在共阳数码管阳极上，当7135输出高电平时，NPN三极管导通，LED的G端为高电平，输出显示；反之，当7135输出低电平时，三极管截止，LED的G端为低电平，不显示。

位选信号和译码器对每一位数码管准备的信号是一直的，这样在高速的频率刷新下，由于人肉眼的滞留现象，我们可以看见五个数码管同时在亮。

实际中，某一时刻下只有一个管在亮。

电路图如下：

总线

图2.9显示电路

第3章调试要点及测试方法

3.1测试要点

在调试的过程中，我们遇到了几个问题。

一个是数码管闪烁的问题，究其原因是基准电压没调准，加上供的-5v电压。

另一个是数码管不亮的问题。

可能是因为7135的位选没通，也有可能是74LS47的驱动能力有问题。

如果74HC04存在问题，数码管上显示的数值就会跳，所以我们也可以直接提供-5v，避免这些问题的发生。

为了使数字电压表更加精确，在调试的过程中需要找出出现问题的原因。

需要注意的大致为以下六点：

（1）接通电源电压+/-5V的电源，用万用表测量555多谐振荡器的电压，看是否为起振电压。

（2）采用稳压电源，使其输出电压为199.99mV或1.9999V作模拟量输入信号，调整基准电压的电位器，使LED数码管显示值与输入模拟电压值相等。

（3）基准电压测量，将正输入端短接，读数应为1000.01；检查自动调零功能，将输入端短路，也就是没有输入信号的时候，LED显示器应该显示“00000”。

（4）检查超量程溢出功能，调节输入电压值，当超出测量范围时观察LED数码管是否有闪烁警告。

（5）测试线性误差，将输入模拟电压信号从0V增加到1.9999V,用标准数字电压表检测输出，通过与LED显示值相比较，其最大偏差即为线性误差。

（6）选择不同范围的电压值，检查各量程是否准确。

3.2测试方法

基本质量的快速判别与测定：

送入+5V直流稳压电源，屏幕上面应该显示随机数字，用金属短路2个输入端口（Vin与GND），屏幕应该显示±0000,（允许有±1个字的变化），利用指针万用表的X1Ω电阻挡，（或者是一节1.5V电池），输入到电压表的信号输入端口，屏幕应该显示该电池的数字。

交换输入信号的极性，应该有负号出现，显示为-15034。

经过这么一轮测试，如果都没有问题，表头就可以准备使用了。

校准测量精度：

可以使用最简单的方法校准，就是利用一只数字万用表监视着芯片第二引脚的电压，微调多圈电位器，使读数＝1.0000V,（允许±2个字），然后，输入一个信号电压，用数字万用表监视，是否读数一致，如果不一致，再仔细微调多圈电位器令其达到一致。

校准后，可以用胶粘住电位器的微调螺钉，以防移位，之后，就可以投入正常使用了。

第4章结论

4.1调试或焊接过程中出现的错误及解决方案

焊这块板子进行的还算顺利，花了大概一下午的时间。

第一次上电就显示出了数字。

按照所需要求，我在其它标准电压表的测量下，将基准电压调为1V。

之后测量了一下自己的纽扣电池，正接大概1.51V,反接大概-1.52V。

根据实际的应用，我将高位数码管的小数点段连接电阻至低，这样表头变的就更正式了。

4.2心得体会

本次设计是对我大学数字电子技术学习的见证与总结，我并没有把这次设计当成一个任务来完成，而是作为自己学习的真理与综合，并借此机会对自己所学的专业知识进一步巩固。

在设计中我学会了发现问题，最终解决问题并改进自己的不足，在实践中一步步提高自己的能力与素质。

同时也锻炼了自己的独立能力，发现自己的知识很有局限性，还有很多的漏洞，趁机在这次设计中弥补自知识的欠缺与不足。