电子技术课程设计报告自动转换量程数字电压表.doc

信息与电气工程学院课程设计说明书（2009/2010 学年 第二学期）课程名称 ： 电子技术课程设计 题 目 ： 自动转换量程数字电压表 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 设计周数 ： 一个星期 设计成绩 ： 2010 年 7 月 1 日目 录一、 摘要3二、 设计任务与要求3、设计目的3、设计要求3三、方案设计与论证4四、单元电路设计与参数计算和器件选择4芯片INC7107部分44.2电压显示电路74.3、自动转换量程开关电路74.4关于多量程电路部分8五、总框图和原理图13总框图13设计原理13总原理图14六、结论与心得15七、参考文献15自动转换量程电压表一、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 转换器以及由它构成的自动转换量程电压表的工作原理。 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、设计任务与要求、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、设计要求；1、设计一个自动转换量程数字电压表电路。2、测量范围：直流电压0V2V，0V20V，0V200 V。3、组装调试数字电压表。4、画出自动转换量程数字电压表电路原理图，写出实验报告。三、方案设计与论证设计要求电压表能够转换02v，020v，0200v三个电压测量范围，进行电压档的自动转换，因此设计电路使其实现其功能。选择ICL7106，ICL7107，MC14433芯片可以将模拟信号转化为数字电路，然后外接数码管从而显示数字。方案1：主要器件由芯片ICL7107和共阳极半导体数码管LED和自动转换量程开关电路组成。 关键词：A/D转换器芯片ICL7107 共阳极半导体数码管LED 自动转换量程开关电路由自动转换量程开关电路接入输入信号，然后进入ILC7107，外接显示数码管，显示输入电压。方案2：主要器件由芯片ICL7106和液晶显示器LCD自动转换开关电路组成。 关键词：芯片ICL7106 液晶显示器LCD 自动转换开关电路方案实现过程同上所述,只需要换液晶显示器LCD,不易实现.方案3：选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0809实现电压的转换和控制，用四位数码管从而显示出最后的转换电压结果。缺点是价格稍贵；优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。基于课程设计要求，采用方案一四、单元电路设计与参数计算和器件选择单元电路设计芯片INC7107部分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。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。主要包括基准电压 图1 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AZINTDEAZ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4000TCP。其中，正向积分时间固定不变，T11000TCP。仪表显示值,将T11000TCP，UREF代入上式得 只要把小数点定在十位上，即可直读结果。满量程时N2000，此时UM2UREF200mV，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 式中，n1，2，3，。例如取n2、4、5时，T140ms、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2 ICL7107外围电路图数字电路 数字电路如图4所示。主要包括8个单元：时钟振荡器；分频器；计数器；锁存器；译码器；异或门相位驱动器；控制逻辑；LCD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R120k，C100PF，则f040kHz。f0经过4分频后得到计数频率fCP10kHz，即TCP。此时测量周期T16000T04000TCP，测量速率为次秒。f0还经过800分频， 图3 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ag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。电压显示电路：设计中采用的是4段LED数码管用来显示电压值。LED具有耗电低、亮度高、视角大、线路简单、耐震及寿命长等优点，它由4个发光二极管组成，其中3个按8字型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。把4个发光二极管连在一起，公共端接高电平，叫做共阳极接法，相反，公共端接低电平的叫做共阴极接法，我们采用共阳极接法。当发光二极管导通时，相应的一段笔画或点就发亮，从而形成不同的发光字符。其8段分别命名为dp g f e d c b a。例如，要显示“0”，则dp g f e d c b a分别为：11000000B；若要显示多个数字，只要让若干个数码管的编码为低电平就可以了。右图是数码管的结构图 图4 LED显示部分连接、自动转换量程开关电路运用六个比较器将输入电压的分量分为三段进行比较，分别从三个传输门通过，有且只有一路信号通过，从而达到自动转换量程的作用。图5 自动转换开关电路自动转换开关电路的真值表如下：集成电路输出真值表V+02v220v20200v集成运放的输出010111011110111010表1逻辑与之后的真值表V+02v220v20200v 输出001010100表2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 0200mV 的电压放大到 0。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。）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。参数计算单元电路1的原件参数是芯片本身规定如上图所示，单元电路3的原件参数计算如下：计算的电阻有12个：R11 R12 R13 R14；Ro1 Ro2 Ro3 Ro4；R2 R2_1 R2_2 R2_3。（1） 比较器的参照电压部分的分压（R11 R12 R13 R14之间的分压） (4-3) (4-4) (4-5) （2） 模拟量输入的降压电路 图8（3） 模拟量输入的降压电路2 Ro3 Ro4分压后的电压为（1/10）v+l 器件选择数模转换器（A/的）：ILC7107芯片；气段共阳极LED显示器；开关选择电路进行自动电压转换（集成运算放大器：LM339 与非门：74LS00 非门：CMOS4011 传输门：TG4066）元件清单类别代号型号（参数）数量数码管DS1DS4DPY4电阻R147K1R29001R315K1R41K1R5100K1R61K1R111K1R129K1R1390K1R1420K1Ro11001Ro21Ro31001Ro49001R2_19M1R2_2900K1RWF10K1集成电路C31AC36ALM3396U1ILC7107CPL1与门U11AU13A74LS003非门U14AU16ACM40113传输门U11AU11CMC14066B3电容C11C21C3103f1C4104f1C510uf1三极管DTL4311表3五、总框图和原理图总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02V、020V、0200V，共3个量程。电压值显示稳定，读数方便，能自动切换量程，使用方便。总框图如下。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3部分。待测电压自动转换数据电压通道数码显示 图9 框图设计原理(1) 双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。 计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。 分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号。 译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1" ，其余码全部熄灭。 锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶ILC7107的结构电路图如右图ILC7107各个引脚的功能如下(1)1脚是供电，正确电压是直流5V 。(2)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。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。(3)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，造成零信号输入，以方便测试。(4)33 和 34 脚所接的 104pf 电容也不能使用磁片电容。(5)接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，使用时一般与输入信号的负端,以及基准电压的负极相连。信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这些引脚都接地，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。AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容（29脚）CAZ 。如果应用在200mV满刻度的场合是使用F，而2V满刻度是F。ICL7017输入端输入自动电压选择电路，将输入电压输入，然后通过数码管使其显示出来。总原理图六、结论与心得一个星期的时间在忙碌中度过，我们这组终于完成了可自动转换量程数字电压表的设计，在这一周里我我体会到本次设计课不仅仅培养了我们实际操作能力，也培养了我们灵活运用课本知识，理论联系实际，独立自主的进行设计的能力。它不仅仅是一个学习新知识新方法的好机会，同时也是对我所学知识的一次综合的检验和复习，使我明白了自己的缺陷所在，从而查漏补缺。通过这次课程设计，真的是受益匪浅，学到了很多东西。对一些理论上的知识有了深刻的理解，不再是纸上谈兵。尤其是对ICL7107的理解，它是双积分型A/D转换器，具有模拟信号转换为数字信号的功能，从而显示数字。同时它的引脚连接有要求，阻值也有要求，表头的量程可以通过改变28，29脚的器件参数来实现。在搜罗资料的过程中，我发现在大量的资料中描述有关可自动转换量程的内容甚少，大多资料多是以多置开关来构成不同的量程电路，或是用可编程逻辑器件来控制电路的结构。我就想到试图利用集成运算放大器的比较性质来控制电路的通路，我就设计了上述图5的自动转换开关电路，得到了理论公式的认证。这次设计真是学以致用、开拓思维、勇于创新能力的锻炼机会，非常感谢学校给了我们这次设计实践机会。七、参考文献 1 康华光.电子技术基础M.北京：高等教育出版社.1980.2 赵保经，CMOS集成电路M.  北京：国防工业出版社， 1996