基于ICL7107数字电压表的设计

电子制作课程考核报告课程名称电子制作学生姓名张鑫学号1213014048所在院(系)物理与电信工程学院专业班级电子1202指导教师秦伟完成地点501#高频实验室2014年6月10日1目录一.摘要…………………………………………………………………2二.课程设计任务与要求………………………………………………………22.1设计目的……………………………………………………………………22.2设计要求……………………………………………………………………2三.总体设计思路………………………………………………………23.1方案选择……………………………………………………………………23.2系统框图……………………………………………………………………3四.课程设计框图及工作原理…………………………………………44.1工作原理…………………………………………………………………44.2ICL7107的工作原理……………………………………………………54.3ICL7107安装电压表头时的一些要点…………………………………84.4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……………………………………………136.1调试仪器………………………………………………………………136.2调试方法…………………………………………………………………136.3测试结果分析……………………………………………………………136.4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（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的2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。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、采用课程或实验内容中所使用的元器件，设计一个三位半数字电压表，三位半是指个位、十位、百位的范围为0-9，而千位只有0和1两个状态，称为半位。所以数字电压表测量范围为0001-1999。数字电压表主要部分是A/D转换器，显示方法通常采用动态扫描（工作时四个数码管轮流点亮，利用人眼的视觉残留特性能够得到整体效果，当扫描频率过低时显示的数码会有闪烁感）方式，但需要字形译码驱动电路和字位驱动电路。任务要求：2、基本要求：直流电压测量范围（0~200V）测量误差小于1%附加交流电压测量范围（0~200V）测量误差小于1%自动量程转换三.课程设计总体设计思路3.1方案选择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。3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31/2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μP构成智能仪表。（4）工作电压范围是±4.5V～±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0~200V。电压值显示稳定，读数方便，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。4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、DE3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＋2.8V5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。4.2ICL7107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2ICL7107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，6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3ICL7107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、F2以及外部阻容元件R、C组成。若取R＝120kΩ，C＝100PF，则f0＝40kHz。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，7图4ICL7107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。S为小数点选择开关，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