数字电压表报告 - 图文

第一章 绪论 1

R3/(R1?R2?R3)?0.01取R1?9000? 则R?990?2第一章 绪论直流 ICL7107 R3?10?

1.1 数字电压表的概术

电表是常用的电学测量仪器，有关电表的基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的，我们把数字电表基本原理和应用技术引入普通电学实验中，其原因是： 数字仪表应用日益广泛；

数字电表基本原理简单，它也是一种比较法，对电容器在待测电压Vx与参考电压Vref下的充、放电时间关系进行比较。

了解了数字电表基本原理及常用模数转换芯片外围元件的作用、参量选择原则后可在万用表设计中灵活应用数字电表的模数转换芯片。

随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，下面介绍一下数字电压表的组成和应用领域。

1.2 数字电压表的结构

数字电压表有以下几个个组成部分：

ICL7107芯片\\LED数字显示器\\三位半驱动\\段驱动\\位驱动 数字电压具有以下九大特点： 1.显示数据直观，度数准确。 2.准确度高。 3.分辨率高。 4.测量范围宽。 5.扩展能力强。 6.测量速率高。 7.输入阻抗高。

2 基于ICL7107数字电压表的设计

8.集成度高，微功耗。 9.抗干扰能力强。

1.3 数字电压表应用领域

数字电压表通常被应用以下任务： 1.对一些工程上的测量； 2.完成大规模集成电路的转换； 3.应用于大规模的数字测量；

4.实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用； 本文主要是研究基于ICL7107芯片、数字显计数器的应用。

1.4设计目的

1.综合运用数字电路和模拟电路，巩固所学知识。 2.了解双积分A/D转换器的工作原理。 3.掌握ICL7107构成数字直流电压表的方法。 4.了解数字显示电路的扩展应用。 5.了解产品设计的基本思路和方法。 6.掌握常用电子元件的选择方法和元件参数的

7.加强计算机运用、查阅资料和独立完成电路设计的能力

第一章 绪论 3

第二章 课程设计方案、要求、任务实验原理

2.1方案选择

方案1：主要器件由芯片ICL7107和液晶显示器LCD组成。

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. 因此本方案有主要以下特点：

1.采用单电源供电，，可以使用9V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，可以直接驱动LCD液晶显示器。 3.耗功低。芯片本身消耗电流仅1.8mA,功耗为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，可以很方便的进行功能检查。

方案2：主要芯片有ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。 本方案的主要特点是：

1.能够直接驱动共阳极的LED显示器，不需要外加驱动原件，使整机线路简化。 2.采用+5V和-5V两组电源供电。

3.LED属于电池控制原件，芯片本身功耗较小。 4.显示亮度较高。

方案3：主要器件有芯片MC14433和共阴极半导体数码管LED组成。

MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片A/D转换器，它适合构成带BCD码输出的32位LED显示数字电压表，是目前应用较为普遍的一种低速A/D转换器。 MC14433的主要性能特点： 1.MC14433属于CMOS大规模集成电路，其转换准确度很高，内时钟振荡器，仅需外接一个振荡电阻。能获得超量程（OR）、欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。能增加度数保持（HOLD）功能，电压量程分两挡：200mV、2V,最大显示值分别为：199.9mV和19999V。

1/

4 基于ICL7107数字电压表的设计

量程与基准电压成1比1关系。 即UM=UREF.原理方框图.

图2.1-1

2.2 系统方框图

方案一 是采用ICL7107芯片原理和相关电路相结合设计的数字电压表显计数器，电路如图所示

本文的电压表是一个31/2位半直流电压测量的数字式电压表。测量范围为直流0到1.99V，0到19.99V，0到1999V，功3个量程。电压值显示稳定，读数方便，能测量正负电压和自动切换量程，使用方便，本系统可分为测试电压转换、模拟电压通道、数据电压通道、数码显示、小数点驱动电路5部分。

第一章 绪论 5

图2.2-1 系统方框图

2.3设计要求

1.利用芯片ICL7107来实现电路功能； 2.选择合适的电阻、电容、液晶显示器等器件；

3.完成全电路理论设计、制作、调试，并画出电路原理图； 4.撰写设计报告； 5.上交制作产品一件。

2.4设计任务

1. 设计一个数字电压表电路；

2. 通过设计，可以实现数字测量；

3.测量范围：直流电压0V到1.999V，0V到19.99V,0V到1999V. 4.组装调试数字电压表。

5.画出数字电压表电路原理图，写出实验报告。

6 基于ICL7107数字电压表的设计

2.5实验原理

1 双积分模数转换器（ICL7107）的基本工作原理

当输入电压为Vx时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C进行恒流（电流大小与待测电压Vx成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q与被测电压Vx成正比；然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref成正比），这样电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。所以，可以得出T2也与Vx成正比。如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值N2，则N2与Vx成正比。

双积分AD的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比构成的。现在我们以实验中所用到的3位半模数转换器ICL7107为例来讲述它的整个工作过程。ICL7107双积分式A/D转换器的基本组成如图1所示，它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所组成。下面主要讲一下它的转换电路，大致分为三个阶段：

第一阶段，首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器C上积累的电量，然后参考电容Cref充电到参考电压值Vref，同时反馈环给自动调零电容CAZ以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的偏置电压。这个阶段称为自动校零阶段。

第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），在此阶段Vs接到Vx上使之与积分器相连，这样电容器C将被以恒定电流Vx/R充电，与此同时计数器开始计数，当计到某一特定值N1（对于三位半模数转换器，N1=1000）时逻辑控制电路使充电过程结束，这样采样时间T1是一定的，假设时钟脉冲为TCP，则T1=N1*TCP。在此阶段积分器输出电压Vo=-Qo/C(因为Vo与Vx极性相反)，Qo为T1时间内恒流（Vx/R）给电容器C充电得到的电量，所以存在下式： Qo=? Vo=-T1VxVx

*dt=T1 (1)

R0RQoVx=-T1 (2)

CRC

第一章 绪论 7

图2.5-1 双积分AD内部结构图

第三阶段为反积分阶段（测量阶段），在此阶段，逻辑控制电路把已经充电至Vref的参考电容Cref按与VX极性相反的方式经缓冲器接到积分电路，这样电容器C将以恒定电流VrefR 放电，与此同时计数器开始计数，电容器C上的电量线性减小，当经过时间T2后，电容器电压减小到0，由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计数结果。此阶段存在如下关系：

1T2Vref*dt=0 (3) Vo+?C0R把（2）式代入上式，得： T2=

T1Vx (4) Vref从（4）式可以看出，由于T1和Vref均为常数，所以T2与Vx成正比，从图2可以看出。若时钟最小脉冲单元为TCP,则T1?N1?TCP，T2?N2?TCP，代入（4）， 即有： N2= Vx (5) 可以得出测量的计数值N2与被测电压Vx成正比。

对于ICL7107，信号积分阶段时间固定为1000个TCP,即N1的值为1000不变。而N2的计数随Vx的不同范围为0～1999，同时自动校零的计数范围为2999～1000，也就是测量周期总保持4000个TCP不变。即满量程时N2max=2000=2*N1,所以Vxmax=2Vref，这样若取参考电压为100mV，则最大输入电压为200mV；若参考电压为1V，则最大输入电压为2V。

下面阐述它的引脚功能和外围元件参数的选择。ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择

8 基于ICL7107数字电压表的设计

图2.5-2 ICL7107芯片引脚图

ICL7107芯片的引脚图如图3所示，它与外围器件的连接图如4所示。图4中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的，所以不加详述。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第34脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端； Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（因为测量周期总保持4000个Tcp不变）以及测量的精度。下面我们来分析一下这些参数的具体作用：

Rint为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，对于ICL7107，充电电流的常规值为Iint=4uA，则Rint=满量程/4uA。所以在满量程为200mV，即参考电压Vref=0.1V时，Rint=50K,实际选择47K电阻；在满量程为2V，即参考电压Vref=1V时，Rint=500K,实际选择470K电阻。Cint=T1*Iint/Vint,一般为了减小测量时工频50HZ干扰，T1时间通常选为0.1S ，具体下面再分析，这样又由于积分电压的最大值Vint=2V，所以：Cint=0.2uF,实际应用中选取0.22uF。对于ICL7107，38脚输入的振荡频率为：f0=1/(2.2*R1*C1)，而模数转换的计数脉冲频率是f0的4倍，即Tcp=1/(4*f0)，所

第一章 绪论 9

以测量周期T=4000*Tcp=1000/f0，积分时间（采样时间）T1=1000*Tcp=250/fo。所以fo的大小直接影响转换时间的快慢。频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度，同学们可以在实验过程中通过改变R1的值同时观察芯片第40脚的波形和数码管上显示的值来分析。一般情况下，为了提高在测量过程中抗50HZ工频干扰的能力，应使A/D转换的积分时间选择为50HZ工频周期的整数倍，即T1=n*20ms,考虑到线性度和测试效果，我们取T1=0.1m(n=5)，这样T=0.4S，f0=40kHZ，A/D转换速度为2.5次/秒。由T1=0.1=250/f0，若取C1=100pF，则R1≈112.5KΩ。实验中为了让同学们更好的理解时钟频率对A/D转换的影响，我们让R1可以调节，该调节电位器就是实验仪中的电位器RWC。

10 基于ICL7107数字电压表的设计

图2.5-3 ICL7107和外围器件连接图

（1）直流电压测量的实现（直流电压表）

Ⅰ: 当参考电压Vref=100mV时，Rint=47KΩ。此时采用分压法实现测量0～2V的直流电压 ,电路图见图5。

Ⅱ:直接使参考电压Vref=1V，Rint=470KΩ来测量0～2V的直流电压，电路图如图。 （2）直流电流测量的实现（直流电流表）

直流电流的测量通常有两种方法，第一种为欧姆压降法，，即让被测电流流过一定值电阻Ri，然后用200mV的电压表测量此定值电阻上的压降Ri*Is（在Vref=100mV时，保证Ri*Is≤200mV就行），由于对被测电路接入了电阻，因而此测量方法会对原电路有影响，测量电流变成Is’=R0*Is/(R0+Ri),所以被测电路的内阻越大，误差将越小。第二种方法是由运算放大器组成的I-V变换电路来进行电流的测量，此电路对被测电路的无影响，但是由于运放自身参数的限制，因此只能够用在对小电流的测量电路中，所以在这里就不再详述。 如下图所示

图2.5-4

26 基于ICL7107数字电压表的设计

原件清单：ICL7107芯片一个、非极性电容、电阻、电位器、数码管等PCB单路板。

第六章 总结 27

第六章 总结

2011年1月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。

2月初，在与导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：基于CD4553的三位数显计数器的设计。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。我在学校图书馆，大工图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。

3月初，资料已经查找完毕了，我开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。3月底，论文的文字叙述已经完成。4月开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细学习了Excel的绘图技术和proteus仿真软件的应用。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。最后采用CD4511做译码器，用STC89C52单片机实现对技术频率的控制，然后再结合相应的电路最终达到预期效果

当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则

28 基于ICL7107数字电压表的设计

蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了很多单片机、CD4553芯片、LED显示屏的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今单片机、LED显示屏的最新发展技术有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。 脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。

参 考 文 献

[1] 庚华光 《电子技术基础》 数字部分

[2] 梁德厚 《数字电子技术及应用》 机械工业出版社 [3] 周长源 《电路理论基础》 高等教育出版社

[4] 《PROTEL电路设计教程》，江思敏、姚鹏冀胡荣等编著，清华大学出版社2003 [5]《常用电子测量仪器的使用》，【英】A. M.L鲁特金著，谢瑞和、黄志良、谢白关、王关兰

译电子工业出版社1999.

[6] 《数字电路与逻辑设计》，刘浩斌（主编）汪良能、刘鑫、刘炜（编著），电工业出版社

2001.

[7] 《数字万用表的原理、使用与维修》，沙古有、沙古为（编著）电子工业出版社1988

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3myf.html