1、设计制作一个简易数字电压表目 录一、设计要求 .4二、设计方案、电路图和工作原理 .4三、软件仿真 .4四、PCB 设计 .4五、元器件清单表 .4五、焊接和调试 .4六、过程照片 .4七、总结、心得及其他 .4八、指导老师评定 .5目 录2课程设计任务与要求2.1 设计目的2.2 设计要求3设计思路3.1 方案选择3.2 系统框图4课程设计框图及工作原理4.1 工作原理4.2 ICL7107 的工作原理4.3 原理图5电路设计与仿真6系统调试与结果分析6.1 调试仪器6.2 调试方法6.3 测试结果分析6.4 硬件实物图7元器件清单8总结及心得体会课程设计任务及要求2.1 设计目的1、了解双
2、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.设计制作一个简易数字电压表，该简易电压表对输入的 0200mv模拟直流电压进行测量和数据显示。2.量程为 0-200mV。3.显示位数为 3 位半。4.选取合理的元器件，制作 pcb 版，焊接线路。5.对自己所设计的简易数字电压表进行测试标定。设计思路3.1 方案选择1).根据设计要求和功能，我们考虑了如下三个可行性方案： 方案 1：主要器件由芯片 ICL7107 和液晶显示器 LCD 组成 关键词：芯片 ICL7107 液晶显
3、示器 LCD 由于 7107 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 5V 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
4、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 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。（2）采用+5V 和5V 两组电源供电。（3）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。（4）显示亮度较高。 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、电压比较器、积分器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡器、计数器、锁码器、译码器、驱动器和
5、控制逻辑电路等，使用时只需外加少量的电阻、电容元件显示器件，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显示速度快，是本设计的关键，ICL7107 是一个用 4000 个计数脉冲时间作为 A/D 转换的一个周期时间，每个周期分为自动稳零（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的重复产生 AZ=、INT、DE、3 个阶段的控制信号，适时的指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作。使输出对应输入信号的数值，而输入模拟信号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
6、分时间（1000 个脉冲周期）：T 为反积分时间（满度时间为 2000） 。4.2 ICL7107 的工作原理ICL7107 的管脚分布：V和 V-分别为电源的正极和负极，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。Bck：千位笔画驱动信号。接千位 LEO 显示器的相应的笔画电极。Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第 38 脚至第 40 脚电容量的选择是根据下列公式来决定：Fosl = 0.45/RCCOM ：模拟信号公共端，简称“模拟地” ，使 用时一般与输入信号的负端
7、以及基准电压的负极相连。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” 。VREF VREF- ：基准电压正负端。CREF：外接基准电容端。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IN和 IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容 CAz 。如果应用在 200mV 满刻度的场合是使用 0.47F，而 2V 满刻度是0.047F。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 100
8、A，而缓冲器与积分器能够供给 20A 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 满刻度则使用 470K。工作原理：ICL7107 内部包含模拟电路和数字电路两部分二者是相互联系的。亦方面由控制逻辑产生控制信号，按定时序将多路模拟开关接通或断开，保证 AD 转换正常进行，另一方面模拟电路的比较器输出信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。下面介绍各部分的工作原理。模拟电路：模拟电路由双积分式 AD 转换器构成，电路如图 2 所示。主要包括2.8V 基准电压。源（EO） 、缓冲器（AL） 、积分器（A2） 、比较器
9、（A3）和模拟开关的组成。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高度、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点。适合做低速模转换。每个转换周期分为三个阶段进行，自动调零（AZ） 、正向积分（INT） 、反向积分（DE） ，并按照 AZ 到 INT 到 DE到 AZ 的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为 TCP。每个测量周期共需要 4000 个 TCP，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 带入上式得。N=10UIN、或 U
10、IN=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” 。要测量 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，积分电容选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容聚丙烯电容。为了提高仪表抗串模干扰能力，正向积分时间（称采样时间）T1 应是工频周期的整数倍，我国采用 50Hz 交流电网，其周期为20ms,应选T1=20n （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
11、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就不影响积分器的输出。但 n 值也不宜过大，以免测量速率太低。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，（1）频分器；（2）计数器；（3）锁存器；（4）译码器；（5）异或门相应为驱动器；（6）控制逻辑；（7）LCD 显示器。时钟振荡器由 ICL7107 内部相反器 F1、F2 以及外部阻容元件R、C 组成。若取 R 为 120 千殴，C 为 100 皮法，则 F0=40kHz。F0 经过 4 分频后得到计数频率，fPC=10kHz,即 TCP=0.1ms。此时测量周期 T=16000T0=4000TCP=0
12、.4s.测量速率为 2.5 次每秒。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 到 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得状态相异时（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。小数点驱动电路S 为小数点选择开关，DP1 到 DP3 一次为个位、十位、百位的小数点驱动端，LCD 的背电极接 BP。剩下一
13、个异或门还可驱动标识符。 4.3 原理图电路设计与仿真数字电压表仿真图：数字电压表 PCB 板：仿真及焊接时的注意事项辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的做下方为第一脚。也可以把芯片的缺口朝左放置，在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，按照逆时针方向去走，依次是第 2 至第 40引脚。 （1 脚与 40 脚遥遥相对）辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的做下方为第一脚。也可以把芯片的缺口朝左放置，在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VBUF28CAZ29VIN+
14、31VIN-30ACOM32VINT27CREF+34CREF-3V+6REF-35V+1V-26D12C3B14A5F16G7E8D29C10B2A12F213G25E4D315B316C24A3F317G2E8AB419POL20GND1OSC140239SC38TEST37U1TC710R1kR24kR3470R410kR547kC10.2uFC20.1uFC310pFC0.47uFC50.2uF54%RV12k30%RV21kV120mvVolts+0.7Volts+0.3 VE记。知道了第一脚之后，按照逆时针方向去走，依次是第 2 至第 40引脚。 （1 脚与 40 脚遥遥相对）注意
15、芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22 皮法、47K0.47皮法阻容网络，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 脚接的电容也不 能使用磁片电容。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 挡，我们可以分别调整出50mV、100mV、190mV 三种电压来，把它们依次输入到 ICL7107 的第31 脚，数码管
16、应该对应 50.0、1000.0、190.0 的数值，允许有 2-3 个字的误差。比例度数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压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，与基准电压炉体是多少 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。系统调试与结果分析6.1 调试仪器 可调直流电源，可调范围：0200mV；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）.
17、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：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。6.4 硬件实物图元器件清单：ICL7107 芯片一个，电阻 1M，47K，100K，24K 电阻各一个，0.1uF，0.022uF，0.47uF，0.22uF，100pF 电容各一个，电位器 1K 一个，共阳极数码管四个。总结及心得体会本次课程设计我们组选择的课题是“基于 ICL7107 数字电压表的设计” 。起初，对于 ICL7107 数字电压表，了解甚少，但通
18、过查找资料，在老师的帮助下最终完成了本次课程设计的任务。回想这段日子的学习和经历，我觉得真的是受益匪浅。课程设计流程主要分为电路图设计、电路仿真、实物焊接、电路调试和大作业， 首先是电路图的设计，为了画出令人满意的电路图，我们在图书馆和网上搜集了大量相关资料。通过对 ICL7107 芯片进行了深入了解，对数字电压表的工作原理进行了分析和总结，着手在 proteus 软件中进行原理图的绘制。然后就是电路仿真，在设计电路初期，仿真图终于实现了数字电压表的功能。下一步就是绘制 PCB 板，布局布线的调整也花费了不少的时间。最后是实物图的焊接和调试，在本次课程设计过程中，我不仅学会了关于数字电压表的一些知识，而且学会了该如何去解决问题。在以后的学习和工作中，我会不断充实自己，争取在所学领域有所作为，脚踏实地，求真务实，吃苦耐劳，自强不息！
