三位半数字电压表课程设计资料.doc

河北建筑工程学院电子技术课程设计报告设计题目： 三位半数字电压表 学 院： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 设计时间： 目录一、设计目的1二、功能要求与技术指标1三、方案设计及论证23.1方案一 基于MC14433的数字电压表23.2方案二 基于AT89352单片机的数字电压表23.3方案三 基于ICL7106的数字电压表3四、方案比较及分析3五、电路各部分原理说明41、 电压衰减电路42、 单相桥式整流滤波电路43、 基准电压模块44、 3 1/2位A/D电路模块55、 显示电路模块76、 所有元件明细表7六、实验原理8七、电路的安装与调试12八、总电路原理图13九、实践总结与心得14十、参考文献三位半数字电压表一、设计目的课程设计主要目的，是通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往的学习模电、数电内容，达到灵活应用的目的。在设计完成后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强动手能力。在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计任务同时注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面： 独立工作能力和创造力。 综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。 查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。 熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法；电路检测与故障排查能力。工程绘图能力。 写技术报告和编制技术资料的能力。二、功能要求与技术指标1、利用所学过数字电子技术和模拟电子技术知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字电压表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能图，描述其功能。2、对将要实验方案3 1/2位数字电压表方案，须采用中、小规模集成电路、ICL7107A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工作原理，计算出参数。3、技术指标： 测量直流电压 1999-1V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V； 测量交流电压1999-199V 要求三位半显示三、方案设计及论证3.1方案一 MC14433的数字电压表图3-1 MC14433的数字电压表此方案是对电压量进行测试并显示的数字电路。对于交流可以采用桥式整流，通过电阻分压，再用放大器放大，把平均值转换为有效值，最后输送给双积分型A/D转换器MC14433 Vx测试输入端。再通过CD4511七段锁存/译码器送到LED显示，完成电压的测试。MC14433基准电压VREF可由恒压源提供,芯片本身有两个量程2V、200mA此时对应电阻为470K、27 K。3.2方案二基于AT89C52单片机数字电压表根据系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89C52单片机，A/D转换采用ADC0809、四个共阴极LED数码管。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行8路其他A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。原理框图如下：图3-2 AT89C52单片机数字电压表AT89C52 P0 P2 P1 P3ADC0809LED显示器上电复位串口通信电源电路3.3方案三 ICL7107数字电压表根据系统功能实现要求，决定控制系统采用ICL7107、两个共阳极LED数码管。原理框图如下：图3-3 基于ICL7107数字电压表直 流 稳 压电压转化芯片INC7107显 示 电 路四、方案比较及可行性分析（1)显示清晰直观，读书准确 数字电压表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，测量结果就是唯一的，能缩短读数和记录的时间。（2）显示位数: 显示位数通常为3位-8位。（3）准确度高: 准确度测量结果中系统误差与随机误差的综合。他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。(4) 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，称作仪表的分辨力，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。(5) 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。(7)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”。主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。(8) 集成度高，微功耗五、电路各部分原理说明 1、电压衰减电路如左图中四个电阻串联分压设计，总电阻值为10M，当开关S1闭合时，为最小量程2V；当开关S2闭合时，衰减10倍，其量程为20V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V。图5-1 量程转换电路图 2 、单相桥式整流滤波电路电路为单向桥式整流电路，适用于大电压的整流。电路TR为电流变压器，它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的电压V2=Sinwt，四支整流二极管D1D4接成电桥的形式。图5-2单相桥式整流滤波电路 3、基准电压模块这个模块由MC1403和电位器构成, 提供精密电压，供A/D转换器做参考电压 图5-3MC1403稳压模块4、3 1/2位A/D电路模块ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换电路，包含七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。可以直接驱动LED数码管，是一块应用非常广泛的集成电路。 ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好地结合在一起，它有低于10V的自动校零功能，零漂小于1V/oC，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。ICL7107管脚排列介绍： 第1引脚：正电源，DC+6V 第26引脚：负电源DC-9V 第21引脚：电源地 第220、2225引脚：数字部分 第2740引脚：模拟部分 其中：第27引脚：积分器 第28引脚：缓冲放大器的输出端，接积分电容CINT 第29引脚：积分比较器的反相输入端，外接自动调零端 第30、31引脚：信号地和信号正端 第32引脚：模拟地 第35、36引脚：基准地和基准电压正端 第37引脚：数字地，与V+短接进行测试 第3840引脚：时钟振荡的引出端，外阻容元件或石英晶体组 成振荡器。 图5-4ICL7107管脚图- 14 -ICL7107参数选用5、显示模块 显示模块采用两块共阳DIP1图5-5共阳DIP1显示模块6、所有元件明细表元件清单名称符号参数封装电解电容C1，C2，C3，C4C103,C224,C473,C103CC3216-1206(贴片)电容C5C100PCC3216-1206（贴片）电阻R1+R2，R3+R4，R5，R6，R7，R810K,100K, 1M,470K,100K,510CC3216-1206（贴片）插座P1，P2Header 2（直插）电位器RP1K电位器（自制直插）数码管U1，U2共阳DIP18二位数码管（自制直插）芯片ILC7107、MC1403DIP40（直插）六、实验原理(1) 31/2位双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点 ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1 个字。 能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。 在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。 能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。 整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。 不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+. 可以方便的进行功能检查。 图6-1ICL7107电压表简图(3) ICL7107的工作原理 双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。838电子 它的原理性框图如图6-2所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期Tc 作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC 。 图6-2ICL7107原理性框图 计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。 分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。 译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。 控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。第三，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1 ，其余码全部熄灭。 钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。第一阶段：自动调零阶段AZ 转换开始前（转换控制信号VL=0) ，先将计时器清零，并接通开关S0 ，使积分电容C完全放电。 第二阶段：信号积分INT 令开关S1合到输入信号V1一侧，积分器对V1进行固定时间Tl的积分，积分结果为： 上式说明，在Tl固定条件下V0与Vl成正比。 第三阶段：反向积分DE 令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。如果积分器的输出电压上升至必零时，所经过的积分时间T2则可得，故可得到，可见，反向积分到V0=0这段时间T2与Vl成正比。令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数扔器在T2时间内计数值为N得：T2=NTc 代入上式得：图6-3双积分型A/D转换器的电压波形图分析可知：T1,Tc，VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。 下面介绍A/D转化过程的时间分配。假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000Tc, 如图6-3所示，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。各阶段时间分配如下 信号积分时间Tl用1000Tc 。 信号反向积分时间T2用0一2000Tc ，这段时间的长短是由VIN的大小决定的。 自动调零时间T0用10003000Tc 。 从上面的分析可知，Tl 侍定不变的，但T2随VIN的大小而改变。因为，选基准电压VRFF = 100.0mv , 由：得：VIN=0.1N 满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为：VIN=2VREF 。为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间Tl 为工频周期的整数倍。我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1=n20ms。n= l,2,3n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n越大，A/D转换的时间越长。因此，一般取Tl=100ms，即f040KHz 。 由T0=2RC105=2.2RC，得 式中T0为振荡周期。 由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。上式说明，在Tl固定条件下V0与Vl成正比。 第三阶段：反向积分DE 令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分7、 电路的安装与调试按照测量正负199.9mV来说明： 1).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）。 2).要牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是DS5V。第36脚是基准电压，正确数值是100mV,第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是 负的，在-3V至-5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入正、负199。9V的电压，在一开始，可以把它接地，造成“0“信号输入，以方便测试。 3）.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。 4）.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，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。-本文不讨论特殊要求。 6）.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。如果差别带大，恶意微调一下36脚的电压。 7）.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。 8）.ICL7107也经常使用在正、负199.9V量程。这时候芯片27、28、29引脚的元件数值，更换0.22皮法、470千欧、0.047皮法阻容网络，并且把36脚基准调到1.000V就可以使用在正、负1.999V量程了。8、 总电路原理图9、 实践总结与心得通过此次三位半数字电压表的设计，在总结交流中发现组员们对数字电子技术和模拟电子技术这两门课在宽度和深度方面有了新的见解。设计中，从多量程问题的解决到A/D转换的模块选用芯片问题的解决，再到最后显示模块的选择问题的解决，组员们通过这些实践实现了在实践中检验真理的飞跃。在芯片选择方面，我组进行了大量的资料查阅和搜集工作，在比较之后选用了ICL7107这一芯片，通过讨论我们认为这种高级集成度的芯片将是将来芯片发展的方向，这样的讨论总结使得我们对将来关注的方向有了初