四位半数字电压表课程设计论文.docx

1、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Four

2、 And a Half Digital VoltmeterAbstract This article describes a digital voltage measuring circuit, the circuit ICL7135 precision AD conversion circuit, the analog input voltage is converted to digital, digital tube through the chip 74LS47 decoding show. The measuring range of this device for DC 0 - 2

3、 volts. Chip ICL7135 a dual power supply and convenient to use, we use 74HC04 NAND gate chip to create a back EMF, the single-supply dual power supply. Exactly, 74HC04 and ICL7135 are at the same time take the role of the clock pulse to work, we use the clock chip the ICM7556 formation of a pulse os

4、cillator circuit. Thus, the joint work of several modules, a high-precision digital voltmeter constitutes.Key words AD conversion; decoding; clock signal; NAND gate chip 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、

5、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-1.99991.9999 V。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。2.2.1 AD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

6、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

7、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2.2 1CL7135芯片引脚V- （1脚）负电源端REFERENCE （2脚）外接基准电压输入端ANALOG COMMON（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、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，

9、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

10、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

11、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

12、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CMOS 6反向器数字元件。其突出优点是可在26V电压下工作，既有

13、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315V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2.3 74HC04内部功能图74HC04管脚分布如图4所示：图2.4 74HC04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

14、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（19）进行4线BCD编码，即对最高位数据线进行译码。当19均为高电平时，编码输出（ABCD）为十进制零。

15、故不需单设/IN0输入端。74LS47的管脚分布和说明如下图： 图2.5 74LS47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

16、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100K和0.1F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

17、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edb,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

18、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，D5D1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

19、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L

20、ED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

21、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 X1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

22、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。