基于ICL710

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摘 要

随着科学技术的发展，数字电压表的种类越来越多，功能越来越丰富，当然应用的领域也越来越广泛，给人们的工作和生活带来许多方便。本文主要介绍的是基于ICL7107数字电压表的设计的设计，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器位驱动器于一体的大规模集成电路，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统的一种3位A/D转换器，能够直接驱动共阳极数字显示器，够成数字电压表，此电路简洁完整，稍加改造就可以够成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器、位驱动器于一体的大规模集成电路，官地方官方主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用，调频接口电路，它采用的是双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路设计。应用了ICL7107芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电，正确电压时DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口，从而可以在显示器上看到所需要的结果。在软件设计上，主要编写了实现计数频率的调节和单片机功能的相关程序，,最后把软件设计和硬件设计结合到一起，然后进行调试。本文阐述了硬件设计中具体的硬件结构和功能和软件设计中具体写入的程序还有相应的调试过程。

关键词：ICL7107芯片、数字电压表、数字电子秤、数字温度计、31/2位A/D转换

器

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目 录

第一章 绪论 ................................................... 1

1.1 数字电压表的概术 ............................................ 1 1.2 数字电压表的结构 ............................................ 1 1.3 数字电压表应用领域 .......................................... 2 1.4设计目的 ..................................................... 2 第二章 课程设计方案、要求、任务实验原理 ........................ 13

2.1方案选择 .................................................... 13 2.2 系统方框图 ................................................ 14 2.3设计要求 .................................................... 15 2.4设计任务 .................................................... 15 2.5实验原理 .................................................... 16 第三章 课程设计框图及工作原理 .................................. 22

3.1工作原理 .................................................... 22 3.2 ICL7107的工作原理 ......................................... 23 3.3关于多量程电路部分 .......................................... 27 3.4原理图 ...................................................... 29 第四章 电池选择和电路仿真 ...................................... 21

4.1 电源介绍 ................................................... 21 4.2电路仿真 .................................................... 22 第五章 系统调试及结果分析 ..................................... 25

5.1系统调试 .................................................... 25 5.2 硬件实物图 ................................................. 25 第六章 总结 .................................................. 27 致 谢 ...................................................... 27 参 考 文 献 .................................................. 29

第一章 绪论 1

第一章 绪论

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。 8.集成度高，微功耗。

2 基于ICL7107数字电压表的设计

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

第三章 课程设计框图及工作原理 13

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31/2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

第三章 课程设计框图及工作原理 19

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。

20 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。

第三章 课程设计框图及工作原理 21

如下图所示

图2.5-4

电阻值测量的实现（欧姆表）

Ⅰ:当参考电压选择在100mV时，此时选择Rint=47KΩ，测试的接线图如图8所示，图中Dw是提供测试基准电压，而Rt 是正温度系数（PTC）热敏电阻，既可以使参考电压低于100mV，同时也可以防止误测高电压时损坏转换芯片，所以必需满足Rx=0时，Vr≤100mV。由前面所讲述的7107的工作原理，存在： Vr=(Vr+)–(Vr-)=Vd*Rs/(Rs+Rx+Rt) (6) IN=(IN+)–(IN-)=Vd*Rx/(Rs+Rx+Rt) (7) 由前述理论N2/N1=IN/Vr有：

Rx=（N2/N1）*Rs （8） 所以从上式可以得出电阻的测量范围始终是0～2RsΩ。

Ⅱ: 当参考电压选择在1V时，此时选择Rint=470KΩ，测试电路可以用图9实现，此电路仅供有兴趣的同学参考，因为它不带保护电路，所以必需保证Vr≤1V。在进行多量程实验时(万用表设计实验)，为了设计方便，我们的参考电压都将选择为100mV，除了比例法测量电阻我们使Rint=470KΩ和在进行二极管正向导通压

22 基于ICL7107数字电压表的设计

图2.5-5

降测量时也使Rint=470KΩ并且加上1V的参考电压。

第三章 课程设计框图及工作原理

3.1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是一个受气为用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）。

管脚1和26是ICL7107的正、负极。COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用适应与IN-、UREF-端短接。TEST是测试端，该端经内部500殴电阻接数字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故称作数字地。

第三章 课程设计框图及工作原理 23

该端有两个功能：

（1）做测试指示，将它接U+LCD显示全部笔段1888，可检查笔段有无残缺现象， （2）作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标识符的显示电路。a1到 g1、a2到g2、a3到g3、bc4分别为各位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。千位b、c在LCD内部连通。当计数值N>1999时，显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，一次表示仪表超越量程（过载溢出），POL为负极性指示的驱动端，BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。OSC1到OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两极反向式阻容振荡器。UREF+、UREF-分别为基准电压的正、负端，利用片内U+ -COM之间的+2.8V基准电压源进行分压，可提供所需的UREF值，亦可选外基准，CREF+、CREF-是外接基准电容端，IN+、IN-为模拟电压的正、负输入端，CAZ直接自动调零电容。BUF是缓冲放大器输出端，按积分电阻RINT。INT为积分器输出端，按积分电容CINT。需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未指出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电压近似等于电源电压的一半.

3.2 ICL7107的工作原理

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。下面介绍各部分的工作原理。 （一）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基准点呀。

24 基于ICL7107数字电压表的设计

图3.2-1 ICL 的模拟电路

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

第三章 课程设计框图及工作原理 25

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。

图3.2-2 ICL7107外围电路图

（二）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ICL7106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。

26 基于ICL7107数字电压表的设计

图3.2-3 ICL7107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。 （三）小数点驱动电路

为了显示小数点，需采用CD4030四异或门（或CD4077四异或非门），电路如图。

图3.2-4 小数点驱动电路

S为晓数点选择开关，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。

第三章 课程设计框图及工作原理 27

控制逻辑有三个作用：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使A\\D转换正常进行；第二，判定输入电压极性并龙智LCD的负极性显示；第三，超量程时发出溢出信号使千位显示1，其余位消除。

用计数器的输出信号ABC控制小数点电路，若最高位到最低位小数点依次用Dp1、Dp2、Dp3及Dp1表示，则可以写出其真值表，如表1（1表示点亮）所示。

输入 A 0 0 0 0 1 B 0 0 1 1 0 C 0 1 0 1 0 Dp4 1 1 0 0 0 Dp3 0 0 1 0 0 输出 Dp2 0 0 0 1 0 Dp1 0 0 0 0 1 表1 小数点显示真值表

3.3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，就可以实现量程为正、负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3.3-1

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：

28 基于ICL7107数字电压表的设计

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3.3-2

与多量程电流表对应的是经常需要使用多量程电压表，按照下图配置一组分压电阻，就可以得到量程从 ±200.0mV 至 ±1000V 的多量程电压表。

图3.3-3

测量电阻与测量电流或者电压一样重要，俗称“三用 表”，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

致 谢 27

致 谢

本论文是在导师卜锡滨老师的悉心指导和同学们的帮助下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 本论文的顺利完成也离不开、同学和朋友的关心和帮助，在此也向他们表示衷心的感谢。

在这次课程设计我真正体会到什么叫做学以致用，第一次体会到用自己所学到的知识做出了数字电压表，在以前想都不敢想，而现在自己竟然亲手做出来，所以此时我的心中不免有些成就感。

虽然这次课程设计理论与时间基本完成，但在实践的过程中存在着许多问题。比如说当测量时得不到理论上的要求，电路焊接杂乱等。所以在以后的实践当中，我们在实践之前的第一件事是检察原器件，而不是动手连线。连线固然重要，但我个人认为比这个更重要的是连线之前应该做的事。

21世纪是电子技术飞速发展的时期，而数字电子技术又是一门发展速度，实践和应用性很强的技术基础课程。从本书中，我们不仅学到了怎样分析和设计一个电路，使我们这些以前看过他们，却不知如何去做的人大开眼界。看来，我们学习了这门课程以后，也可以根据它的基本原理做出它的电路图，也可以实现它的功能，得出我们想要设计的电路图。我觉得选择这门课程是我永远值得骄傲的一件事。因为它可以让我们深刻证明自己的能力，证明自己对这门课程是不是很认真。我觉得为我们所喜欢的事情去努力，是值得高兴的事，我们会继续努力学习好这门课程，希望以后可以有更多这样的机会，锻炼我的动手能力，使所学的知识能活用。

参考文献 29

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

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