ICL7106数字万用表设计

-.z.ICL7106设计题目：专业：班级：：**：分数：2013年12月15-.z.摘要：数字万用表是由数字电压表配上相应的功能转换电路构成的，它可对交、直流电压，交、直流电流，电阻，电容以及频率等多种参数进行直接测量。本文主要通过对现有通用数字万用表的测量理论和实现电路的研究，详细分析了直流电压、直流电流、交流电压、直流电阻的测量理论和实现电路，研究了模拟量转变为数字量的误差问题，详细阐述了现有通用数字万用表测电压的误差问题，设计出1种数字万用表的测量电路——由ICL 7106构成的31/2位自动量程数字万用表电路。此电路量程广，并且具有手动/自动量程两种模式和读数保持、相对值测量、蜂鸣器驱动等功能，能显示超量程、负极性、低电压指示符以及各种标志符（含单位符号），并且功耗小。关键字：数字万用表；模拟量；数字量；A/D转换目录摘要：2第1章绪论21.1数字万用表的主要特点21.2万用表发展趋势2第2章数字万用表总体设计方案22.1数字万用表的基本原理22.2系统设计方案22.3ICL7106介绍22.3.1ICL7106简介22.3.2ICL7106管脚排列22.3.3ICL7106数字电路2第3章智能型数字式多用表硬件设计23.1A/D转换电路23.2ICL7106各测量电路2直流电压测量电路2交流电压测量电路2直流电流测量电路2电阻测量电路2二极管测试电路23.3数字万用表原理图2第4章用数字万用表的检测24.1测量电压24.2测电流24.3测电阻24.4测二极管24.5注意事项2-.z.第1章绪论随着微电子技术的高速发展，单片机的功能集成化，智能仪器也发展到了一个新的阶段。现在，单片机外围电路正朝着单片集成化、数字化、智能化、网络化、多功能、微功耗、高可靠性的方向发展。单片机与单片系统、智能传感器、网络通信等高新技术的融合，必将成为21世纪新的经济增长点。计算机技术及微电子器件在测量技术中的广泛应用，使智能仪器在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面有了巨大的发展。本设计是基于MA*IM公司生产的数字万用表专控芯片MA*134设计的智能43/4位数字万用表。数字万用表亦称数字多用表（DMM），其主要特点是显示直观、读数准确、准确度高、分辨力强、功能完善、性能稳定、过载能力强、耗电省、体积小、易于携带。近年来，数字万用表迅速发展，无论是便携式，还是台式万用表在精度、功能和性能上都有较大的提高。现在33/4位便携式数字万用表和41/2位便携式数字万用表已经成为主流；台式万用表的发展速度更快，已经有几家公司推出单片集成方案，使台式万用表的性能更高、功能更强，价格更加合理。近年来，我国对智能仪器的研究，无论在生产、科研等方面都取得了很大的进展，但是由于我国发展起步晚，我国现在所用的测量工具都基本上是31/2位的数字表。1.1数字万用表的主要特点数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的数字形式并加以显示的仪表。智能化数字万用表则是大规模集成电路(LSI)、数显技术、计算机技术及自动测试技术(ATE)的结晶。通过对DVM的扩展，即可形成数字多用表DDMDMM(DigitalMultimeter)。因此，数字万用表的功能是电压表上的扩展。数字万用表主要有一下特点：1显示清晰，直观，读数准确传统的模拟式万用表必须借助于指针和刻度来进行读数，在读数过程中不可避免地会引入认为的测量误差(例如视差)，并且还容易造成视觉疲劳。数字电压表则采用先进的数显技术，使显示结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的。不仅保证了读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读数和记录的时间。新型数字万用表在数显的基础上增加了显示各种标志符的功能，便于读数，又对操作人员给予明显提示。2显示位数显示位数通常为21/2位~81/2位.具体讲，有21/2位、3位、31/2位、32/3位、33/4位、4位、41/2位、43/4位、5位、51/2位、6位、61/2位、71/2位、81/2位共14种。国外最近还推出了83/4位和101/2位数字仪表。定数字仪表的位数有两条原则：①能显示从0~9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字位分子，用满量程时最高位数字为分母.例如，*数字仪表的最大显示值为±19999，满量程计数值为20000,这表明该仪表有4个整数位，而分数位的分子为1，分母为2，故为41/2位，读作四位半，其最高位只能显示0或1。3准确度高字电压表的准确度是测量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，也反映测量误差的大小。一般讲准确度愈高，测量误差愈小，反之亦然。准确度的公式有三种表述方式：①准确度＝±（a%RDG+b%FS）②准确度＝±（a％RDG+n个字）③准确度＝±（a%RDG+b％FS+n个字）式①中，RDG为读数值（即显示值），FS表示满度值。括号中前一项代表A/D转换器和功能转换器的综合误差，后一项是由于数字化处理而带来的误差。②式中，n是量化误差，反映在末位数字上的变化量。若把n个字的误差折合成满量程的百分数，即变成式①，③式比较特殊，应用面较窄。43/4位万用表将使用②式来表示准确度。4分辨力高数字万用表在最低电压量程末位1个字所对应的电压值，称作仪表的分辨力。它反映出仪表灵敏度的高低。43/4位的DVM的最高分辨力为10μV1.2万用表发展趋势90年代以来，数字万用表正处于蓬勃发展的新时期,突出表现在新技术不断涌现,新工艺被广泛采用,新产品层出不穷。1广泛采用新技术，不断开发新产品电子技术的进步，往往预示着数字万用表研制水平的新突破，近年来，各项新技术愈来愈普遍采用，并且迅速转化为生产力。2广泛采用新工艺新一代的数字万用表正朝着标准模块化的方向发展。电子模块又称为电子功能组件，简称模块。它是采用微电子技术和微型电子元器件，按插件组装成一体，能完成*一种特定的功能的商品化部件。现在，数字万用表的单元电路已基本上被标准化，通用化，系统化的模块取代。3单片大规模和超大规模集成电路的采用1）带微处理器的单片51/2位A/D转换器2）专配微处理器的43/4位DMM集成电路3）ASIC产品的应用A*133/134是美国最大集成电路公司最新研制的专配微处理器的DMM芯片。它们配上4位或8位或16位微处理器,即可构成具有高性价比的43/4位或33/4位智能数字万用表。4计算机模块化仪器与虚拟仪器的发展5安全性能的提高第2章数字万用表总体设计方案2.1数字万用表的基本原理原理：该系统采用ICL7106、四个共阴极LED数码管，ICL7106部包括模拟电路（即双积分A/D转换器）、数字电路两大部分。输入电压经量程转换进入ICL7106进行A/D转换，通过单片机在数码器上显示。ICL7106只有液晶笔段及背电极驱动，没有小数点驱动端。为显示小数点，需另加外围电路。原理框图：2.2系统设计方案首先以A/D转换器(ICL7106)为核心，设计一个多档的直流电压测量电路，再在此基础上对电路进行扩展,使其能多量程的测量交流电压、直流电流和电阻的测量电路。然后通过单片机编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理，实现对直流电压、交流电压、直流电流和电阻测量对象切换；手动和自动量程转换等功能,并将测量数据转换为人们日常习惯的十进制数字形式显示在LED显示器上。所以本设计可以分为直流电压测量电路；交流/直流转换电路；电流/电压转换电路；电阻/电压转换电路；功能控制和数据显示电路这五个的主要电路模块。2.3ICL7106介绍2.3.1ICL7106简介ICL7106是高性能，低功耗的三位半A/D转换器电路。它包含有七段译码管、显示驱动器、参考源和时钟系统。ICL7106含有一背电极驱动线，适用于液晶显示（LCD）。ICL7106将高精度，通用性和真正的低成本很好地结合在一起，它有地狱10μV的自动校零功能，零小于1μv/C，地狱10PA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中很有用。2.3.2ICL7106管脚排列2.3.3ICL7106数字电路第3章智能型数字式多用表硬件设计3.1A/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。所以我依据设计性能指标要求，并综合A/D转换器的性能指标和价格选择了ICL7106和MC14433这两个A/D转换器作为候选芯片。ICL7106的输入阻抗为1010Ω，转换速率为0.1-15次/s，转换准确度为±0.05%±1个字；MC14433的输入阻抗为109Ω，转换速率为3-10次/s，转换准确度为±0.05%±1个字，因此这两块芯片的性能指标大大超过设计要求的性能指标。采用ICL7106。ICL7106是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟电路与数字电路集成在一个有40个功能端的电路，所以只需外接少量元件就可组成一个31/2位数字电压表。但是ICL7106是以静态方式驱动LCD转换器，无BCD码输出端，因此不能直接获得降量程信号。AD转换原理图：A/D转换器是数字万用表的关键电路，从根本上决定了数字万用表的整体性能。A/D转换器基本工作原理是把一个数量上连续变换的模拟量转换为一个数量上离散变换的数字量。数字万用表常采用双积分式的A/D转换器，它把输入模拟电压与参考电压作比较，通过两次积分过程转换为两个时间间隔的比较，由此将模拟电压转换为与其平均值成正比的时间间隔，然后用时钟脉冲计数器测量这一时间间隔，所得的计数值即为A/D转换结果。3.2ICL7106各测量电路直流电压测量电路直流电压的测量：将万用表的一个转换开关置于交、直流电压挡，另一个转换开关置于直流电压的合适量程上，且“+”表笔（红表笔）接到高电位处，“-”表笔（黑表笔）接到低电位处，即让电流从“+”表笔流入，从“-”表笔流出。若表笔接反，表头指针会反方向偏转，容易撞弯指针.交流电压测量电路电路主要包括两部分：电阻分压器、AC/DC转换器。为降低成本，与DCV档共用一套分压电阻。AC/DC转换器具有平均值响应，利用双运放TL062其中的一组运放和二极管D7、、D8构成线性半波整流器。C1是输入耦合电容，D5、D6、D11、D12作运放输入端过压保护，C5和C2为隔直电容。R23是运放的负反馈电阻，用以稳定工作点。C4为频率补偿电容。D8是半波整流二极管，D7为保护二极管，给反向电流提供通路。其工作原理是：在输入信号的正半周时，D8导通，D7截止，IC2a输出电流流向为IC2a→C5→D8→R25→R27→RP4→（模拟地）；负半周时流向为→RP4→RP27→R24→D7→C5→IC2a。从原理上讲，这属于半波整流电路。由R25、R27、RP4构成分压电路，调整RP4可改变输出电压，供校准交流电压档用。R26和C6为平滑滤波器，获得平均值电压V0。该电路有三个特点：第一，当输入交流电压为零时，V0亦等于零；第二，IC接成同相放大器使用，以提高其输入阻抗；第三，由于IC2a的放大作用，即使输入信号较弱，也能保证D8在较强信号下工作，从而避免了二极管在小信号检波时引时的非线性失真。直流电流测量电路根据欧姆定理，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。如图，由于r<<R，取样电阻R上的电压降为Ui=IiR即被测电流Ii=Ui/R若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻（也称分流电阻）为R=U0/I0电阻测量电路由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻R0和被测电阻R*的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。所以A/D转换器的参考电压URFE和输入电压UIN有如下关系：URFE/UIN=R0/R*即R*=(UIN/URFE)/R0二极管测试电路3.3数字万用表原理图第4章用数字万用表的检测4.1测量电压测量电压(或电流)时要选择好量程，如果用小量程去测量大电压，则会有烧表的危险；如果用大量程去测量小电压，则指针偏转太小，无法读数。量程的选择应尽量使指针偏转到满刻度的2/3左右。如果事先不清楚被测电压的大小时，应先选择最高量程挡，然后逐渐减小到合适的量程。交流电压的测量：将万用表的一个转换开关置于交、直流电压挡，另一个转换开关置于交流电压的合适量程上，万用表两表笔和被测电路或负载并联即可。直流电压的测量：将万用表的一个转换开关置于交、直流电压挡，另一个转换开关置于直流电压的合适量程上，且“+”表笔(红表笔)接到高电位处，“-”表笔(黑表笔)接到低电位处，即让电流从“+”表笔流入，从“-”表笔流出。若表笔接反，表头指针会反方向偏转，容易撞弯指针。4.2测电流测量直流电流时，将万用表的一个转换开关置于直流电流挡，另一个转换开关置于50uA到500mA的合适量程上，电流的量程选择和读数方法与电压一样。测量时必须先断开电路，然后按照电流从“+”到“-”的方向，将万用表串联到被测电路中，即电流从红表笔流入，从黑表笔流出。如果误将万用表与负载并联，则因表头的阻很小，会造成短路烧毁仪表。其读数方法如下：实际值＝指示值×量程/满偏4.3测电阻用万用表测量电阻时，应按下列方法*作：机械调零。在使用之前，应该先调节指针定位螺丝使电流示数为零，避免不必要的误差。选择合适的倍率挡。万用表欧姆挡的刻度线是不均匀的，所以倍率挡的选择应使指针停留在刻度线较稀的部分为宜，且指针越接近刻度尺的中间，读数越准确。一般情况下，应使指针指在刻度尺的1/3~2/3间。欧姆调零。测量电阻之前，应将2个表笔短接，同时调节“欧姆(电气)调零旋钮”，使指针刚好指在欧姆刻度线右边的零位。如果指针不能调到零位，说明电池电压不足或仪表部有问题。并且每换一次倍率挡，都要再次进行欧姆调零，以保证测量准确。读数：表头的读数乘以倍率，就是所测电阻的电阻值。4.4测二极管连接黑色测试棒到“”端。连接红色测试棒到“VΩmA”端。如果被测二极管是连接在电路中，应切断被测电路中的电源并将所有电容放电。设置量程开关到“”位置。正向电压测量，连接红色测试棒到被测二极管正极，连接黑色测试棒到被测二极管负极，对于硅管，正向电压应在450~750mV之间。反向电压测量，连接红色测试棒到被测二极管负极，连接黑色测试棒到被测二极管正极，如果二极管是好的，应显示超量程，如果二极管是坏的，将