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基于ICL7107数字电压表


西安电子科技大学
长安学院

课程设计
设计题目:数字电压表的仿真与设计 学 系 专 班 学 姓 院:长安学院 别:电子工程 业:电子科学与技术: 级:06521 号:06521002 名:***

指导老师:王勇

目 录
一. 摘要?????????????????????????2

二.课程设计任务与要求 ?????????????????????2
2.1 设计目的??????????????????????????2 2.2 设计要求??????????????????????????2

三.总体设计思路?????????????????????3
3.1 方案选择??????????????????????????3 3.2 系统框图??????????????????????????3

四.课程设计框图及工作原理????????????????4
4.1 工作原理?????????????????????????4 4.2 ICL7107 的工作原理????????????????????5 4.3 ICL7107 安装电压表头时的一些要点?????????????8 4.4 关于多量程电路部分 ???????????????????10

五.电路设计与仿真????????????????????12 六. 系统调试及结果分析 ……………………………………………13
6.1调试仪器 ?????????????????????????13 6.2 调试方法?????????????????????????13 6.3 测试结果分析???????????????????????13 6.4 硬件实物图????????????????????????13

七.元器件清单??????????????????????14 八.设计心得体会?????????????????????14 九.参考文献???????????????????????14

一. 摘要
数字电压表(Digital Voltmeter)简称DVM,它是采用数字化测量技术,把连续的

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模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。目前, 由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表,已被广泛用于电子及电工测量、工业自 动化仪表、自动测试系统等领域,显示出强大的生命力。与此同时,由DVM扩展而 成的各种通用及专用数字仪器仪表,也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。 本章重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成各种新型数字电压表的工作原理。

数字电压表具有以下九大特点: 1. 显示清晰直观,读数准确 2. 准确度高 3. 分辨率高 4. 测量范围宽 5. 扩展能力强 6. 测量速率快 7.输入阻抗高 8. 集成度高,微功耗 9. 抗干扰能力强

二.课程设计任务与要求
2.1、设计目的
1、了解双积分式 A/D转换器的工作原理 2、熟悉 A/D转换器 ICL7107 的性能及其引脚功能 3、掌握用 ICL7107 构成直流数字电压表的方法

2.2、设计要求
1、设计一个数字电压表电路。 2、测量范围:直流电压 0V~1.999V,0V~19.99V,0V~199.9V,0V~1999 V。 3、组装调试数字电压表。 4、画出数字电压表电路原理图,写出实验报告。

三.课程设计总体设计思路
3.1 方案选择
2

1). 根据设计要求和功能的实现,我们考虑了如下三个可行性方案: 方案 1:主要器件由芯片 ICL7106 和液晶显示器 LCD 组成 关键词:芯片 ICL7106 液晶显示器 LCD 图一为方案 1 的简易原理方框图。 由于 7106 是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上,属于大规模 CMOS 集成电路,因此 本方案主要有以下特点: (1)采用单电源供电,可使用 9V 迭层电池,有助于实现仪表的小 型化。 (2)芯片内部有异或门输出电路,能直接驱动 LCD 显示器。 (3)功耗低。芯片本身 消耗电流仅 1。8mA,功耗约 16mW。 (4)输入阻抗极高,对输入信号无衰减作用。 (5)能 通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性的功能。 (6)噪声低,失调温标和增益温 标均很小。具有良好的可靠性,使用寿命长(7)整机组装方便,无须外加有源器件,可以 很方便地进行功能检查。 方案 2:主要器件由芯片 ICL7107 和共阳极半导体数码管 LED 组成。 关键词:A/D 转换器 芯片 ICL7107 共阳极半导体数码管 LED 图二为方案 2 的简易原理方框图。 本方案的主要特点是: (1)能直接驱动共阳极的 LED 显示器,不需要另加驱动器件,使整 机线路简化。 (3)采用+5V 和—5V 两组电源供电。 (4)LED 属于电流控制器件,在 3 1/2 位数字仪表中采用直流驱动方式,芯片本身功耗较小。 (5)显示亮度较高。 方案 3:主要器件由芯片 MC14433 和共阴极半导体数码管 LED 组成。 MC14433 是美国摩托罗拉公司生产的单片 3?位 A/D 转换器,它适合构成带 BCD 码输出的 3?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。 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 数管。 (3)有多路调制的 BCD 码输出,可直接配μ P 构成智能仪表。 (4)工作电压范围是±4.5 V~±8V,典型值为±5V,功耗约 8mW。

3.2 系统框图
本文设计的电压表是一个 3 位半直流电压测量的数字式电压表,测量范围为直流 0~199mV、0~1.99V、0~19.99V、0~199.9V、0~1999V,共 5 个量程。电压值显示稳定,读数 方便,能测量正、负电压且能自动切换量程,使用方便。系统框图(如图 1 所示)。本系 统可分为测试电压转换、 模拟电压通道、 数据电压通道(A/D 转换及译码锁存)、数码显示、 小数点驱动电路 5 部分。

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图 1 系统框图

四.课程设计框图及工作原理
4.1 工作原理

ICL7107 是双积型的 A/D 转换器, 还集成了 A/D 转换器的模拟部分电路, 如缓冲器、 积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关,以及数字电路部分如振荡源、计数器、 锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等,使用时只需外接少量的电阻、电容元件和显示 器件,就可以完成模拟到数字量的转换,从而满足设计要求。显示稳定可读和测量反应速度 快, 是本设计的关键。 ICL7107 的一个周期为用 4000 个计数脉冲时间作为 A/D 转换的一个 周期时间,每个周期分成自动稳零(AZ)、信号积分(INT)和反积分(DE)3 个阶段。内 部逻辑控制电路不断地重复产生 AZ、INT、DE 3 个阶段的控制信号,适时地指挥计数器、 锁存器、译码器等协调工作,使输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部 数值上等于计数数值 T,即:VIN 的数值=T 的数值或 Vin=Vref(T/1000) 式中:1000 为积 分时间(1000 个脉冲周期);T 为反积分时间(满度时为 2000)。

ICL7107 的管脚排列:
管脚 1 和 26 是 ICL7107 的正、负极。COM 为模拟信号的公共端,简称模拟地,使 用时应与 IN-、UREF-端短接。TEST 是测试端,该端经内部 500Ω 电阻接数字电路的公 共端(GND) ,因二者呈等电位,故亦称做数字地。该端有两个功能:①作测试指示,将它 接 U+时 LCD 显示全部笔段 1888、可检查显示器有无笔段残缺现象;②作为数字地供外部 驱动器使用,来构成小数点及标志符的显示电路。a1~g1、a2~g2、a3~g3、bc4 分别为个 位、十位、百位、千位的笔段驱动端,接至 LCD 的相应笔段电极。千位 b、c 段在 LCD 内 部连通。当计数值 N>1999 时显示器溢出,仅千位显示“1” ,其余位消隐,以此表示仪表 超量程(过载溢出) 。POL 为负极性指示的驱动端。BP 为 LCD 背面公共电极的驱动端,简 称“背电极” 。OSC1~OSC3 为时钟振荡器引出端,外接阻容元件可构成两级反相式阻容振 荡器。UREF+、UREF-分别为基准电压的正、负端,利用片内 U+-COM 之间的+2.8V

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基准电压源进行分压后,可提供所需 UREF 值,亦可选外基准。CREF+、CREF-是外接 基准电容端。IN+、IN-为模拟电压的正、负输入端。CAZ 端接自动调零电容。BUF 是缓 冲放大器输出端,接积分电阻 RINT。INT 为积分器输出端,按积分电容 CINT。需要说明, ICL7106 的数字地(GND)并未引出,但可将测试端(TEST)视为数字地,该端电位近似 等于电源电压的一半。

4.2 ICL7107 的工作原理
ICL7107 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,电路如图 2 所示。主要包括 2.8V 基准电压

图 2 ICL7107 的模拟电路

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,

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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, 将 T1=1000TCP,UREF=100.0mV 代入上式得 N=10UIN 或 UIN=0.1N (2-2)

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” 。 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) (2-3) 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。

图 3 ICL7107 外围电路图

(2)数字电路
数字电路如图 4 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、 以及外部阻容元件 R、 组成。 F2 C 若取 R=120kΩ , C=100PF, f0=40kHz。 则 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,

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图4

ICL7107 的数字电路

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。

(3)小数点驱动电路
为了显示小数点,需采用 CD4030 四异或门(或 CD4077 四异或非门) ,电路如图 5

图 5 小数点驱动电路 所示。 为小数点选择开关, S DP1~DP3 依次为个位、 十位、 百位的小数点驱动端, LCD 的背电极接 BP。剩下一个异或门还可驱动标志符。 控制逻辑有三个作用:第一,识别积分器的工作状态,适时发出控制信号,使A/D 转

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换正常进行;第二,判定输入电压极性并控制LCD的负极性显示;第三,超量程时发出溢出 信号使千位显示1,其余位消隐。 用计数器的输出信号ABC 控制小数点电路,若最高位到最低位小数点依次用Dp1、Dp2、 Dp3 及Dp4 表示,则可写出其真值表,如表1(1 表示点亮)所示。

表1 小数点显示真值表

则逻辑表达式为 :

D P 1 = A ?B ?C,??D

P2

= A ?B ?C , D P 3 = ABC, D P 4 = B ?C ?? ??

4.3 ICL7107 安装电压表头时的一些要点:
按照测量=± 199.9mV 来说明。
1). 辨认引脚: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。
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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,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。 , -- 本 文不讨论特殊要求应用。 5). 负电压产生电路:负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提供,但是这 要求供电需要正负电源,通常采用简单方法,利用一个 +5V 供电就可以解决问题。比较常 用的方法是利用 ICL7660 或者 NE555 等电路来得到,这样需要增加硬件成本。我们常用 一只 NPN 三极管,两只电阻,一个电感来进行信号放大,把芯片 38 脚的振荡信号串接 一个 20K -56K 的电阻连接到三极管"B"极,在三极管"C"极串接一个电阻(为了保护)和 一个电感(提高交流放大倍数),在正常工作时,三极管的"C"极电压为 2.4V - 2.8V 为 最好。 这样, 在三极管的"C"极有放大的交流信号, 把这个信号通过 2 只 4u7 电容和 2 支 1N4148 二极管,构成倍压整流电路,可以得到负电压供给 ICL7107 的 26 脚使用。这个 电压,最好是在 -3.2V 到 -4.2V 之间。 6). 如果上面的所有连接和电压数值都是正常的,也没有"短路"或者"开路"故障,那么, 电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1 档,我们可以分别 调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来,把它们依次输入到 ICL7107 的第 31 脚,数 码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值,允许有 2 -3 个字的误差。如果差别 太大,可以微调一下 36 脚的电压。 7). 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, 这时候, 数码管显示的数值最好是 100.0 , 通常在 99.7 - 100.3 之间, 越接近 100.0 越 好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况,与基准电压具体是多少 mV 无关,也无法 在外部进行调整这个读数。如果差的太多,就需要更换芯片了。 8). ICL7107 也经常使用在 ± 1.999V 量程,这时候,芯片 27,28,29 引脚的元件数值, 更换为 0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络, 并且把 36 脚基准调整到 1.000V 就可以使用在 ± 1.999V 量程了。

9

9). 这种数字电压表头, 被广泛应用在许多测量场合, 它是进行模拟-数字转换的最基本, 最简单而又最低价位的一个方法,是作为数字化测量的一种最基本的技能。

4.4 关于多量程电路部分
也有许多场合,希望数字电压表(数字面板表)的量程大一些,那么,只需要更改 2 只 元器件的数值, 就可以实现量程为 ± 2.000V 了。 更改的元器件具体位置和数值见图 6 的 28 和 29 两只引脚:

图6
在有了一只数字电压表(数字面板表)之后,按照下面的图示,给它配置一组分流电阻, 就可以实现多量程数字电流表,分档从 ± 200uA 到 ± 20A 。但是要注意:在使用 20A 大 电流档的时候, 不能再有开关来切换量程, 应该专门配置一只测量插孔, 以防烧毁切换开关。

图7

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与多量程电流表对应的是经常需要使用多量程电压表, 按照下图配置一组分 压电阻,就可以得到量程从 ±200.0mV 至 ±1000V 的多量程电压表。

图8 测量电阻与测量电流或者电压一样重要,俗称“三用 表”,利用数字电压表 做成的多量程电阻表,采用的是“比例法”测量,因此,它比起指针万用表的电 阻测量来具有非常准确的精度,而且耗电很小,下图示中所配 置的一组电阻就 叫“基准电阻”, 就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值,再由 Vref 电 压与被测电阻上得到的 Vin 电压进行“比例读数”,当 Vref = Vin 时,显示 就是 Vin/Vref*1000=1000 , 按照需要点亮屏幕上的小数点,就可以直接读出被 测电阻的阻值来了。 在产品数字万用表中, 为了节省成本和简化电路,测量电流的分流电阻和测 量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻。 这里不讨论数 字万用表的电路, 仅仅是帮助读者在单独需要使用某种功能时,可以有一定的参 考作用。 下图是一个最简单的 10 倍放大电路,运算放大器使用的是精度比较高 的 OP07 ,利用它,可以把 0~200mV 的电压放大到 0~2.000V。在使用的数字 电压表量程为 2.000V 时,(例如 ICL7135 组成的 41/2 数字电压表,基本量 程就是 2.000V。)特别有用。 如果把它应用在基本量程为 ±200.0mV 的数字电压表上,就相当于把分辨 力提高了 10 倍,在一些测量领域中,传感器的信号往往觉得太小了,这时,可 以考虑在数字电压表前面加上这种放大器来提高分辨力。

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图9

五.电路设计与仿真
本设计采用集成芯片 ICL7107 作为数字电压表的 A/D 转换及锁存和译码模块,使得电路具 有设计简单、集成度及可靠性高的特点。该系统能够实现 0~199.9mV 量程电压值的测量。电 路连接图与仿真图如图(图 9 和图 10)所示。

图 10

ICL7107 的电路连接图

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图 11

仿真图

六. 系统调试及结果分析
6.1 调试仪器
可调直流电源,可调范围:0~200mV;万用表,精度:0.1mV。

6.2 调试方法
1.电压测量调试:用该表测量一电压,再用万用表测量,分别记录电压值。 2.用电位器调试:首先用整数的电压测量,观察是否能正常测量;然后调节电源电压到 小数量程的电压值进行测量,观察是否能正常测量。

6.3 测试结果分析
1.电压测量: 由测量可知该表测量电压较准确, 与万用表有一定的差异应是分压电阻和 模拟开关的导通电阻引起的。 2.自动切换量程测试:由测量可知自动切换量程功能能够实现。

6.4 硬件实物图

图 12 实物图

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七.元器件清单
ICL7107 芯片一个 ; 5 个非极性电容; 4 个电阻和 1 个电位器;

八.设计心得体会
在这次课程设计当中我真正体会到什么叫做学以致用,第一次体会到用自己所学到的 知识做出了个数据电压表,在以前想都不赶想,而现在自己竟然亲手做出来,所以此时的我 心中不免有些成就感。 虽然这次课程设计理论与实践基本完成, 但在实践的过程当中存在着许多的问题。 比如 说当测量时得不到理论上的要求, 电路焊接杂乱等。 所以在以后的实验当中,我们在实验之前 第一件事应该是检查原器件, 而不是动手连线。 连线固然重要但我个人认为比这个更重要的 是在连线之前应该做的事。 21 世纪是电子技术飞速发展的时期,而数字电子技术又是一门发展速度,实践性和应 用性很强的技术基础课程。从这本书中,我们不仅学到了如何分析设计一个电路,使我们这 些以前看见过它们,却不知如何去做的人大开眼界。看来,我们学习了这门课程以后,也可 以根据它的基本原理来做出它的电路图, 也可以实现它们的功能, 得出我们想要设计的电路 图。 我觉得选择这门课程是我永远不后悔的事。 因为它可以让我们更加深刻的证实自己的能 力,证实自己是不是对这门课很认真,很努力。我觉得为我们所喜欢的事情去努力,是值得 高兴的事,我们会继续的努力学习好这门课的。希望以后能有更多这样的机会,锻炼

我的动手能力,使所学的知识能活学活用。

九.参考文献
[1]. 《PROTEL 电路设计教程》 ,江思敏、姚鹏翼、胡荣等编著,清华大学出版社 2003 [2]. 《常用电子测量仪器的使用》 ,[英]A .M.L 鲁特金著,谢瑞和、黄志良、谢白美、 王观兰译电子工业出版社 1999 [3]. 《数字电路与逻辑设计》 ,刘浩斌(主编)汪良能、刘鑫、刘炜(编著) ,电子工 业出版社 2001 [4]. 《数字万用表的原理、 使用与维修》 沙占友、 , 沙占为 (编著) 电子工业出版社 1988

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