1、电子技术基础课 程 设 计题目名称： 直流数字电压表 指导教师： 唐治德 学生班级： 2014 级 11 班 学 号： 20144363 学生姓名： 倪扶瑶 评语：成绩：重庆大学电气工程学院2016 年 7 月 2 日2摘要随着科学技术的发展，数字电压表的种类越来越多，功能越来越丰富，应用的领域也越来越广泛，给人们的工作和生活带来许多方便。本文通过对比三种直流电压表设计的方案，选择介绍的是基于 ICL7107 数字电压表的设计。 ICL7107 是集三位半转换器段驱动器、位驱动器于一体的大规模集成电路，主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用。ICL7107 是目前广泛应用于数字测量系统的一
2、种 31/2 位 A/D 转换器，能够直接驱动共阳极数字显示器，构成数字电压表，此电路简洁完整，稍加改造就可以构成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。本文设计应用了 ICL7107 芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电，正确电压时 DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口，从而可以在显示器上看到所需要的结果。加上量程转换电路的设计，电路可以实现对 01.999v，019.99v，0199.9v 的电压测量。本文阐述了电路设计中具体的每一部分具体电路的结构和功能以及仿真实验和实物调试过程。3目录一、设计目的 .4二、设计内容及要求 .4三、设计方案比较和选
3、择 .4四、设计与分析 .74.1 单元电路的设计 .74.1.1 测量电路 74.1.2 双积分模数转换电路 .74.1.3 数码显示电路 94.1.4 量程转换电路 94.2 分析计算 .104.3 器件选择 .10五、电路仿真与工作原理 .115.1 总电路图 .115.2 仿真分析 .125.3 工作原理 .12六、组装与调试 .156.1 系统调试 .166.1.1 调试仪器 166.1.2 调试方法 166.1.3 测试结果分析 166.2 故障处理 .16七、总结 .177.1 设计电路优缺点 .177.2 收获与建议 .17参考文献 .19附件 1204一、设计目的1. 掌握双
4、积分 A/D 转换的工作原理和集成双积分 A/D 转换器件的设计方法。2. 掌握常用数字集成电路的功能和使用。二、设计内容及要求1. 设计直流数字电压表。2. 直流电压测量范围：0V1.999V，0V19.99V ，0V199.9V 。3. 直流输入电阻大于 100k。4. 画出完整的设计电路图,写出总结报告。5. 选做内容：自动量程转换。三、 设计方案比较和选择根据设计要求和查阅资料我们拟定了如下三个设计方案：方案一：主要 ADC0809 转换芯片和 51 单片机主要采用 AT89C51 单片机为核心处理，采用 ADC0809 转换芯片，其中 A/D 转换器用于实现模拟量向数字量的转换，单电
5、源供电。数字电压表的系统框图如图 1 所示，通过测量电路将连续的模拟电压信号经过 A/D 转换器转换成二进制数值，再经由单片机软件编程转换成十进制数值并通过显示屏显示。本方案需要进行单片机的编程，由于我们在这方面专业知识尚不熟悉，所以不采用本方案。图 1方案二：主要使用 MC14433 芯片5由集成双积分模数转换器 MC14433 构成的直流电压表电路如图 2 所示。MC1403提供稳定精确的 2V 基准电压。MC14543 是显示译码驱动电路。直流输入电压范围是0V2V。增加测量电路和量程转换电路可实现本课题要求。图 2 MC14433 直流电压表电路图MC14433 的性能特点有：（1）M
6、C14433 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 11 的关系，即UMUREF 。 （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 P 构成智能仪表。 （4）工作电压范围是4.5 V8V，典型值为5V，功耗约 8mW。方案三：主要采用 ICL7107 芯片图
7、 3 为方案三 ICL7107 直流电压表的电路图。直流输入电压范围是 0V2V。增加测量电路和量程转换电路即可实现本课题要求。6本方案主要特点是：（1）ICL7107 是 3 1/2 位双积分型 A/D 转换器，属于 CMOS 大规模集成电路，它的最大显示值为士 1999，最小分辨率为 100uV，转换精度为 0.05 士 1 个字。（2）能直接驱动共阳极的 LED 显示器，不需要另加驱动器件，使整机线路化。采用士 5V 两组电源供电，并将第 21 脚的 GND 接第 30 脚的 IN 。（3）能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。（4）LED 属于电流控制器件，在 3 1/2
8、 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，噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。图 3 ICL7107 直流电压表的电路图方案二和方案三中的直流数字电压表设计均由测量电路、双积分模数转换电路、数码显示电路和量程转换电路组成，不需要单片机的编程，原理框图如图 4 所示。测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。图 4进一步对比图 2 和图 3 中两种方案的电路图发现 ICL1707 整机组装更为方便，无7需外加有源器件，配上电阻、电容和 LED 共阳极数码管，就能构成一
9、只直流数字电压表头。综上分析，本次设计将采用方案三，即主要以 ICL7107 芯片和共阳极半导体数码管 LED 组成电路的方案。四、 设计与分析4.1 单元电路的设计4.1.1 测量电路因为 ICL7107 直流电压表的直流输入电压范围是 0V2V，所以要实现测量0V1.999V， 0V19.99V， 0V199.9V 范围的直流电压的功能，需要在测量电路中对直流电压进行分压。测量电路如图 5 所示。当输入电压为 0V1.999V 时，满足 ICL7107输入电压的范围，不需要分压输出。当输入为 0V19.99V 时，需要分压输出 10%的电压。当测量输入电压为 0V199.9V 时，需要分压
10、输出 1%的电压。根据分析测量电路需要用电阻值之比为 1：9：90 的电阻进行分压，本次设计采用的是 10k,90k,900k 的电阻，输出接单刀三置开关。图 5 测量电路4.1.2 双积分模数转换电路ICL7107 实现双积分模数转换的电路原理如图 6 所示。模数转换过程分 3 个阶段，如图 7。自动 0 校准（保证积分器输出为零） ，定时积分（信号积分） ，定压积分（反向积分） 。数字和逻辑控制见图 7。通过外接电阻电容产生周期时钟信号，在其 16000 脉冲周期完成一次模数转换。8图 6 模数转换原理图 7 数字和逻辑控制 图 8 ICL7107 引脚图集成双积分模数转换器 ICL710
11、7 的引脚如图 8 所示。芯片的第 32 脚为模拟公共端，9称为 COM 端；第 34 脚 Vr+和 35 脚 Vr-为参考电压正负输入端；第 31 脚 IN+和 30 脚IN-为测量电压正负输入端；Cint 和 Rint 分别为积分电容和积分电阻，Caz 为自动调零电容，它们与芯片的 27、28 和 29 相连，电阻 R1 和 C1 与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从 40 脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（因为测量周期总保持 4000 个 Tcp 不变）以及测量的精度。器件的输入电压范围是 0VVref，Vref 是
12、基准电压（2V ） ，从 IN HI 和 IN LO 引脚输入。输出数字量直接驱动 4 个共阳极 LED 数码管。千位数码管段信号：AB4 和负POL。百位数码管段信号：A3G3。十位数码管段信号： A2G2。个位数码管段信号：A1G1。4.1.3 数码显示电路本次设计的直流电压表的数码显示将使用 4 个共阳极的 LED 数码管。由于ICL7107 芯片能直接驱动共阳极的 LED 显示器，不需要另加驱动器件，所以在本次设计的中直接将芯片的千位数码管段信号、百位数码管段信号、十位数码管段信号、个位数码管段信号分别驱动代表千位、百位、十位、个位的四位数码管。4.1.4 量程转换电路量程转换电路实现
13、小数点驱动，在不同量程时驱动数码管不同位数的小数点位。小数点驱动电路如图 9 所示。三个运放负端接测量电路输出，正端分别接不同量程的分压电阻。三个运放输出后经过两个两输入的与非门 74LS00，再经过三个三输入与非门 74LS10 做逻辑运算后控制数码管千位、百位、十位的小数点位低电平有效显示。图 9 量程转换电路104.2 分析计算在上述量程转换电路中，需要将三个运放比较所得电压高低电平输出进行逻辑运算，驱动不同量程时数码管小数点显示的位置。在单刀三置开关选择最下面一档，即测量直流电压为 1199.9V 区间时，十位小数点亮，千位、百位小数点暗。当开关选择中间档位，即测量直流电压输入为 11
14、9.99V 区间时，百位小数点亮，千位、个位小数点暗。当开关选择最上面一档，即输入直流电压为 11.999V 区间时，千位小数点亮，百位、十位小数点暗。根据以上小数点驱动电路要求，设千位、百位、十位小数点输出分别为 Dp1,Dp2,Dp3,可以列出表 1。待测电压输入运放 1 运放 2 运放 3 Dp1 Dp2 Dp311.999V高 低 低 低 高 高119.99V高 高 低 高 低 高1199.9V高 高 高 高 高 低表 14.3 器件选择本次实验选择的器件如下表 2。11器件名称 基本参数 数量ICL7107 双积分 A/D 转换 1A10-50AA 5 档旋转开关 1电容 0.1uF
15、,0.47uF0.22 uF,0.02uF，100pF每种 1电阻 24k,47k,100k,1k,1M,900k，90k，10k每种 11k 电位器 1LED 数码管（红） 共阳极极 4LM324 4 运放 1表 2五、电路仿真与工作原理5.1 总电路图根据实验室所提供的器材，我们用 Proteus 软件设计的直流电压表的仿真图如图 10 所示。图 10 仿真电路图125.2 仿真分析本设计采用 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0199.9V、01.999V、019.99V 量程电压值的测量。在进行仿
16、真实验中，改变输入电压值作为测量的直流电压，更换到正确的档位，数码管显示测量的电压值，经过调试，与设定的电压值相比测量电压值在误差范围之内。在仿真实验过程中我们遇到了小数点不能按要求准确显示和电压测量精度不够高的问题。针对小数点不能正确显示的问题，我们更换了运放，并利用 Proteus 软件在仿真时对高低电平的直接显示的逻辑运算进行了重新的分析，并再次连接了电路图，实现了不同范围电压输入显示不同位数的小数点。针对测量精度不准的问题，我们调整了 35 脚的电位器和它所连接的电阻 R1，重新设置了基准电压，将误差控制在 1/1000的范围内。5.3 工作原理从 V1 端输入待测电压，根据不同测量档
17、位的选择，经过量程转换电路后输出正确的小数点位数。下面部分经过 LM324 直流稳压电源输入稳定的电压后输入 ICL7107 芯片，进行双积分 A/D 转换。模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。双积分模数转换器（ADC）是间接型 ADC。它将取样电压转换为与之成正比的时间宽度，在此期间允许计数器对周期脉冲进行计数。计数器的二进制数就是取样电压对应的数字量。图 11 是双积分 ADC 的电路原理图。电路主要由积分器、比较器、计数器、JK 触发器和控制开关组成。由 JK 触发器的输出 QS 控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当 QS=0 时，积分器对取样电压 做定时积分；当
18、 QS=1 时，积分器对基准)(SInTv电压-VREF 做定压积分。 与-VREF 电压极性相反，这里设取样电压 为正，)(SI )(SInTv则-VREF 为负。13图 11 双积分 ADC 电路原理图J QC1K RQ0 Q1 Qn-1 CCP n 位二进制R 计数器+ +A C&CPS-VREF)(InTvLSB MSBD0 D1 Dn-10R CS1S2OtOvQSOtSOtQST1T2OtS1 选 IvS1 选 -VREFCv计数进位回 0 时刻图 12 双积分 ADC 工作波形1定时积分在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。启动信号 S 输入负窄脉冲（S=0 ） ，使计数
19、器、JK 触发器 QS 清零，开关 S1 选择取样电压作积分器输入。同时开关 S2 闭合，使积分电容放电， =0。负脉冲消失后Ov（S=1） ，开关 S2 断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降， ，比0Ov较器输出逻辑 1。允许 n 位二进制计数器对周期脉冲 CP 计数。当进位 C=1 时，下一个CP 脉冲使计数器复零、JK 触发器 QS=1，定时积分结束，定压积分开始。取启动信号 S 的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲 CP 的周期为TCP。则对取样电压的积分时间 T1为：T 1=2nTCP，是确定不变的。积分器输出电压为： t SIOSIO tRCnTvdnvRCtv
20、0 )()0()()(积分器输出电压与时间成线性关系，其斜率是负的，与取样电压 和积分器)(SInv的时间常数 RC 有关。 越大，负斜率也越大。定时积分的工作波形如图 12 所示，)(SInTv图中绘出了 2 个取样电压的情况。定时积分结束时的积分器输出电压为 )(2)()(11 SICPnSIO TvRTvT14与取样电压成正比。2定压积分在定时积分期间，当计数器的进位 C=1 时，下一个 CP 脉冲使计数器复零和 JK 触发器 QS=1，开关 S1选择基准电压-V REF，积分器开始对基准电压-V REF做定压积分。由于比较器输出逻辑 1，计数器从 0 继续计数。与此同时，积分器输出电压
21、上升 )(2)()()()(1 11 SICPntTREFOREFO TvTtVvdVCtv 积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压 VREF和积分器的时间常数 RC 有关。定压积分的工作波形如图 11.3.9 所示。当 时，比较0)(tvO器输出逻辑 0，计数器停止计数，并保持计数结果 B Z（通常为自然二进制数） 。从定压积分开始到计数器刚停止计数（ ）的时间 T2为0)(tvOCPZ2并且，在计数器停止计数时刻，积分器输出电压为 0，即 )()(221 SIPnREFOTvTVv所以 )(2SIREFCPnv定压积分时间 T2与取样电压成正比。在此期间，计数器从
22、0 开始对周期脉冲 CP 计数，直到停止并保持计数值 BZ。所以 )(2SIREFnCPTvVT计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上 CP 脉冲可能与比较器的边沿不同步，导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为 )(21SIREFnZTvVB双积分 ADC 的单位模拟电压 LSB 为 nL215六、 组装与调试由仿真电路绘制的 PCB 图如下图 13 所示。图 13 PCB 图将制作好的 PCB 版焊上元器件后，实物图如图 14 所示。图 14 实物正反面166.1 系统调试6.1.1 调试仪器可调直流电源，可调范围：0200V；万用表，精度： 0.1mV。
23、6.1.2 调试方法（1）数码管显示调试：接+5V 供电电源，将 37 脚（ TEST）接+5V ，数码管各段及百位小数点均点亮，说明显示正常。（2）量程转换调试：拨动三个单刀双置开关，选择不同的量程测量，若在三个量程分别显示千位、百位、十位的小数点，说明小数点驱动电路正常工作。（3）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。（4）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。6.1.3 测试结果分析通过测量比较发现该电压表能够更为准确地测量出直流电压的数值，与万用表有一定的差异应是分压电阻和模拟开
24、关的导通电阻引起的。在调基准电压 100mV 时，由于 50Hz 纹波影响，无法调到精确值而对最终显示电压产生影响，对于后两位数值跳动问题，通过在输入电源处并联一个 0.1uF 和一个 470uF 电容，可抑制跳动,同时应增大接地线的截面积。 6.2 故障处理在实物调试中，我还遇到了许多故障和问题：1. PCB 版绘制错误：第一次绘制的 PCB 版存在输入设备不完整的问题，我们根据需要首先在板子上对错误的线路进行了修改，包括隔断铜线和重新用导线连接。在最终没能解决问题的情况下，我们又重新修改了 PCB 图，制作了新的 PCB 板。2. 器件脚大小不符：本次实物制作所使用的单刀双置开关因为引脚太
25、大不能插入PCB 板上的孔，所以我们用剪刀减掉了一半的引脚。3. 电压表无法正常工作：电压表在测量电压时，只能显示 1666 的错误数据。我们通过测量仿真上 ICL7107 的 35、36 端引脚的电压差，得到电压表的参考电压，17再在实物工作时进行测量。将实物的参考电压调整到与仿真情况一致或者接近。4. 电源无法正常工作：当实验室的+-5v 电压无法正常工作时，我们选择了充电宝作为供电电源。使用两个充电宝，将插在两个充电宝上的两根 USB 线的正端和负端相连，剩下的那根正线即输出+5v，那根负线输出-5v。七、总结7.1 设计电路优缺点这本次设计选择了 ICL1707 实现 A/D 转换直接
26、驱动共阳极数码管，电路设计简单易懂。通过运放比较实现小数点驱动，简洁且稳定。整个电路设计美观简单，能够较为精确地进行直流电源的测量，加上绘制的 PCB 板同样简洁美观，制作出的直流数字电压表实物具有一定的实用价值，也可以供进一步研究使用。本次设计的电路还存在一定的不足之处，包括以下三点。第一，本次电路设计没有实现量程的自动转换，需要手动进行量程的转换。希望今后有机会可以进一步研究完成电压测量量程的自动转换。第二，本次电路设计在小数点驱动部门还不够简洁，设计思路限制在老师提供的器材 LM324 当中，而没有思考更加简洁的电路设计方案。第三，本次设计电路没有考虑到实际制作当中的问题，包括与非门 7
27、4LS00 普遍存在问题，在画 PCB 用于实际使用时应该考虑使用 74LS10，这样就可以免除后来因为74LS00 不能正常工作而导致的问题。7.2 收获与建议数字电压表是一种常用的电学测量仪器，有关电表的基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的。随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，包括一些工程上的测量，完成大规模集成电路的转换，应用于大规模的数字测量，实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用。本次课程设计我们把数字电表基本原理和应用技术引入普通电学实验中，数字电表基本原理简单，它也是一种比较法，对电容器在待测电压 Vx 与参考电压下的充、放电时间关系进行比较。了解了数字电表基本
28、原理及常用模数转换芯片外围元件的作用、参量选择原则后可在万用表设计中灵活应用数字电表的模数转换芯片。本次设计基于 ICL7107 芯片、数字显计数器的应用，实现了简易美观，具有实用性的数字电压表的设计制作，锻炼了学生多方面运用专业知识和动手实践的能力。通过本次课程设计我学习到了很多平时在理论学习中所学不到的东西。首先，本18次实验锻炼了我的分析题目要求，根据要求进行仿真和动手实践的能力。其次，在仿真设计和实物制作的过程中，我深刻地认识到了科学研究的反复性和前进性。再次，这次课程设计让我学会了仿真软件 Proteus 的使用，温习了上学期所学了 PCB 板的绘制。在拿到题目后，我和自己的组员通过
29、查阅资料确定了方案，在仿真设计中最开始只能完成测量数据的显示，无法正确地显示小数点的位置，于是我们又作进一步的分析试验。针对测量精度不够高的问题，我们也进行了分析和修改。在实物制作过程中我们也遇到了许多意想不到的困难，经历了反复地修改，攻克了诸如 PCB 版绘制错误、无法正常工作、电源的提供等问题。最终，在看到自己的成果时，我感到了前所未有的成就感。虽然经历坎坷与曲折，但在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的
30、磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助，相信经过了这次课程设计的锻炼我们在未来电气工程专业学习中会更加得心应手。对于本次课程设计，我个人的建议包括以下两点。第一，在器材方面希望学校实验室可以提供更多的器材。如果没有那么多免费的芯片器材，希望学校实验室可以有偿向同学们提供器材，给更多的同学进行实物制作的机会，且免除了同学们自己购买时遇到的器材错误、路途遥远的困难。第二，在题目设计上可以给学生更多自我创新的空间，并鼓励提倡创新设计的精神，让同学们带着自己的想法投入到课程设计中来。19参考文献1数字电子技术 ，唐治德主编，科学出版社 2008.2模拟电子技术 （第二版）
31、 ，唐治德、申利平主编，科学出版社 2014.3中国集成电路大全编写委员会编，中国集成电路大全 TTL 集成电路。北京：国防工业出版社，1985.4PROTEL 电路设计教程 ，江思敏、姚鹏冀胡荣等编著，清华大学出版社 2003.5 电子技术基础实验与课程设计 ，高吉祥主编，北京：电子工业出版社，2005.20附件 1元件清单名称 元器件名称 基本参数 数量ICL7107 双积分 A/D 转换 1单刀双置开关 3电容 0.1uF,0.1uF,0.22uF,0.047uF 每个 10.5k,1k,2k,48k, 68k,1M 每种 1电阻10k,18k,100k 每种 21k 电位器 1LED 数码管（红） 共阳极 4LM324 4 运放 174LS00 1直流数字电压表74LS10 1
