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3.3.1BCD码七段译码驱动器10

3.4.1555的结构原理12

3.4.2555组成多谐振荡电路13

结束语15

参考文献16

致谢17

附录18

附录Ａ数字电压表原理图18

附录B数字电压表PCB图19

第1章前言

在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。

而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。

数字电压表（DigitalVoltmeter）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。

传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，采用数字电压表，由精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。

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、自动测试系统等智能化测量领域，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A/D转换器IC7135以及由它们构成的数字电压表的工作原理。

第2章系统的原理及框图

数字电压表（digitalvoltmeter）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）转换成不连续的、离散是数字形式并加以显示的仪表如图2.1所示，本系统所设计的41/2数字电压表由ICL7135-41/2位A/D转换器、三极管9013驱动阵列、74LS47BCD到七段锁存-译码-驱动器、共阳极LED发光数码管、基准电源、时钟及量程开关电路组成。

41/2位是指十进制数00000~19999，只有4位完整显示位，其数字范围为0~9，而其最高位只能显示0或1，故称为半位。

图2.1系统方框图

1各部分电路的功能如下

（1）41/2的A/D转换器是数字电压表的核心部分，由它完成模拟量转换为数字量的任务。

（2）基准电源V

提供A/D转换参考电压，基准电压的精度和稳定性是影响转换精度的主要因素。

（3）译码驱动器将二——十进制（BCD）码转换成七段供LED发光管显示信号。

（4）显示器将译码器输出的七段信号进行数字显示，即A/D转换结果。

第3章电路设计

3.1输入电路

输入电路的作用是把不同量程的被测的电压规范到A/D转换器所要示的电压值。

智能化数字电压表所采用的单片双积分型ADC芯片ICL7135，它要示输入电压0-±

2V。

本仪表设计是0.2-200V电压测量范围，灵敏度高所以可以不加前置放大器，只需衰减器，如图3.1.1所示，分别由9M、900K、90K、和10K电阻构成1/10、1/100、1/1000的衰减器。

衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率，从而进行档位的切换。

3.1.1衰减输入电路

3.2A/D转换电路

A/D转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。

本设计采用双积分型A/D转换器，它的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低。

在对转换精度要求较高，而对转换速度要求不高的场合有广泛的应用。

3.2.1双积A/D转换器的工作原理

图3.2.1.1双积A/D转换器

如图3.2.1.1所示：

双积A/D转换器对输入模拟电压和基准电压进行

3.2.2.1ICL7135引脚

图3.2.1.2双积A/D转换器的波形图

两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；

接着对基准电压进行同样的处理。

其转换波形图如图3.2.1.2所示。

在常用的A/D转换芯片（如ADC-0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分A/D

转换器，具有精度高（精

度相当于14位二进制数）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。

本文介绍用单片机并行方式采集ICL7135

的数据以实现单片机电压表和小型智能仪表的设计方案。

3.2.27135的应用3.2.27135的应用

7135是采用CMOS工艺制作的单片4位半A/D转换器，其所转换的数字值以多工扫描的方式输出，只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容等元

件，就可组成一个满量程为2V的数字电压表。

㈠7135主要特点如下：

①双积型A/D转换器，转换速度慢。

②在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作，可保证零点在常温下的长期稳定。

在20000字（2V满量程）范围内，保证转换精度1字相当于14bitA/D转换器。

③具有自动极性转换功能。

能在单极性参考电压下对双极性模拟输入电压进行A/D转换，模拟电压的范围为0～±

1.9999V。

。

④模拟输出入可以是差动信号，输入电阻极高，输入电流典型值1pA。

⑤所有输出端和TTL电路相容。

⑥有过量程（OR）和欠量程（UR）标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。

⑦输出为动态扫描BCD码。

⑧对外提供六个输入,输出控制信号（R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR）,因此除用于数字电压表外,还能与异步接收/发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。

⑨采用28外引线双列直插式封装，外引线功能端排列如图3.2.2.1所示。

㈡7135数字部分

数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。

7135一次A/D转换周期分为四个阶段：

1、自动调零（AZ）；

2、被测电压积分（INT）；

3、基准电压反积分（DE）；

4、积分回零（ZI）。

具体内部转换过程这里不做详细介绍，主要介绍引脚的使用。

①R/H（25脚）当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，7135处于连续转换状态，每40002个时钟周期完成一次A/D转换。

若R/H由“1”变“0”，则7135在完成本次A/D转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入电压变化的影响。

因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。

若把R/H端用作启动功能时，只要在该端输入一个正脉冲（宽度≥300ns），转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。

注意：

第一次转换周期中的AZ阶段时间为9001-10001个时钟脉冲，这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。

②/ST（26脚）每次A/D转换周期结束后，ST端都输出5个负脉冲，其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间，ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期。

第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期产生。

因为每个选信号（D5--D1）的正脉冲宽度为200个时钟周期（只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期），所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。

需要注意的是，若上一周期为保持状态（R/H=“0”）则ST无脉冲信号输出。

ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处理器进行传送。

③BUSY（21脚）在双积分阶段（INT+DE），BUSY为高电平，其余时为低电平。

因此利用BUSY功能，可以实现A/D转换结果的远距离双线传送，其还原方法是将BUSY和CLK“与”后来计数器，再减去10001就可得到原来的转换结果。

④OR（27脚）当输入电压超出量程范围（20000），OR将会变高。

该信号在BUSY信号结束时变高。

在DE阶段开始时变低。

图3.2.2.2ICL7135的波形图

⑤UR（28脚）当输入电压等于或低于满量程的9%（读数为1800），则一当BUST信号结束，UR将会变高。

该信号在INT阶段开始时变低。

⑥POL（23脚）该信号用来指示输入电压的极性。

当输入电压为正，则POL等于“1”，

反之则等于“0”。

该信号DE阶段开始时变化，并维持一个A/D转换调期。

⑦位驱动信号D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20脚）每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号，脉冲宽度为200个时钟周期，其中D5对应万位选通，以下依次为千、百、十、个位。

在正常输入情况下，D5--D1输出连续脉冲。

当输入电压过量程时，D5--D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。

利用这个特性，可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象。

⑧B8、B4、B2、B1（16、15、14、13脚）该四端为转换结果BCD码输出，采用动态扫描输出方式，即当位选信号D5=“1”时，该四端的信号为万位数的内容，D4=“1”时为千位数内容，其余依次类推。

在个、十、百、千四位数的内容输出时，BCD码范围为0000--1001，对于万位数只有0和1两种状态，所以其输出的BCD码为“0000”和“0001”。

当输入电压过量程时，各位数输出全部为零，这一点在使用时应注意。

最后还要说明一点，由于数字部分以DGND端作为接地端，所以所有输出端输出电平以DGND作为相对参考点。

基准电压，基准电压的输入必须对于模拟公共端COM是正电压。

3.3.1BCD码七段译码驱动器

此类译码器有共阳和共阴两类，型号有74LS47（共阳）、74LS48（共阴）、CC4511（共阴）等。

下面以74LS47为例，其管脚排列如图3.3.1所示。

图3.3.1

该器件输入信号为BCD码，输出端为

、

共7线，另有3条控制线

L\E\端为测试端。

在

端接高电平的条件下，当

=0时，无论输入端A、B、C、D为何值，

~

输出全为低电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。

端为清零输入端。

=1，

=1的条件下，当输入ABCD=0000时，输出

~

全为高电平，可使共阳LED显示器熄灭。

而且在输入A、B、C、D不全为零时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。

端为消隐输入端，该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其它输入端为何值，输出端

均为高电平，这可使共阳显示器熄灭。

另外，该端还有第二个功能—清零信号输出端，记为

当该位输入的ABCD=0000且

=0时，此时

输出低电平；

若该位输入的A、B、C、D不等于零，遇

输出高电平。

若将

与

配合使用，很容易实现多位数码管显示时的清零控制。

例如对整数部分，将最高位的

接地，这样当最高位为零时“清零”，同时该位

输出低电平，使下一位的

O低电平，故也具有“清零”功能；

而对于小数部分，应将最低位的

接地，个位的

\端悬空或接高电平，低位的

接至高位的

其功能见图3.3.2

图3.3.274LS47功能表

74LS47的输出端为集电极开路形式，可用于驱动共阳极7段LED数码管。

3.4.1555的结构原理

图3.4.1.1555内部结构图

555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。

虚线边沿标注的数字为管脚号。

其中，1脚为接地端；

2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；

6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；

4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；

5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；

7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；

3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；

8脚为电源端，可在5V—18V范围内使用。

555定时器工作时过程分析如下：

5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：

UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。

当VI1＞2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。

当VI1＜2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。

当VI1＞2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

当VI1＜2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

3.4.2555组成多谐振荡电路

多谐振荡电路也称为无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加触发肪冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡），为A/D转换器ICL7135提供工作时钟信号，图3.4.2.1所不为由集成555定时器组成的多谐振荡器电路及工作波形图。

图3.4.2.1

电阻Ra、Rb和电容C构成RC定时电路。

电容C在职/3Vcc<

=uc<

=2/3Vcc间周而复始进行充放电过程，在输出端就得到一系列矩形脉冲信号。

进行分析可知，第一个暂稳态的脉冲宽度，即uc从1/3Vcc充电上升到2/3Vcc所需的时间为

=0.7（Ra+Rb）C

第二个暂稳态的脉冲宽度，即uc从2/3Vcc放电下降到1/3Vcc所需的时间为

=0.7RbC

振荡周期T和振荡频率f分别为

T=

+

=0.7（Ra+2Rb）C

f=1/T=1/【0.7（Ra+2Rb）C】

系统调试

（1）接通电源电压，V

=+5V,V-=-5V。

（2）用示波器观察555多谐振荡器是否振荡，波形和频率是否正常。

（3）采用稳压电源，时期输出电压199.99mV或1.9999V作模拟量输入信号,调整基准电压V

的电位器,使ＬＥＤ数码管显示值与输入模拟电压值相等。

（4）基准电压测量。

将正输入端Ｖ

与Ｖ

短接，读数应为1000.0

1

（5）检查自动调零功能.将输入端短路,即没有输入信号时,LED显示器应该显示0000。

（6）检查超量程溢出功能。

调节输入电压值，当超出测量范围时观察LED数码管是否有闪烁告警作用。

（7）测试线性误差。

将输入模拟电压信号从0V增大到1.9999V，用标准数字电压表监测输出，通过与ＬＥＤ显示值相比较，其最大偏差即为线性误差。

（8）选择不同范围的电压值，检查各量程是否正确。

结束语

电压测量通过不同的接口电路可实现温度、湿度、压力等测量，广泛应用于工业领域。

本电路设计别具一格，是一种高精度、低功耗、宽量程、智能化的电压表。

可扩展键盘、EEPROM、报警电路，实现电压异常记录、报警。

单片机的应用如今已经在工业、电子等方方面面展示出了它的优越性，利用单片机在设计电路逐渐成了趋势，它与外围的简单电路再加上优化程序就可以构建任意的产品，使得本设计成为现实。

随着单片机的日益发展，它必将在未来显示出更大的活力，为电子设计增加更多精彩。

参考文献

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清华大学出版社，2006年

[2]高有堂等编著.电子设计与实战指导[M].北京：

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[3]华中理工大学电子学教研室编.康华光主编.电子技术基础（数字部分）[M].高等教育出版社，1998.355～356

[4]华中理工大学电子学教研室编.康华光主编.电子技术基础（模拟部分）[M].高等教育出版社，1998

[5]张国雄主编.测控电路[M].北京：

机械工业出版社，2000

[7]方慧生主编.PDS使用指南[M].北京：

电子工业出版社，1993

[8]聂典主编.Multisim9计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京：

[9]朱彩莲主编.Multisim电子电路仿真教程[M].西安电子科技大学出版社，2007.21～22

[10]张国勋，《缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法》［J］.《电子技术应用》，1993，第一期.

[11]http:

//www.ic-on-ICL7135.PDF、MAX232.PDF

[12]钱豫平等编.4半积分式数字直流电压表设计[J].金华职业技术学院学报，Vol.8No.42008年8月

致谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师童立君老师的热情关怀和悉心指导。

在我撰写论文的过程中，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了童立君老师悉心细致的教诲和无私的帮助，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。

在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。

感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。

附录Ａ数字电压表原理图

附录B数字电压表PCB图