设计制作一个简易数字电压表docWord文档下载推荐.docx
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七.元器件清单
八.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0~200mv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和共阳极半导体数码管LED组成。
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
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为积分时间(1000个脉冲周期):
T为反积分时间(满度时间为2000)。
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/RC
COM:
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0.47μF,而2V满刻度是0.047μF。
BUF:
缓冲放大器输出端,接积分电阻Rint。
其输出级的无功电流(idlingcurrent)是100μA,而缓冲器与积分器能够供给20μA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A\D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。
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。
源(EO)、缓冲器(AL)、积分器(A2)、比较器(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”。
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=0.4s.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。
剩下一个异或门还可驱动标识符。
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)
注意芯片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:
0~200mV;
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).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。
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
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