1、電子技術課程設計 電子信息工程1班信息與電氣工程學院課程設計說明書（2009/2010 學年 第二學期）課程名稱 ： 電子技術課程設計 題 目 ： 自動轉換量程數字電壓表 專業班級 ： 學生姓名 ： 學 號： 指導教師 ： 設計周數 ： 一個星期 設計成績 ： 2010 年 7 月 1 日目 錄一、 摘要3二、 設計任務與要求32.1、設計目的32.2、設計要求3三、方案設計與論證4四、單元電路設計與參數計算和器件選擇44.1芯片inc7107部分44.2電壓顯示電路74.3、自動轉換量程開關電路74.4關于多量程電路部分8五、總框圖和原理圖135.1總框圖135.2設計原理135.3總原理圖

2、14六、結論與心得15七、參考文獻15自動轉換量程電壓表一、摘要數字電壓表（digital voltmeter）簡稱dvm，它是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。目前，由各種單片a/d 轉換器構成的數字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業自動化儀表、自動測試系統等領域，顯示出強大的生命力。與此同時，由dvm擴展而成的各種通用及專用數字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。本章重點介紹單片a/d 轉換器以及由它構成的自動轉換量程電壓表的工作原理。 數字電壓表具有以下九大特點：1. 顯示清晰直觀，讀數準確2. 準確度高3

3、. 分辨率高4. 測量范圍寬5. 擴展能力強6. 測量速率快7輸入阻抗高8. 集成度高，微功耗9. 抗干擾能力強 二、設計任務與要求2.1、設計目的；1、了解雙積分式a / d轉換器的工作原理2、熟悉a / d轉換器icl7107的性能及其引腳功能3、掌握用icl7107構成直流數字電壓表的方法2.2、設計要求；1、設計一個自動轉換量程數字電壓表電路。2、測量范圍：直流電壓0v2v，0v20v，0v200 v。3、組裝調試數字電壓表。4、畫出自動轉換量程數字電壓表電路原理圖，寫出實驗報告。三、方案設計與論證設計要求電壓表能夠轉換02v，020v，0200v三個電壓測量范圍，進行電壓檔的自動轉換

4、，因此設計電路使其實現其功能。選擇icl7106，icl7107，mc14433芯片可以將模擬信號轉化為數字電路，然后外接數碼管從而顯示數字。方案1：主要器件由芯片icl7107和共陽極半導體數碼管led和自動轉換量程開關電路組成。 關鍵詞：a/d轉換器芯片icl7107 共陽極半導體數碼管led 自動轉換量程開關電路由自動轉換量程開關電路接入輸入信號，然后進入ilc7107，外接顯示數碼管，顯示輸入電壓。方案2：主要器件由芯片icl7106和液晶顯示器lcd自動轉換開關電路組成。 關鍵詞：芯片icl7106 液晶顯示器lcd 自動轉換開關電路方案實現過程同上所述,只需要換液晶顯示器lcd,不

5、易實現.方案3：選用單片機at89s52和a/d轉換芯片adc0809實現電壓的轉換和控制，用四位數碼管從而顯示出最后的轉換電壓結果。缺點是價格稍貴；優點是轉換精度高，且轉換的過程和控制、顯示部分可以控制。基于課程設計要求，采用方案一四、單元電路設計與參數計算和器件選擇單元電路設計4.1芯片inc7107部分icl7107內部包括模擬電路和數字電路兩大部分，二者是互相聯系的。一方面由控制邏輯產生控制信號，按規定時序將多路模擬開關接通或斷開，保證a/d 轉換正常進行；另一方面模擬電路中的比較器輸出信號又控制著數字電路的工作狀態和顯示結果。下面介紹各部分的工作原理。4.1.1模擬電路模擬電路由雙積

6、分式a/d轉換器構成，電路如圖2所示。主要包括2.8v基準電壓 圖1 icl7107的模擬電路源（e0）、緩沖器（a1）、積分器（a2）、比較器（a3）和模擬開關等組成。緩沖器a4專門用來提高com端帶負載的能力，可謂設計數字多用表的電阻擋、二極管擋和hfe擋提供便利條件。這種轉換器具有轉換準確度高、抗串模干擾能力強、電路簡單、成本低等優點，適合做低速模數轉換。每個轉換周期分三個階段進行：自動調零（az）、正向積分（int）、反向積分（de），并按照azintdeaz的順序進行循環。令計數脈沖的周期為tcp，每個測量周期共需4000tcp。其中，正向積分時間固定不變，t11000tcp。儀表顯

7、示值,將t11000tcp，uref100.0mv代入上式得 只要把小數點定在十位上，即可直讀結果。滿量程時n2000，此時um2uref200mv，儀表顯示超量程符號“1”。 欲測量2v以上的直流電壓，必須利用精密電阻分壓器對uin進行衰減。積分電阻應采用金屬膜電阻，積分電容宜選絕緣性好、介質吸收系數小的聚苯乙烯電容或聚丙烯電容。為了提高儀表抗串模干擾的能力，正向積分時間（亦稱采樣時間）t1應是工頻周期的整倍數。我國采用50hz交流電網，其周期為20ms，應選 式中，n1，2，3，。例如取n2、4、5時，t140ms、80ms、100ms，能有效地抑制50hz干擾。這是因為積分過程有取平均的

8、作用，只要干擾電壓的平均值為零，就不影響積分器輸出。但n值也不宜過大，以免測量速率太低。 圖2 icl7107外圍電路圖4.1.2數字電路 數字電路如圖4所示。主要包括8個單元：時鐘振蕩器；分頻器；計數器；鎖存器；譯碼器；異或門相位驅動器；控制邏輯；lcd顯示器。時鐘振蕩器由icl7106內部反相器f1、f2以及外部阻容元件r、c組成。若取r120k，c100pf，則f040khz。f0經過4分頻后得到計數頻率fcp10khz，即tcp0.1ms。此時測量周期t16000t04000tcp0.4s，測量速率為2.5次秒。f0還經過800分頻， 圖3 icl7107的數字電路得到50hz方波電壓

9、，接lcd的背電極bp。lcd須采用交流驅動方式，當筆段電極ag與背電極bp呈等電位時不顯示，當二者存在一定的相位差時，液晶才顯示。因此，可將兩個頻率與幅度相同而相位相反的方波電壓，分別加至某個筆段引出端與bp端之間，利用二者電位差來驅動該筆段顯示。驅動電路采用異或門。其特點是當兩個輸入端的狀態相異時（一個為高電平，另一個為低電平），輸出為高電平；反之輸出低電平。4.2電壓顯示電路：設計中采用的是4段led數碼管用來顯示電壓值。led具有耗電低、亮度高、視角大、線路簡單、耐震及壽命長等優點，它由4個發光二極管組成，其中3個按8字型排列，另一個發光二極管為圓點形狀，位于右下角，常用于顯示小數點。

10、把4個發光二極管連在一起，公共端接高電平，叫做共陽極接法，相反，公共端接低電平的叫做共陰極接法，我們采用共陽極接法。當發光二極管導通時，相應的一段筆畫或點就發亮，從而形成不同的發光字符。其8段分別命名為dp g f e d c b a。例如，要顯示“0”，則dp g f e d c b a分別為：11000000b；若要顯示多個數字，只要讓若干個數碼管的編碼為低電平就可以了。右圖是數碼管的結構圖 圖4 led顯示部分連接4.3、自動轉換量程開關電路運用六個比較器將輸入電壓的分量分為三段進行比較，分別從三個傳輸門通過，有且只有一路信號通過，從而達到自動轉換量程的作用。圖5 自動轉換開關電路自動轉

11、換開關電路的真值表如下：集成電路輸出真值表v+02v220v20200v集成運放的輸出010111011110111010表1邏輯與之后的真值表v+02v220v20200v 輸出001010100表24.4關于多量程電路部分也有許多場合，希望數字電壓表(數字面板表)的量程大一些，那么，只需要更改 2 只元器件的數值，就可以實現量程為 2.000v 了。更改的元器件具體位置和數值見圖6的 28 和 29 兩只引腳： 圖6 在有了一只數字電壓表(數字面板表)之后，按照下面的圖示，給它配置一組分流電阻，就可以實現多量程數字電流表，分檔從 200ua 到 20a 。但是要注意：在使用 20a 大電流

12、檔的時候，不能再有開關來切換量程，應該專門配置一只測量插孔，以防燒毀切換開關。 圖7利用數字電壓表做成的多量程電阻表，采用的是“比例法”測量，因此，它比起指針萬用表的電阻測量來具有非常準確的精度，而且耗電很小，下圖示中所配 置的一組電阻就叫“基準電阻”，就是通過切換各個接點得到不同的基準電阻值，再由 vref 電壓與被測電阻上得到的 vin 電壓進行“比例讀數”，當 vref vin 時，顯示就是 vin/vref*1000=1000 ，按照需要點亮屏幕上的小數點，就可以直接讀出被測電阻的阻值來了。在產品數字萬用表中，為了節省成本和簡化電路，測量電流的分流電阻和測量電壓的分壓電阻以及測量電阻的

13、基準電阻往往就是同一組電阻。這里不討論數字萬用表的電路，僅僅是幫助讀者在單獨需要使用某種功能時，可以有一定的參考作用。下圖是一個最簡單的 10 倍放大電路，運算放大器使用的是精度比較高的 op07 ，利用它，可以把 0200mv 的電壓放大到 02.000v。在使用的數字電壓表量程為 2.000v 時，（例如 icl7135 組成的 41/2 數字電壓表，基本量程就是 2.000v。）特別有用。如果把它應用在基本量程為 200.0mv 的數字電壓表上，就相當于把分辨力提高了 10 倍，在一些測量領域中，傳感器的信號往往覺得太小了，這時，可以考慮在數字電壓表前面加上這種放大器來提高分辨力。參數計

14、算單元電路1的原件參數是芯片本身規定如上圖所示，單元電路3的原件參數計算如下：計算的電阻有12個：r11 r12 r13 r14；ro1 ro2 ro3 ro4；r2 r2_1 r2_2 r2_3。vcc=12v（1） 比較器的參照電壓部分的分壓（r11 r12 r13 r14之間的分壓）v11=r11(r11+r12+r13+r14)v+ (4-3)v12=r11+r12(r11+r12+r13+r14)v+ (4-4)v13=r11+r12+r13(r11+r12+r13+r14)v+ (4-5) （2） 模擬量輸入的降壓電路 vi1=ro1(ro1+ro2)v+ (4-6) 圖8（3）

15、模擬量輸入的降壓電路2 vi1=ro1(ro1+ro2)v+ (4-7) ro3 ro4分壓后的電壓為（1/10）v+ro3=100 ; ro4=900r2為保護電阻（900歐）r2_1 =9m r2_2=900k r2_3=1000kl 器件選擇數模轉換器（a/的）：ilc7107芯片；氣段共陽極led顯示器；開關選擇電路進行自動電壓轉換（集成運算放大器：lm339 與非門：74ls00 非門：cmos4011 傳輸門：tg4066）元件清單類別代號型號（參數）數量數碼管ds1ds4dpy4電阻r147k1r29001r315k1r41k1r5100k1r61k1r111k1r129k1r1

16、390k1r1420k1ro11001ro21.9k1ro31001ro49001r2_19m1r2_2900k1rwf10k1集成電路c31ac36alm3396u1ilc7107cpl1與門u11au13a74ls003非門u14au16acm40113傳輸門u11au11cmc14066b3電容c10.02uf1c20.47uf1c3103f1c4104f1c510uf1三極管dtl4311表3五、總框圖和原理圖5.1總框圖本文設計的電壓表是一個3位半直流電壓測量的數字式電壓表，測量范圍為直流02v、020v、0200v，共3個量程。電壓值顯示穩定，讀數方便，能自動切換量程，使用方便。總

17、框圖如下。本系統可分為測試電壓轉換、模擬電壓通道、數據電壓通道（a/d 轉換及譯碼鎖存）、數碼顯示3部分。待測電壓自動轉換數據電壓通道數碼顯示 圖9 框圖5.2設計原理(1) 雙積分型a/d轉換器icl7107是一種間接a/d轉換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用脈沖時間間隔，進而得出相應的數字性輸出。它包括積分器、比較器、計數器，控制邏輯和時鐘信號源。 計數器對反向積分過程的時鐘脈沖進行計數。控制邏輯包括分頻器、譯碼器、相位驅動器、控制器和鎖存器。 分頻器用來對時鐘脈沖逐漸分頻，得到所需的計數脈沖和共陽極led數碼管公共電

18、極所需的方波信號。 譯碼器為bcd-7段譯碼器，將計數器的bcd碼譯成led數碼管七段筆畫組成數字的相應編碼。 驅動器是將譯碼器輸出對應于共陽極數碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅動相應筆畫的方波。控制器的作用有三個：第一，識別積分器的工作狀態，適時發出控制信號，使各模擬開關接通或斷開，a/d轉換器能循環進行。第二，識別輸入電壓極性，控制led數碼管的負號顯示。第二，當輸入電壓超量限時發出溢出信號，使千位顯示“1 ，其余碼全部熄滅。 鎖存器用來存放a/d轉換的結果，鎖存器的輸出經譯碼器后驅動led 。它的每個測量周期自動調零（az）、信號積分（int）和反向積分（de）三個階ilc7107的結構電路

19、圖如右圖ilc7107各個引腳的功能如下(1)1腳是供電，正確電壓是直流5v 。(2)26 引腳是負電源引腳，正確電壓數值是負的，在 3v 至 5v 都認為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。27,28,29 引腳的元件數值，它們是 0.22uf,47k,0.47uf 阻容網絡，這三個元件屬于芯片工作的積分網絡，不能使用磁片電容。(3)31引腳是信號輸入引腳，可以輸入 199.9mv 的電壓。在一開始，可以把它接地，造成零信號輸入，以方便測試。(4)33 和 34 腳所接的 104pf 電容也不能使用磁片電容。(5)接地引腳：芯片的電源地是 21 腳，模擬地是 32 腳，使用時一般與輸入信號的負端,以及基準電壓的負極相連。信號地是 30 腳，基準地是 35 腳，通常使用情況下，這些引腳都接地，在一些有特殊要求的應用中（例如測量電阻或者比例測量），30 腳或 35 腳就可能不接地而是按照需要接到其他電壓上。az：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調零電容（29腳）caz 。如果應用在200mv滿刻度的