三位半数字电压表设计.docx
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三位半数字电压表设计
三位半数字电压表设计
摘要
本设计采用集成芯片ICL7107作为数字电压表的A/D转换及锁存和译码模块,使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。
ICL7107采用大电流反相输出,静态驱动共阴极LED数码管,由±5V双电源供电,显示亮度高但耗电较大,适合制作小型的三位半数字电压表。
该系统设计能够实现0~199mV、0~1.99V、0~19.99V、0~199.9V、0~1999.9V,共五个量程电压值的测量。
做成电路板,进行了测试,可以得到了良好的测试结果。
关键词:
ICL7107数字电压表A/D转换量程
DesignofScopeSwitchDigitalVoltmeter
Abstract
ThedesignusesintegrationCOMSchipICL7107astheA/Dtransformandlocksaveandcodingmoduleofadigitalvoltmetertomakethecircuiteasydesign,highintegrationandhighreliability.BigelectriccurrentinadoptioninICL7107antioutputmutually,theconstantdrivesthenegativeLEDdisplaytotally,beprovidebypowersupplyof±5V,showthatthebrightdegreeishighbutconsumetheelectricitybigger,besuitableforthesmallscaledsetinmanufacturetype31/2arithmeticfiguresappearance.Thesystemcanmeasureinallfivescopesofpressurevalue:
0~199mV、0~1.99V、0~19.99V、0~199.9V、0~1999.9V.Andthat,thesystemhasbeenbuildinacircuitboard,havingbeentested,andhasgotagoodresult.
Keyword:
ICL7107DegitalvoltmeterA/DScope
引言
随着社会的发展,电子市场已经越来越多,电子产品也越来越普遍,一些高科技的电子产品已经代替了一些旧的产品。
在模数混合系统设计中,对模拟信号的采样一般是使用专门的A/D转换器,和专门的译码锁存电路把模拟信号转换成数字信号。
但这样使系统的设计电路比较复杂,用到集成芯片比较多,给设计带来不便。
为了克服这些缺点,这次设计中采用了高集成度芯片ICL7107作为对模拟信号的采样,使设计更简单,可靠性得到提高。
在数字电路和显示技术中,为了实现数字显示,需要把连续变化的模拟量变换成数字量,这种变换就是A/D转换。
为了使模拟量变换成数字量,必须经过取样、量化过程。
量化单位越小,整量化的误差就越小,数字量就越接近连续量本身的值
数字仪表的发展趋势有一下几点:
一是广泛采用新技术,不断开发新产品。
二是广泛应用新工艺。
三是多重显示仪表。
四是提高安全性。
五是操作简单化。
数字电压表(DigitalVoltmeter)简称DVM,它是采用数字化测量技术,以十进制数字形式显示被测电压值的仪表。
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。
1三位半数字电压表概述
1.1三位半数字电压表特点
我们所设计的电压表是一个三位半数字电压表,测量范围为直流:
0~199mV、0~1.99V、0~19.99V、0~199.9V、0~1999.9V,共五个量程。
电压值显示稳定,读数方便,能测量正负电压且能切换量程使用方便。
它还有超量程、欠量程的功能,当超量程时,A/D转换器呈溢出状态,这时高位显示为1,其他低位不显示;当欠量程时,最高位和次高位显示的数为0。
当有两种情况中的一种时,将量程用大一量程,如此循环直至切换到适当量程。
其他特点如下:
⑴显示清晰直观,读数准确数字电压表则采用先进的数显技术,使测量结果一目了然,只要仪表不发生跳数现象,测量结果就是惟一的,能缩短读数和记录的时间。
⑵显示位数显示位数通常为3位~8位。
⑶准确度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。
它表示测量结果与真值的一致程度,也反映了测量误差的大小,准确度愈高,测量误差愈小。
数字电压表的准确度远优于模拟式电压表。
⑷分辨率高数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值,称做仪表的分辨力,它反映仪表灵敏度的高低。
分辨力随显示位数的增加而提高。
数字电压表的分辨力指标亦可用分辨率来表示。
分辨率是指所能显示的最小数字(零除外)与最大数字的百分比。
实际上分辨力仅与仪表显示位数有关,而准确度则取决于A/D转换器等的总误差。
⑸测量范围宽多量程DVM一般可测0~1999V直流电压
(6)扩展能力强在数字电压表的基础上、还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表(DMM)和智能仪器,以满足不同的需要。
⑺测量速率快数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率,单位是“次/秒”。
它主要取决于A/D转换器的转换速率,其倒数是测量周期。
⑼集成度高,微功耗
2三位半数字电压表电路结构和系统框图
2.1电路的基本结构
图1三位半数字电压表电路结构框图
⑴3(1/2)位A/D转换器是采用芯片ICL7107,是专门为驱动LED显示器而设计的3(1/2)位双积分式A/D转换器。
是整个电路的核心部件,完成模拟量转换为数字量的任务。
⑵基准电压源提供A/D转换参考电压。
⑶译码驱动器将BCD码转换成七段供LED发光管显示信号
⑷显示器将译码器输出的七段信号进行数字显示。
2.2电路的系统框图
图2电路系统框图
⑴A/D转换及锁存和译码模块。
选用芯片ICL7107,它是双积分型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,以及数字部分如这振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等,使用时只需接少量电阻、电容元件和数码管,就可以完成模拟信号与数字信号之间的转换。
⑵待测电压转换模块。
待测电压作为电压表的测量对象,必须满足下一级的输入要求。
⑶模拟电压通道模块。
该模块主要作用是将分压后的待测电压输送给A/D,能根据不同待测电压选择最适当的分压值档位,采用模拟开关通道,其体积小,工作稳定,开关通道较多。
⑷超、欠量程识别模块。
当超量程时,A/D转换器呈现溢出状态,这是只有千位显示“1”,其余位不显示;当欠量程时,千位和百位都显示“0”。
当有两种情况中的一种时,则将量程选用大一级量程,如此循环直至切换到适当量程。
2.3表头电路
图3表头电路
2.4量程设计
图4量程电路
量程电路的设计的作用是将分压后的待测电压输送给A/D,能根据不同待测电压选择适当的分压值档位。
3主要元器件介绍
3.1ICL7107的介绍
ICL7107是专为驱动LED显示器而设计的3(1/2)位双积分式A/D转换器。
图5ICL7107芯片引脚电路
引脚功能介绍
U+、U-——分别接5V电源的正、负端。
COM——模拟信号的公共端,简称“模拟地”,通常将IN+、Uref-端与COM端短接。
TEST——测试端。
该端有两个功能:
作为测试指示,将它接U+时数码管显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段损坏;作为数字地供外部驱动器使用,已构成小数点标识符的显示电路。
a1~g1、a2~g2、a3~g3、bc4——分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端,接至数码管相应的笔段电极。
b、c段在数码管内部连通。
当计数值N>1999时显示器溢出,仅千位显示“1”,其余位不显示。
POL——负极性指示输出端,当POL端输出的方波与背电极方波相反时,显示负号。
OSC1~OSC3——时钟振荡器的引出端,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。
Cref+、Cref-——外接基准电容端。
IN+、IN-——模拟电压输入端,分别接被测电压的正端和负端。
Caz——接自动调零电容端,该端在芯片内部接至积分器和比较器的反相输入端。
BUF——缓冲放大器的输出端,接积分电阻。
INT——积分器的输出端,接积分电容。
GND——接地端。
3.2ICL7107的性能特点
⑴能直接驱动共阴极LED显示器,不需要另加驱动电路和限流电阻,使整机电路得到简单化。
⑵第21脚(GND)为数字地,第37脚(TEST)经内部电阻与GND接通。
⑶采用±5V双电源供电,GND端需要接电源中点(0V)。
⑷ICL7107本身的功耗低于15mV(不包括显示器),最大静态电流为1.8mA。
⑸段驱动电流的典型值为8mV,最小值为5mA。
⑹芯片内部无小数点驱动信号,使用时间可将共阴极数码管的公共端接U-,当小数点经过几百欧姆的限流电阻接至GND时,该小数点发光;小数点位置可以固定,也可以通过转换开关选择。
3.3ICL7107功能检查表
ICL7107芯片功能检查电路如下图所示。
图中S是单刀四转换开关,SB是按钮开关。
图6芯片引脚功能电路
检查步骤如下(仪表满量程为200mV)
1检查零输入时的显示
将IN+与IN-端短接,使Uin=0,仪表应显示“00.0”。
2检查比例读数
将IN+与Uref+端短接,使Uin=Uref=100.0mV.仪表应显示“100.0”,允许有±1给字的误差。
3检查正信号溢出功能
将IN+与U+端(+5V)短接,使Uin=+5V>+199.9Mv。
此时数码管应显示千位上的“1”,其他位不显示。
4检查负信号溢出功能
将IN+与U-端(-5V)短接,使Uin=-5V。
因为<+199.9Mv。
此时数码管应显示负号和千位上的“1”,其他位不显示。
5检查全亮笔段
将TEST端与U+端短接,LED显示器应出现“1888”(不显示小数点),全部笔段放光。
操作时只需按下SB,即可将TEST与U+短路。
表1ICL7107的功能检查内容
检查内容
检查方法
显示值
开关位置
被短接的管脚
负号
千位
百位
十位
个位
0
1
IN+--IN-
X
X
0
0
0
100
2
IN+--Uref+
X
1
0
0
0±1
正信号溢出
3
IN+--U-
X
1
X
X
X
负信号溢出
4
IN+--U-
—
1
X
X
X
1888
按下SB
TEST--U+
X
1
8
8
8
4用protel99绘制电路原理
4.1三位半数字电压表原理图
图7三位半数字电压表原理图
4.2电路原理图分析
①ICL7107芯片的量程有两档:
200mV和2.00V。
本电路所选量程为200mV档。
②200mV量程,要求R1=10K,R4=47K,C4=0.47u.
OSC1、OSC2、OSC3为时钟振荡器的外接端子,时钟振荡器由集成电路内部的两个反相器和外接阻容元件组成,振荡频率为
Fo=0.455/R1C1=40khz
电路采样速率为
MR=fo/1600=40*1000/1600次/秒=2.5次/秒
③Cref+和Cref-为基准电容端,一般将基准电容C2取值为0.1u
④输入端IN+和IN-一般接一个阻容滤波器R3—C3.
⑤Caz,BUF,INT组成积分电路。
电路的积分电阻R4取值为47K接BUF端,积分电容C5为0.22u接INT端,自动调零电容C4为0.47u接Caz端。
5电路板的焊接
5.1焊接的注意事项
①防止触电,勿要烫伤人、电源线及衣物等。
②电烙铁的温度和焊接的时间要适当,焊锡量要适中,不要太多。
③烙铁头要同时接触元件引脚和线路板,使二者在短时间内同时受热达到焊接温度,以防止虚焊。
④不可以将烙铁头在焊点上来回移动,也不可以用烙铁头向焊接脚上刷锡。
⑤对有极性的元件,焊接过程中切勿将极性弄错。
5.2焊接过程
①焊前准备
首先要熟悉所焊电路板的电路图,并按图纸配料,检查元器件型号、规格及数量是否符合图纸要求,并做好装配前元器件引线成型等准备工作。
②焊接顺序
元器件装焊顺序依次为:
电阻器、集成电路插槽、发光二极管,即元器件应为先低后高。
③焊接方法
将加热好的电烙铁与电路板成45度角,同时接触焊接点和被焊元件脚1—2秒,再将焊锡丝触致焊接点与元件引脚上,使焊锡溶后顺着被焊接元件脚流至焊点上形成一个圆锥状,这时抬起电烙铁。
焊好后要等焊锡完全凝固才可移动元件。
④焊接后事宜
对焊好的电路板进行检查,保证其光滑、清洁;有无错焊、漏焊、虚焊、桥连等。
6电路调试过程
6.1调试前工作
对电路板调试前要检查其正确性,有无短路、错误等问题,确保电路无误才可以进行通电调试。
首先要分开调试对各个部分的电路进行调试即对每个芯片进行调试在确定正确后在进行总的调试,这样可以保证不会出现混乱,如果有错误也好对其进行检查。
6.2电路总体调试
①调试仪器
可调直流电源,可调范围:
0~2000V;万用表。
②调试方法
用该表测量一电压,在用万用表测量;
自动切换量程调试:
首先用大于200mV的电压测量;然后调节电源电压到比该值小一量程的电压进行测量,观察是否正常测量。
6.3使用注意事项
量程的设计
由ICL7107构成的三位版数字电压表基本量程为200mV。
如果需要改装成2V的量程,应改变基准电压分压电阻、自动调零电容和积分电阻的数值,其余元件数值不变。
积分电容的选择
数字电压表对积分电容的质量要求较高,因为它直接关系到积分的准确度。
对积分电容主要有以下几个要求:
漏电阻高,(或漏电时间常数大),损耗角正切值小;介质吸收系数小,介质吸收系数表示电容器在放电1S后的残余电压与充电电压的百分比。
总结
毕业设计是对三年来所学知识的一个总结,也是对我们的一个考验。
通过毕业设计可以提高我们的动手能力,我们可以从中学到不少有用的东西。
本设计的课题是三位半数字电压表,在设计时首先是要画出原理图,在确定了原理图之后再在实验箱上进行调试。
在调试过程中也遇到了不少的问题,不过经过我们的努力还是顺利完成了。
通过为期两个月的毕业设计,使我们的基础理论知识和专业知识均得到了切实的巩固,同时提高了我们独立思考问题和分析解决问题的能力。
在理论知识方面,我们把三年来所学的专业知识进行了进一步的强化和巩固。
另外通过大量的查阅资料,增强了自已的能力,拓宽了知识面。
在实践方面,利用学校给我们创造的有利条件,自已动手,安装电路,并调试成功。
参考文献
1.杨宝清、宋文贵.《实用电路手册》.北京:
机械工业出版社.2002.5
2.杨碧石.《模拟电子技术基础》.北京:
电子工业出版社,2006.1
3.赵慧.《Protel99SE原理图与PCB及仿真》.北京:
机械工业出版社,2004.2
4.赵淑范、王宪伟.《电子技术实验与课程设计》.北京:
清华大学出版社,2006.8
5.沙占友.《新型数字电压表原理及应用》.北京:
机械工业出版社,2006.1
6.蒋璇,藏春华.《数字系统设计与PLD应用》.北京:
电子工业出版社,2005
7.侯伯亨.《现代数字系统设计》.西安:
西安电子科技大学出版社,2004
8.蔡明生.《电子设计》.北京:
高等教育出版社,2004
附录
附录一元器件清单
元器件清单
名称
符号
阻值
数量(个)
色环电阻
R1
120K
1
色环电阻
R2
10K
1
色环电阻
R3
1M
1
色环电阻
R4
47K
1
色环电阻
R5
1K
1
色环电阻
R6
9K
1
色环电阻
R7
90K
1
色环电阻
R8
900K
1
色环电阻
R9
9M
1
可调电阻
RP
1K
1
瓷片电容
C1
100P
1
瓷片电容
C2
0.1uF
1
瓷片电容
C3
0.01uF
1
涤纶电容
C4
0.47uF
1
涤纶电容
C5
0.22uF
1
芯片
ICL7107
∕
1
导线
∕
∕
若干根
数码管CPSO3611BR
LED
∕
4
插针
∕
∕
1
插线
∕
∕
1
干电池
U
1.5V
4
附录二设计任务书
1.本设计的主要任务和要求
1.1任务
设计并制作三位半数字电压表。
1.2要求
1.2.1基本要求
(1)输入电流必须限制在±100UA,输入电压允许超过电源电压。
(2)线性度:
≤±1个字节;反极误差:
≤2个字节(满量程时);输入阻抗:
≥100M;采样速率:
2.5次/秒。
(3)当输入信号超出最大输入信号时,表头显示“-1XXX”或“1XXX”,(X表示消隐)。
(4)线路设计应符合国家有关技术要求和标准。
(5)供电电源为DC5V±10%,≤150mA。
1.2.2发挥部分
数字电压表可以测量0—200V的电压,并能将所测的模拟电压直接显示。
1.3说明
显示部分可以用数码管或LCD。
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 三位 半数 电压表 设计