1、直流數字電壓表電子技術基礎課 程 設 計題目名稱：直流數字電壓表 姓 名：徐兆 學 號：20124056 班 級：12級電氣5班 指導教師：唐治德 評語： 成績：重慶大學電氣工程學院2014年6月II摘要傳統的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數的時候也非常不方便，很容易出錯。而采用模數轉換器的數字電壓表由于測量精度高，速度快，讀數時也非常的方便，抗干擾能力強等優點而被廣泛應用。數字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。本文主要介紹的是基于ICL7107數字電壓表的

2、設計，ICL7107是目前廣泛應用于數字測量系統是一種集三位半轉換器段驅動器位驅動器于一體的大規模集成電路，能夠直接驅動共陽極數字顯示器，構成的數字電壓具有以下幾個特點：顯示數據直觀；讀數準確；準確度高；分辨率高；測量范圍寬。本次設計的直流數字電壓表的能實現多量程的電壓測量：最高量程為200V，分三個檔位量程，即01.999V，019.99V，0199.9V。量程的改變可以通過調檔開關控制分壓和小數點移位來實現。 直流數字電壓表目錄摘要I1設計目的與要求11.1設計目的11.2設計要求12設計思路12.1設計方案12.2系統框圖23單元電路的設計方案及原理23.1ICL7107的工作原理23.

3、1.1ICL7107的工作過程23.1.2ICL7107的電路原理圖及引腳圖53.2電源接入端的電路73.2.1基準電壓73.2.2量程轉換電路83.3數碼管的顯示電路83.3.1LED簡介83.3.2顯示電路93.4小數點的驅動電路104電路仿真圖與實物圖104.1仿真圖104.2實物圖115系統調試與結果分析125.1調試儀器125.2調試方法125.3測試結果135.4測試分析136實現中出現的問題147總結及心得體會148元器件清單169參考文獻161 設計目的與要求 1.1  設計目的 1）掌握雙積分A/D轉換的工作原理和集成雙積分A/D轉換器件的設計方

4、法。2）掌握常用數字集成電路的功能和使用。3）熟悉A/D轉換器ICL7107的性能及其引腳功。4）掌握用ICL7107構成直流數字電壓表的方法。1.2 設計要求1)設計直流數字電壓表。2)直流電壓測量范圍：0V1.999V，0V19.99V，0V199.9V，0V1999V。3)直流輸入電阻大于100k。4)畫出完整的設計電路圖,寫出總結報告。5)電壓表可以實現手動轉換量程。2 設計思路 2.1 設計方案1.主要器件由芯片ICL7107和共陽極半導體數碼管LED組成。 2.本方案的主要特點是：（1）能直接驅動共陽極的LED顯示器，不需要另加驅動器件，使整機線路簡化。（2）采用+5V和

5、5V兩組電源供電。（3）LED屬于電流控制器件，在3 1/2位數字儀表中采用直流驅動方式，芯片本身功耗較小。（4）顯示亮度較高。 2.2  系統框圖 本文的電壓表是一個31/2位半直流電壓測量的數字式電壓表。測量范圍為直流0到1.99V，0到19.99V，0到1999V，功3個量程。電壓值顯示穩定，讀數方便，能測量正負電壓和自動切換量程，使用方便，本系統可分為測試電壓轉換、模擬電壓通道、數據電壓通道、數碼顯示、小數點驅動電路5部分。圖 21直流數字電壓表設計框圖3 單元電路的設計方案及原理3.1 ICL7107的工作原理3.1.1 ICL7107的工作過程ICL7107 是

6、雙積型的A/D 轉換器，還集成了A/D 轉換器的模擬部分電路，如緩沖器、積分器、電壓比較器、正負電壓參考源和模擬開關，以及數字電路部分如振蕩源、計數器、鎖存器、譯碼器、驅動器和控制邏輯電路等，使用時只需外接少量的電阻、電容元件和顯示器件，就可以完成模擬到數字量的轉換，從而滿足設計要求。顯示穩定可讀和測量反應速度快，是本設計的關鍵。雙積分模數轉換器（ADC）是間接型ADC。它將取樣電壓轉換為與之成正比的時間寬度，在此期間允許計數器對周期脈沖進行計數。計數器的二進制數就是取樣電壓對應的數字量。圖 31是雙積分ADC的電路原理圖。電路主要由積分器、比較器、計數器、JK觸發器和控制開關組成。由JK觸發

7、器的輸出QS控制單刀雙置開關選擇積分器的輸入電壓。當QS=0時，積分器對取樣電壓 做定時積分；當QS=1時，積分器對基準電壓-VREF做定壓積分。 與-VREF電壓極性相反，這里設取樣電壓 為正，則-VREF為負。圖 31雙積分ADC的電路原理圖1定時積分在確定的時間內對取樣電壓進行積分即是定時積分。啟動信號S輸入負窄脈沖（S=0），使計數器、JK觸發器QS清零，開關S1選擇取樣電壓作積分器輸入。同時開關S2閉合，使積分電容放電，=0。負脈沖消失后（S=1），開關S2斷開，積分器對取樣電壓做積分，積分器輸出電壓下降，比較器輸出邏輯1。允許n位二進制計數器對周期脈沖CP計數。當進位C=1時，下一

8、個CP脈沖使計數器復零、JK觸發器QS=1，定時積分結束，定壓積分開始。取啟動信號S的負脈沖剛消失的時刻為時間零點，并設時鐘脈沖CP的周期為TCP。則對取樣電壓的積分時間T1為T1=2nTCP是確定不變的。積分器輸出電壓為積分器輸出電壓與時間成線性關系，其斜率是負的，與取樣電壓和積分器的時間常數RC有關。越大，負斜率也越大。定時積分的工作波形如圖 32所示，圖中繪出了2個取樣電壓的情況。定時積分結束時的積分器輸出電與取樣電壓成正比。圖 33雙積分ADC工作波形2定壓積分在定時積分期間，當計數器的進位C=1時，下一個CP脈沖使計數器復零和JK觸發器QS=1，開關S1選擇基準電壓-VREF，積分器

9、開始對基準電壓-VREF做定壓積分。由于比較器輸出邏輯1，計數器從0繼續計數。與此同時，積分器輸出電壓上升積分器輸出電壓同樣與時間成線性關系，其斜率是正常數，與基準電壓VREF和積分器的時間常數RC有關。定壓積分的工作波形如圖11.3.9所示。當時，比較器輸出邏輯0，計數器停止計數，并保持計數結果B Z（通常為自然二進制數）。從定壓積分開始到計數器剛停止計數（）的時間T2為并且，在計數器停止計數時刻，積分器輸出電壓為0，即所以定壓積分時間T2與取樣電壓成正比。在此期間，計數器從0開始對周期脈沖CP計數，直到停止并保持計數值BZ。所以計數器的二進制數與取樣電壓成正比，是取樣電壓對應的數字量。實際

10、上CP脈沖可能與比較器的邊沿不同步，導致計數器可能漏計或多計一個脈沖。故上式應修正為雙積分ADC的單位模擬電壓LSB為3.1.2 ICL7107的電路原理圖及引腳圖圖 34雙積分模數轉換的電路原理ICL7107實現雙積分模數轉換的電路原理如圖 34所示。模數轉換過程分3個階段。自動0校準（保證積分器輸出為零），定時積分（信號積分），定壓積分（反向積分）。集成雙積分模數轉換器ICL7107的引腳如圖 35所示。器件的輸入電壓范圍是0VVref，Vref是基準電壓（2V），從IN HI 和IN LO引腳輸入測試電壓。輸出數字量直接驅動4個共陽極LED數碼管。千位數碼管段信號：AB4和負POL。百位

11、數碼管段信號：A3G3。十位數碼管段信號：A2G2。個位數碼管段信號：A1G1。ICL7107芯片的引腳圖如圖3所示，它與外圍器件的連接圖如4所示。圖4中它和數碼管相連的腳以及電源腳是固定的，所以不加詳述。芯片的第32腳為模擬公共端，稱為COM端；第34腳Vr+和35腳Vr-為參考電壓正負輸入端；第31腳IN+和30腳IN-為測量電壓正負輸入端； Cint和Rint分別為積分電容和積分電阻，Caz為自動調零電容，它們與芯片的27、28和29相連，電阻R1和C1與芯片內部電路組合提供時鐘脈沖振蕩源，從40腳可以用示波器測量出該振蕩波形，該腳對應實驗儀上示波器接口CLK，時鐘頻率的快慢決定了芯片的

12、轉換時間（因為測量周期總保持4000個Tcp不變）以及測量的精度。圖 35 ICL7107 直流電壓表圖 36數字和邏輯控制3.2 電源接入端的電路3.2.1 基準電壓圖 37基準電壓的原理圖如圖 37所示，將R1與滑動變阻器串聯，連接電源5V和36腳。將36腳置于滑動器，調節分壓電壓。第一檔為0-1.99V，所以將基準電壓設置為2V，也就是調節滑動變阻器，使分壓電壓為2V。3.2.2 量程轉換電路圖 33量程轉換的電路原理圖如圖 34所示，直流輸入電阻大于100k，基準電壓為2V，又因為量程有0-1.999V，0-19.99V和0-199.9V，所以選擇總電阻為1000K，列方程： R4+R

13、6+R7=1000, R7/( R4+R6+R7)=0.01 (R6+R7)/ (R4+R6+R7)=0.1解得R4=900K,R6=90K.R7=10K.所以經過如圖所示電路，從上到下，第一檔為0-1.999V，第二檔為0-19.99V，第三檔為0-199.9V。然后將量程轉換器的兩端如圖所接，負端接30腳。開關一端經1M的保護電阻后接入31腳。3.3 數碼管的顯示電路3.3.1 LED簡介LED數碼管（LED Segment Displays）由多個發光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。數碼管實際上是由七個發光管組成8字形構成的，

14、加上小數點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當數碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那么應當是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數碼管的顯示筆畫常用一個發光二極管組成，而大尺寸的數碼管由二個或多個發光二極管組成，一般情況下，單個發光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數碼管，發光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數碼管。常用LED數碼管顯示的數字

15、和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。七段數碼管分為共陽極及共陰極，共陽極的七段數碼管的正極（或陽極）為八個發光二極管的共有正極，其他接點為獨立發光二極管的負極（或陰極），使用者只需把正極接電，不同的負極接地就能控制七段數碼管顯示不同的數字。共陰極的七段數碼管與共陽極的只是接駁方法相反而已。如圖所示：3.3.2 顯示電路圖 39顯示電路的原理圖由于所選擇芯片為TC7107，輸出為低電平有效，所以選擇共陽極數碼顯示管。最高位由于只顯示0或者1，所以不用全部接完，將2，3腳連接一起共同接入7107的19腳。然后將其他3位數碼管如圖所示接入。將電源級共同連在一起接入

16、VCC。組成顯示電路。3.4 小數點的驅動電路由于所選數碼管為共陽極數碼管，輸入低電平有效，用開關控制小數點的位置。0-1.999V量程小數點接入從上往下第一檔，0-19.99V小數點接入第二檔，0-199.9接入第三檔。懸空時，相當于高電平，不亮。接通開關時，接地，相當于低電平，發亮。圖 35小數點控制原理圖Ui4 電路仿真圖與實物圖 4.1 仿真圖本設計采用集成芯片ICL7107作為數字電壓表的A/D轉換及鎖存和譯碼模塊,使得電路具有設計簡單、集成度及可靠性高的特點。該系統能夠實現0199.9V量程電壓值的測量。電路連接圖與仿真圖如下圖所示。圖 41ICL7107作為數字電壓表的

17、仿真圖4.2 實物圖圖 42電路板正面圖圖 43電路板背面圖5 系統調試與結果分析5.1 調試儀器可調直流電源，可調范圍：0 5V；萬用表，精度：0.1mV。5.2 調試方法1、直流電壓表調試步驟。 (1) 插好芯片TC7107，接圖接好全部線路。 (2) 將輸入端接地，接通+5V，5V電源（先接好地線），將開關分別置于第一檔，此時顯示器將不顯示值，且小數點在第一位數碼顯數器右下角。如果不是，應檢測電源正負電壓。并用歐姆表測短路與否。 (3) 用電阻、電位器構成一個簡單的輸入電壓VX 調節電路，調節電位器，4位數碼將相應變化，然后進入下一步精調。 (4) 用標準數字電壓表（或用數字萬用表代）測

18、量輸入電壓，調節電位器，使VX1.000V，這時被調電路的電壓指示值不一定顯示“1.000”，應調整基準電壓源，使指示值與標準電壓表誤差個位數在5之內。(5) 在+1.999V01.999V量程內再一次仔細調整（調基準電源電壓）使全部量程內的誤差均不超過個位數在5之內。至此一個測量范圍在±1.999的三位半數字直流電壓表調試成功。2、記錄輸入電壓為0.5v，1.0v，1.5v，2.0v，5.0v，10.0v，15.0v，20.0v，10.0v，15.0v，20.0v，25.0v時（標準數字電壓表的讀數）被調數字電壓表的顯示值，列表記錄之。3、連接好量程選擇電路，用電壓表測試經過衰減后

19、的電壓的比例關系是否為100：10：1。撥動量程開關到20V，輸入電壓為220V時，觀察輸出電壓的數值。4、準確度是測量結果中系統誤差與隨機誤差的綜合。它表示測量結果與真值的一致程度，也反映了測量誤差的大小，準確度愈高，測量誤差愈小。測量的絕對誤差有兩種表達式：U±（a%Uxb%UM） （1）U±（a%Uxn） （2）式（1）中，Ux為讀數值（即顯示值），UM表示滿度值。括號中前一項代表A/D轉換器和功能轉換器（例如分壓器）的綜合誤差，后一項是數字化處理所帶來的誤差。式（2）中，n是量化誤差反映在末位數字上的變化量。若把n個字的誤差折合成滿量程的百分數，則變成式（1）?？梢?/p>

20、上述二式是完全等價的。數字電壓表的準確度遠優于模擬式電壓表。例如，3½位、4½位DVM的準確度分別可達±0.1、±0.02。5.3 測試結果 電壓量程已知電壓測量電壓123412342v0.5v1.0v1.5v2.0v0.472v0.984v1.421v1.897v20v5.0v10.0v15.0v20.0v5.00v9.97v14.67v19.45v200v10.0v15.0v20.0v25.0v9.5v14.4v19.2v24.3v5.4 測試分析由上圖可知我自己做的電壓表測的電壓不是很準確，通過計算和測量發現有一下原因：1）在量程選檔的3個電阻值并

21、不是完全為900K,90K,10K，其用到的電阻的測量值為920K，91K和10.2K；通過對比發現電阻值整體取的較高，所以所測量的電壓相對與標準電壓值要小。2）標準電壓的校準時用萬用表測的ICL7107的35和36號管腳的電壓不為標準的2v。3）通過觀察200v的檔位誤差最大，分析發現ICL7107在將模擬電壓轉換為數字信號時，是通過雙積分的方法，所以在轉換過程中有相應的精度，所以量程越大測的電壓誤差也越大。6 實現中出現的問題（1）辨認引腳：芯片的第一腳，是正放芯片，面對型號字符，然后在芯片的坐下方為第一腳。（2）牢記關鍵點的電壓：芯片第一腳是供電，正確電壓為DC5V。第36腳為基準電壓，

22、正確數值為100mV,第26引腳為負電源引腳，正確電源數值是負的，在-3V至-5V都認為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。（3）注意芯片27,28,29引腳的元件數值，它們是0.22uF，74K，0.47uF阻容網絡，這三個芯片屬于芯片工作的積分網絡，不能使用磁片電容。芯片的33和34腳接的104電容也不能使用磁片電容。（4）注意接地引腳：芯片的電源地是21腳，模擬地是30腳，信號地30腳，基準地是35腳，這4個腳是解地。（5）負電壓產生電路：負電壓電源可以從電路外部直接使用7905等芯片來提供，但是要求供電需要正負電源，通常利用一個-5V供電就可以解決問題。7 總結及心得體會本次設計通

23、過與指導老師的多次討論，最終設計出了基于ICL7107芯片的直流數字電壓表，成功完成了仿真，在仿真軟件中通過多次調試，從而達到了比較準確的程度。雖然說這次設計的總體思路比較簡單，但是其中還是有一些細節的問題困擾了我們很久。第一個問題就是如何實現小數點的移位。最先我們企圖運用一個開關同時實現分壓和小數點移位，但是由于輸入電壓不能接地而失敗。但其實只需要將控制分壓的開關和控制小數點移位的開關分開即可，實際電路中能通過同軸開關來實現兩個開關的共同轉動。第二個問題便是如何獲得標準的基準電壓。我們最先設想的是直接接一個標準的2V電源，與老師的討論中，我們發現這樣做不符合節約的原理，直接運用電阻分5V的電

24、壓源便可獲得2V的電壓。第三個問題便是接地問題。ICL7107芯片的接地分為模擬地和數字地，而我們最開始將兩者混在一起，導致電路不能運行。在仿真這個環節中，我感悟到仿真其實也是需要結合實際的，這樣才能設計出實用和經濟的電路。在仿真之前，我們也需要準備充分的知識，這樣在仿真的過程中才不會犯低級錯誤。在焊電路板這個環節中，我們最先不太順利。因為我們很晚才設計出電路圖，因此只能用上一屆的同學用過的原件焊電路。經過測試，我們發現很多的電阻都是壞的，并且我們所需的共陽極數碼管卻被共陰極數碼管代替。但在我們這一組是所有同學的努力下，最終通過各種方法找到了元件，或是用各種方法代替元件，終于焊出來比較理想的電路板。拋開客觀原因，其實最主要的原因是因為我們在仿真上花了太多的時間，以至于我們沒有足夠的時間來準備焊電路的各種元件在完成了仿真及焊電路板之后，我還完成了本組的論文的撰寫及排版。雖然論文涉及文字上的功夫，但其中也需要我們用心去探究設計的深層次理論，我們