数字电压表课程设计.docx

数字电压表课程设计报告

姓名：刘毛
学号：0628401045
年级专业：06通信工程
指导老师：陈雪勤

课程设计数字电压表设计总结报告
摘要
本课程设计是要求用 MF53-1型直热式负温度系数热敏电阻器和低噪声高精度运算放大器OP07CP组成的温度测量电路将温度的度数（非电量）转换成电量，即利用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，再将此电信号（此处为电压信号）作为输入信号，输入利用ICL7135制作的位数字电压表中。通过集成化双积分A/D转换器ICL7135对输入电压信号进行模数转换，将得到的数字信号经过74LS74BCD码／七段码译码器，转换成控制共阳极LED数码管发光的信号，再通过数码管7段LED和部分常用电路部件将输入电压值显示出来。
关键词：MF53-1 OP07CP ICL7135 74LS74 7段LED

目录

1 设计目的和要求……………………………………………………
2 整体电路原理
2．1 数字温度计原理框图……………………………………………
2．2 数字温度计电路原理图…………………………………………
3 硬件设计及原理说明
3．1 ICl7135型集成双积分式A/D转换原理与特性…………
3．2 七段数码显示管……………………………………………
3．3 三极管………………………………………………………
3．4 BCD七段显示译码器SN74LS47……………………………
3．5 六反相器CD4069………………………………………
3．6 精密稳压源MC1403………………………
3. 7 低噪声高精度元素放大器OP07CP………………………
3. 8 MF53-1型直热式负温度系数热敏电阻器………
4.设计安装过程……………………………………………………
5 调试过程……………………………………………………
6 实现功能……………………………………………………
7 设计小结与心得……………………………………………………
8 附元器件清单…………

1．目的和要求：
要求用 MF53-1型直热式负温度系数热敏电阻器和低噪声高精度运算放大器OP07CP组成的温度测量电路将温度的度数（非电量）转换成电量，即利用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，再将此电信号（此处为电压信号）作为输入信号，输入利用ICL7135制作的位数字电压表中。要求掌握MF53-1型直热式负温度系数热敏电阻器和低噪声高精度运算放大器OP07CP组成的温度测量电路的工作原理，掌握双积分A/D转换器的工作原理，掌握集成化双积分A/D转换器ICL7135、数码管数字显示和部分常用器件的正确使用方法。学会电子元器件的焊接方法，掌握模拟电路、数字电路的基本调试方法，分析常见故障的原因，并及时排除故障。
注：数字电压表部分的基本量程：0V～+2V。另需提供+5，-5V直流电源供电。
2．整体电路原理框图和原理图：
2．1 数字温度计原理框图见图1

测温电路
MF53-1 OP07CP

被测物温度 被测信号（电压信号）

2．2 数字温度计电路原理图见图2

3.硬件设计及各模块原理说明
3．1 ICl7135型集成双积分式A／D转换原理与特性
模数转换模块。采用ICL7135芯片。
ICL7135双积分式A／D转换器是在单极性参考电压(VR=+1V)供给之下， 对双极性输入的模拟电压进行A／D转换，并输出自动极性判别信号。它采 用了自动校零技术，可保证零点常温下的长期稳定性，零点漂移的温度系数 ＜2μV／℃。模拟输入可以是差动信号，输入电阻极高，输入端零点漏电流 ＜10pA。
ICL7135单片集成A／D转换器采用28脚双列直插式封装，它的引出脚 排列如图3所示

图3

ICL7135的电源采用双电源+5V、-5V(极限值+6V、-6V)，分别由11脚和 1脚引入。电源的公共端接至DGND(24脚)。让所有的模拟信号地与AGND(3 脚)相连接，最后用一根连线与DGND相接。采用模拟地与数字地分开，并以 一点相通，可避免由于连接线的寄生耦合作用而引起误差或者跳字。参考电 压VR正端从2脚引入，负端接AGND。参考电压贮存电容CR一般选取1μF， 接在7、8两脚。
差动输入模拟信号从9、10两脚引入。如果允许模拟信号源的公共端与 A／D转换器电源公共端相通，则此端可与AGND相接。系统所需要的时钟信 号从22脚输入，如果确定采样阶段T1＝80us，则fcp=125kHz，以满足对50Hz 工频干扰信号有较大的抑制能力的要求。
B8、B4、B2、B1是BCD码输出端。D5、D4、D3、D2、D1是字位扫描同步信号 输出端。ICL7135采用动态字位扫描BCD码输出的方式，也就是说，万、千、 百、十、个各字位的BCD码轮流地在B8、B4、B2、B1端上出现，并在D5～D1 各端上同步出现字位选通脉冲。它们配合起来，就可以组成多种形式的数据 输出电路，以供显示或计算机系统采集数据之用。

数据输出电路的接法可以有多种形式。这里仅以一种字位单量程数 字电压表(单板表)电路为例说明它的组成法。其电路如图4所示。

图4

ICL7135之B8、B4、B2、B1各端送出的BCD码，经过7447BCD码／七段码 译码器，转换成控制共阳极LED数码管发光的信号。这五个数字管的各对应 笔段(发光二极管的阴极)皆并联相接，也就是说，一组BCD码输出，这五个 数字管都有可能显示对应的数字。但是，究竟显示的是哪个字位，还决定于 T5～T1中哪一个开关管导通，形成电流的通路。由于T5～T1受D5～D1各端控 制，所以字位扫描信号就决定了数字管由高位到低位分时扫描显示。ICl7135 发送数据B8、B4、B2、B1和字位控制是同步的，不会发生错乱，因为扫描的 速度很快，在fcp＝125kHz情况下，刷新速率达125Hz，所以人的视觉上不会 感到显示的数在闪烁。当“万”位数字对应0时，这种数字管就无法显示“0” 了，必须改成不显示数字，只显示极性。因此，每当扫描到“万”字位时， 应使74LS47只准0001输入时输出对应的七段码，而遇到0000码输入时， 使数字管不发光。74LS47逻辑设计上巳考虑到此功能要求，它设有RBI端。 当RBI端输入0电平时，它只能输出除0以外的数 字所对应的七段码，实 现了“1”可显示，“0”不发光的要求；当RBI端输入1电平时，则包括“0” 的内在任何数字都可显示。因此，电路中利用D5 端信号经倒相后再去控 制74LS47的RBI端，就可满足上述对“万”字位的控制要求。

ICL7135的极性号POL(23脚)输出：1电平表示被测模拟信号为“+”，0 电平表示被测模拟信号为“-”。它的输出控制着开关管T5的通、断，从而使 极性号的“”段发光(显示“+”)或者不发光(显示“-”，因为“-”段常亮)。 除了以上这些主要的输入、输出端外，ICL7135还设置了过量程信号输出端 OR(27脚) 和欠量程信号输出端UR(28脚)。有这两个信号的输出可更方便地 组成自动量程控制电路，使数字电压表的自动化程度更高。当量程合适时， 即显示数在20 000与1800之间，OR端和UR端均输出不变化的0电平。当 输入模拟量超过或者低于合适量程时，OR端或者UR端就会出现1电平。在 过量程情况下，还同时发生显示数自动闪光报警。BUSY端(21脚)输出的正 脉冲信号，不仅表示转换系统正处于工作阶段，而且还可把它看作为以脉冲 宽度表示的转换结果，便于远距离传送。端(25脚)为自动转换／停顿控 制，悬空状态时电路自行产生1电平，按自动转换方式工作。端外接0 电平时，在本次转换完成后系统即转入停顿状态，显示值保持不变，直至 端恢复1电平。剩下的一个输出端是ST(26脚)，它是字位扫描同步信号的 串行脉冲输出端，亦称选通信号。在一次转换周期中，它只包含五个负脉冲， 位置如图3-28所示。此信号主要用于微机系统接口。如果系统中不需使用 OR、UR、BUSY、以及ST信号，这些端均可悬空不接。
3．2 七段数码显示管
数码管显示模块。采用DPY7-SEG显示管
数码管引脚图见图5：

图5
采用高亮共阳数码管MTS5101BSR，共有七段，可显示数字0~9。

3．3 三极管
提供开关电源。采用9013三极管。
三极管的引脚图见图6：

图6

三极管有三个管脚，分别是发射极e，基极b，集电极c。本实验采 用NPN三极管C9013(7)，当Vbe大于0.5V时，be间的PN结导通，因此 三极管可用作开关，控制数码管的COM管脚来控制数
3．4 BCD七段显示译码器SN74LS47N
数码管驱动。采用74LS74芯片。

74LS47的引脚图见图7：

图7

74LS47七段显示译码器可将7135输出的数据转换成对应的代码经 数码显示管 输出，其对应的真值表见图8：

图8
3．5 六反相器CD4069
时钟信号模块。采用MCI4069UB芯片。

本实验中利用反向器和电阻电容构成振荡电路，为ICL7135芯片提供一定频率的CLK信号。

反相器CD4069真值表见表1：
A
Y
0
1
1
0

3．6 精密稳压源MC1403
基准电压模块。采用精密稳压稳MC1403。
图2
温压电源LM336管脚2和3之间输出电压恒定在2.5V，1脚悬空。测试前调节10K电位器使中间抽头输出电压为1V，提供7135正常工作所需的标准电压。其电路连接图如图10：
3. 7 低噪声高精度运算放大器OP07CP

3. 8 MF53-1型直热式负温度系数热敏电阻器
  主要适用于远距离多点位温度、湿度的测量和控制系统作感温元件，也适用于厂房、宾馆的空气调节；油库、仓库的火警预报；铁路、桥梁地温的监视；矿山、煤井的温度测量和控制等方面作感温元件。
    在+70°C下的阻值随时间变化特性见图，经可靠性试验，失效率为4.5X10-8/h，其失效判据：

    ⑴ 外观端封开裂
    ⑵ 室温阻值变化△R/R≥±2%
    ⑶ B值变化△B/B≥±1%

★ 外形结构和尺寸：

4．设计安装的过程：
以提供基准电压的模块产生的1V基准电压经ICL7135芯片的2，3脚接入；被测电压信号经ICL7135芯片10，9脚接入；系统所需要的时钟信号从22脚输入，时钟信号由4069接电阻、电容震荡产生；参考电压贮存电容CR一般选取1μF，接在7、8两脚；B8、B4、B2、B1是BCD码输出端，并在D5～D1各端上同步出现字位选通脉冲，它们配合74LS74驱动及7段数码管以显示数据。

5．调试过程：
①在焊接好电路后，先用万用表蜂鸣档检查确认电路的连线没有问题后；②先不插上芯片，把外加的正、负5V电压加上，再在芯片座上用电压表电压档测好该是+5V或者-5V电压的引脚确实电压正确后（保证电路连线正确，保证芯片插上后能够正常工作，不至于烧坏芯片）；③调节提供基准电压模块中的电位器使输入到ICL7135芯片2脚的基准电压为1.000V；④断电后插上三块芯片，再先接入+5V电压，好的状态是所有数码管都亮，并可能会不断地闪，再接入-5V电压，⑤正常情况下，在将被测电压的输入的两端短接时（即让输入电压为0V），数码管应该显示0V电压，否则要检查电路连线等；⑥在以上都正确后加入被测电压，正常就会得到正确的电压显示，否则要仔细检查连线、虚焊等可能问题；⑦再看在被测电压改变时是否依然能够正确显示电压，待正确后记录一组数据（见下图8）；⑧验证电压的可测范围为-2~+2V；⑨验证在将被测电压的输入两端反接后，显示是否也有电性的变化；⑩验证报警功能，即在电压超出量程后数码管会不断地闪，以示警报。

6．实现的功能：
①可测电压范围为-2~+2V，精确度为0.001V；
②显示极性，以示正负电压；
③报警功能，当电压超出量程后数码管会不断地闪，以示警报。

7．心得体会小结：
本设计完成了数字温度计的设计与制作，利用 MF53-1型直热式负温度系数热敏电阻器和噪声高精度运算放大器OP07CP组成的温度测量电路将温度的度数（非电量）转换成电量，通过ICl7135型集成双积分式芯片实现A/D转换，并控制74LS47实现译码，最后通过数码显示管显示出来。当输入电压为正且小于1V，第一个数码管只显示小数点，若为正且大于1V，第一个数码管显示小数点和1；当输入电压为负且小于1V，第一个数码管显示小数点和—，若为负且大于1V，第一个数码管显示小数点、一和1。该温度计通过测量由温度转化的电压的大小，再由远算放大电路的原理计算出热敏电阻的阻值，再由MF53-1电阻与温度的关系曲线得到相应温度。数字电压表部分可测电压范围为-2V—+2V，测量精度为0.0001V，完成了设计的任务与要求。
这次课程设计过程，使我在关于电子方面的实验动手能力上有很大的提高。在器件的布置，安装焊接，调试，分析解决问题的能力都有很大进步。同时也培养了我不急不躁，实事求是的科学精神。我在刚接触到这次课程设计题目时就产生浓厚的兴趣，所以在暑假期间我做了充分的准备，通过去图书馆借阅图书和上网查资料我对这个设计原理有了一定的了解。第一次试验时我不急着焊东西，先大体布局，做到心中有数，同时考虑的是怎样尽量让连线少而短，减少不必要的电阻损耗。
回到宿舍后，我继续焊接，几次焊接后，我在第二次去试验室焊接时，我已经完全焊好了，便进行了测试，测试时刚开始不能够有正确结果，后来检查发现是ICL7135的2脚没基准电压，原来是基准电压模块这边我有一个焊点忘焊了，在加焊后便能够正常工作了，所以这次课程设计我进展的还是很顺利的。不过我也发现了一些问题：就如在输入为正电压时，显示确实负的，后来发现老师给的电路图ICL7135的9，10脚地标错了，应该是10脚为地，不过这无关紧要了，自己心中有数就行；还有就是模拟地和数字地的问题，因为如果乱接可能会产生显示不稳定的问题，所以我在完成后，做了尽量的修改，从而完善了自己的作品。
之后，我就帮很多同学调试、检查他们的作品，在检查时我分块检查，能够很快查出问题，而后一上电便可成功。基本上这个课程设计要求的焊功很高，一定要仔细认真，一丝不苟，很多同学的问题就是焊接的虚焊。
最后，通过本次课程设计，我进一步掌握巩固了双积分A/D转换的原理，并将原理应用到实践中去，摆脱了纯书本知识，我觉得应该有更多的实验来让我们锻炼动手能力，将书本知识活学活用。
8.附元器件清单：

器件编号
器件名称
型号
数量
说明

集成电路
ICL7135
1

CD4069
1
或CC4069
必须是CMOS电路

74LS47
1

精密稳压源
MC1403
1
或LM336(2.5V)

数码管
7段LED
5
共阳

三极管
9013
7
NPN开关管均可

发光二极管
红
1
LED

绿
1
LED

黄
1
LED

电位器
10K(3296)
1

电阻
100K
2
1/4W

4.7K
5
1/4W

1M
1
1/4W

150
10
1/4W

1K
3
1/4W

电容
0.47u
1

0.1u
1

1u
2

510p
1

通用板
15cm´18cm

双孔

各色导线

若干