基于STCCAS单片机数字电压表的设计.doc

基于STCCAS单片机数字电压表的设计(完整资料）
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数字电压表的设计

第1章　 引言

在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常.而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器.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、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、测量速度快等特而得到广泛应用.
传统的指针式刻度电压表功能单一,精度低，容易引起视差和视觉疲劳，因而不能满足数字化时代的需要.采用单片机的数字电压表，将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，从而精度高、抗干扰能力强,可扩展性强、集成方便，还可与PC实时通信。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础.以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表。目前，由各种单片机和A／D转换器构成的数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。
目前，数字电压表的内部核心部件是A／D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度，因而，以后数字电压表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面。
本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块.

第2章 系统总体方案设计选择与说明

２.1 设计要求
1、增强型MCＳ—５1系列单片机STC12Ｃ5A60S2为核心器件，组成一个简单的直流数字电压表.
2、采用1路模拟量输入,能够测量0—10V之间的直流电压值.
３、电压显示采用LCD1602显示.　
4、尽量使用较少的元器件。

2.２ 设计思路
1、根据设计要求，选择STC12C5A6０S2单片机为核心控制器件。
2、Ａ/Ｄ转换采用ＳＴＣ12C5A60Ｓ2内部自带Ａ/D实现。
3、电压显示采用LCＤ160２显示。

2．3 设计方案
硬件电路设计由7个部分组成：STC12C５Ａ60Ｓ2单片机系统,数码管显示系统、时钟电路、复位电路档位调节电路以及测量电压输入电路.硬件电路设计框图如图1所示。　
时钟电路
测量电压输入
入
LCD1602显示
STC12C5A60S2
P1

P0
P2

P2
P0
复位电路

图2．1 数字电压表系统硬件设计框图

第3章 硬件电路设计

３.1 STC12C5A６0Ｓ2单片机

图3。1ＳTC1２C５Ａ60S2单片机引脚图及实物图

3。2 SＴC12C５A60Ｓ2系列单片机主要性能
1)高速：1个时钟/机器周期，增强型805１内核,速度比普通805１快6～12倍。
2)宽电压:5。5～3。3V，2．2～3.6V(SＴＣ12LE5A60S2系列）。
3）增加第二复位功能脚/P4．６（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率＜12MHz时，无需此功能）。
４）增加外部掉电检测电路／P４。６，可在掉电时，及时将数据保存进ＥEPＲOM，正常工作时无需操作ＥEPＲOM。
５)低功耗设计：空闲模式(可由任意一个中断唤醒）。
6)低功耗设计:掉电模式（可由外部中断唤醒）,可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。
7）支持掉电唤醒的管脚：INＴ0/P3。2，INT1／Ｐ3.３，T0／P3．4，Ｔ１/Ｐ3.5，RxＤ/P3．0，
CCP０/P1。3(或Ｐ4.2),CCＰ1/Ｐ1。4(或P4。３）,EＸ_LVD/P4。６.
8）工作频率：0~35MHｚ，相当于普通８051:０～42０ＭＨz。
9）时钟：外部晶体或内部RＣ振荡器可选,在ＩＳＰ下载编程用户程序时设置。
10)8/１6／20/32/４０/４8/５2/５６/６0/6２K字节片内Ｆｌａsh程序存储器,擦写次数10万次以上。
１1）1280字节片内ＲAM数据存储器。
12）芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上。
１3）ISP / IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器。
1４）8通道，１0位高速ADC，速度可达２5万次/秒,2路ＰWM还可当2路D/Ａ使用。
15）2通道捕获/比较单元(PWM／PCA/CＣＰ),也可用来再实现２个定时器或2个外部中断(支持上升沿/下降沿中断).
16）4个16位定时器,兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PＣA实现2个定时器。
17） 可编程时钟输出功能，T0在P3。4输出时钟,T1在Ｐ3．5输出时钟,BRT在P1。０输出时钟.
18） 硬件看门狗（WDT)。
19)高速ＳPI串行通信端口。
20)全双工异步串行口（UART），兼容普通80５１的串口。
２1）通用Ｉ/O口（3６/40/４4个),复位后为：准双向口／弱上拉（普通805１传统I／O口）.可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏.每个I/O口驱动能力均可达到２0ｍA,但整个芯片最大不得超过12０ｍA.

３．3　ＳTC1２Ｃ5Ａ60S2系列单片机的A/D转换器的结构
STＣ12C５Ａ6０Ｓ2系列单片机的A/D转换口在P１口(P1。7－P1。0），有8路1０位高速A/Ｄ转换器，速度可达到25０ＫHz（25万次/秒）。８路电压输入型Ａ/D,可做温度检测、电源电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/Ｏ口，用户可以通过软件设置将８路中的任何一路设置为A／D转换，不需作为A/D使用的I/Ｏ口可以继续作为I/O口使用。
SＴC１2C5Ａ60S2系列单片机ADC的结构如下图所示

图３。2　STC12C5A６0S２系列单片机ADC的结构

图3。3 当AＵXR.１/ＡDRJ=0时，A/D转换结果寄存器格式

图３.４ 当ＡUXR．1/ADＲＪ=１时，Ａ/D转换结果寄存器格式
ＳTC１２C5A60S2系列单片机AＤC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位ADC转换寄结果存器（ADC＿REＳ和AＤＣ_RESL)以及ADＣ_CONTR构成。
ＳTC12C５A60Ｓ2系列单片机的ADC是逐次比较型ＡDC，逐次比较型AＤC由一个比较D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MＳB）开始，顺序地对每一输入电压与内置Ｄ/A转换器输出比较,经过多次比较，使转换所得的数字量逐次比逼近输入模拟量对应值.逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等特点。
从上图可以看出，通过模拟多路开关，将通过ＡDＣ0－ADC７的模拟量输入送给比较器。用数/模转换器（DAC)转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果保存到逐次比较器,并通过逐次比较寄存器输出转换结果。A/Ｄ转换结束后，最终的转换结果保存到ADC转换结果寄存器ＡDC_RＥS和AＤC_RESL，同时，置位ＡDＣ控制寄存器ＡＤC_ＣONTR中的A/D转换结束标志位ＡDC_FＬAG,以供程序查询或发出中断申请。模拟通道的选择控制由AＤC控制寄存器ＡDC＿CONTR中的ＣHＳ2~ＣＨＳ0确定。ADC的转换速度由ADＣ控制寄存器中的ＳPEEＤ1和SPＥED0确定.在使用AＤC之前,应先给ＡDC上电,也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_PＯＷＥR位。
当ＡＤＲJ=０时，如果取10位结果，则按下面公式计算：
10-ｂitA/D Coｎｖerｓｉoｎ Result：(ADC_ＲES[7:0]，ADC_RESL［１:0］）=1023*Ｖｉn/Vcc
当AＤＲJ=0时，如果取８位结果,则按下面公式计算：
8—ｂｉtＡ／Ｄ　Cｏnvｅrsｉon Rｅsｕlt:(ＡDC＿RＥＳ[7：0])＝２55＊Vin/Ｖcｃ
当AＤＲＪ=1时,如果取10位结果,则按下面公式计算：
10-bｉtA/D Cｏnverｓiｏn　Rｅsuｌt:（ ADC＿ＲESL[１：0］ ,AＤC_REＳ[7：0]）＝102３＊Viｎ／Ｖcｃ
当ADＲJ=1时,如果取8位结果，则按下面公式计算：
8-bitA/D Conversｉon Ｒｅsult：( ＡDC_RＥSL［1:0] ,ADC＿ＲＥS［7：2］）=255＊Vｉn／Vcc
式中，Vin为模拟输入电压，Vｃc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。

3。4 与A/D 转换相关的寄存器及说明
与SＴC１２C５Ａ6０S2系列单片机Ａ/D转换相关的寄存器

表3.1　A/Ｄ转换相关的寄存器
１。Ｐ1口模拟功能控制寄存器P1ASＦ
SＴC１２C5A6０S2系列单片机的A/D转换通道与P１（Ｐ1。7-Ｐ1。０）复用，上电复位后P1为弱上拉型I/Ｏ口，用户可以通过将８路中的如何一路设置为Ａ/D转换,不需作为A/D使用的P1口可继续作为I/Ｏ口使用（建议只作为输入).需作为A／Ｄ使用的口需要先将P1AＳF特殊功能寄存器中的相应位置为“1”，将相应的口设置为模拟功能。Ｐ1ASＦ寄存器的格式如下:
P1ASF:P1口模拟功能控制寄存器（只读)

表３．2 P１ASF寄存器
当Ｐ1口中的相应位作为Ａ/D使用时，要将Ｐ1ASＦ中的相应位置“1”

表3。3 P１ASＦ寄存器设置
2．ADC控制寄存器ADC_CONTＲ
ADＣ＿CONＴR寄存器的格式如下：
ADC＿CＯNRTR：ADC控制寄存器

表3。4 ADC控制寄存器
对ADC＿ＣＯＮＴR寄存器进行操作，建议直接用ＭOV赋值语句，不要用“与"和“或”语句.
ADC_POWEＲ：ADC电源控制位。
0：关闭A/Ｄ转换电源；
1：打开A／D转换电源；
建议进入控模式前,将ADC电源关闭，即ADC_ＰOＷER=０.启动A/D转换前一定要确认A/D电源已打开,A／Ｄ转换结束后关闭A／D电源可决定功耗,也可以不关闭。初次打开内部A/D转换模拟电源，需适当延时,等内部模拟电源稳定后，再启动Ａ/D转换.
建议启动Ａ/D转换后,在A/D转换结束之前，不要改变任何I／O口的状态，有利于高精度A／D转换，若能将定时器/串行口／中断系统关闭更好。
SPEEＤ1，SPEED0：模数转换速度控制位

表３。5　模数转换速度控制位设置
STC１2Ｃ5A６０S2系列单片机的A/D转换模块所使用的时钟时内部（或外部石英晶体）所产生的系统时钟，不使用时钟分频寄存器CＬK＿ＤIV对系统分频后所产生的供给ＣPU工作的时钟.(好处：这样可以让ADC用较高频率工作，提高Ａ/D的转换速度.让CPU工作工作在较低频率,降低系统功耗）。
ＡDＣ_FLAＧ：模数转换结束标志位,当A/D转换完成后,ＡDＣ_ＦＬAＧ＝1，要由软件清零。
不管是A/Ｄ转换完成后由该位申请中断,还是由软件查询该标志A/Ｄ转换是否结束，当A/D转换完成后， ADC_FLＡＧ =　1，一定要软件清零。
ADC＿SＴART：模数转换器（ＡＤC)转换启动控制位，设置为“1”时,开始转换,转换结束后ADC＿START　= １；
CHS2/CHS１/CHS0： 模拟输入通道选择
表３．6模拟输入通道选择
设置ADC_CONTR控制寄存器后，要加4个空操作延时后才能正确度到ADＣ_CＯNTR寄存器的值.原因是设置AＤC_CONTR控制寄存器的语句执行后，要经过４个CPU时钟的延时,其值才能够保证被设置进ＡDＣ_CONTＲ控制寄存器.
ＭＯV　ADC_CONTＲ，#DＡTＡ
NOＰ
NOP
NOＰ
NOP
MOＶ A，ＡDC_COＮRＴ
3、Ａ／D转换结果寄存器AＤC_RES、ADC_ＲＥSL
特殊功能寄存器ADＣ_RＥS和ADC_ＲESL寄存器用于存放A/D转换结果，其格式如下：

表3．7 用于存放A／Ｄ转换结果寄存器ADC_RES、AＤＣ_ＲＥSＬAUＸR1寄存器的ADRＪ位是A/D转换结果寄存器的数据格式调整控制位。

表３.8 当AＤＲJ = ０ 时,10位A／Ｄ转换结果的高8位存放在ADC_RＥS中，低2位存放在ADC＿ＲESL的低２ 位中。

表3。9 当ADRJ = 1　时,１0位A/D转换结果的高2位存放在ADC_ＲES的低2　位中,低8位存放在ＡDC_RＥSL中。
4、与A/D中断有关的寄存器
IE:中断允许寄存器

表3。1０ 　中断允许寄存器
ＥA: CPU的中断开放标志，EA ＝ 1，CＰU开放中断，EA = 0，CＰＵ屏蔽所有的中断请求。
ＥADC：A/D转换中断允许位。
ＥADC = 1,允许A/Ｄ中断；
EADC ＝　0,屏蔽Ａ/Ｄ中断.
IPH：中断优先级控制寄存器高(不可位寻址）

表３.11 中断优先级控制寄存器高
ＩP： 中断优先级控制寄存器低（可以位寻址）

表3.1２中断优先级控制寄存器低
PＡDCＨ，PADC:AＤC转换优先级控制位。
５、ADＣ初始化程序
/*-———－－—---－—-—－-—————-—－—-—-
初始化AＤC
—--——--－-－－—-－--－-—-—-—－－---＊/
vｏｉｄ IｎｉtＡDC（vｏid）
｛
　Ｐ１AＳF　＝ 0x58;　 　 　 　　　 　 /／设置P１口为AＤ口 0100 0111　010１　100０
　　ＡDC_RES　= 0； 　 　 　 　 　//清除结果寄存器
　 　 ＡDＣ_ＣONTＲ =　AＤＣ_PＯWER ｜ ADC＿SPEＥDLL;
　Ｄｅlａy（50）;　　　 　 　 　 　 ／/ADＣ上电并延时
}
６、ADC读子函数
／＊——--————————-——-－--——－—－—-－－
发送ADC结果到PC
－－－-－--———-——-—-－－－--—－--—--*/
vｏid ShowResult（BＹTE ch）
{
　 fｌｏａt value；
　 chａｎgｅ_long_data_ｔo_aｒray（disaｄｃh，2,ｃh）；
　vaｌue=ＧｅtADCResult（ch)；
　 valuｅ=vaｌue/255＊4．８；

　chaｎgｅ_datａ_to_arｒay（disadcval，5，１,vａlue）；
｝
／*-－-－--－-－－-———-—－--——-—--—--
读取ADC结果
-－————--－-————-———-－---—-—-—*/
ＢＹＴＥ GｅｔＡＤCReｓult（BＹＴE ch）
｛
　 　ADC_CONＴR = ＡＤＣ＿PＯWＥR　｜ ＡDC_SPＥＥDＬＬ ｜ ch ｜　AＤC_STＡRＴ；
　_nop＿(）; 　 　 　 　　 　 　 ／/等待4个NOP
_ｎop＿(）；
_nop_(）;
　 _nop_();
_noｐ_(）; 　　 　 　 //等待4个ＮOP
_nop_（）；
　_ｎoｐ_（)；
　 _nｏp_（)；
_nop_()； 　 　 　 　 　 　 //等待4个ＮOＰ
_nop_(）;
　 ＿nop＿（）;
_ｎop_（);
while (!（AＤC＿ＣONＴＲ　＆ ADC_ＦLＡG）);//等待AＤC转换完成
ADＣ_ＣONTR &＝ ~ADC＿FＬAG;　　　 　 　//Cｌｏse ADC

　　 ｒetuｒn ADC_ＲES；　 　　　 　 ／/返回ＡDC结果
｝

3.５系统电路设计、说明

3．5.1 系统电路总原理图

图3.5 系统原理图
3.5．2晶振电路简介
时钟信号的振荡器提供正常工作稳定的供应链接管理.晶振也被称为晶振谐振器，是一种机电设备，是需要精密磨削的石英晶体镀上电极焊上导线制成。这种晶体有一个很关键的特性--—-压电效应,给它导电，产生机械振荡，反之，给它机械力,便会产生电[7]。它的形状，材质,切割方向影响到振荡的频率。根据石英晶体等效为一个谐振回路，它的机电效应是机—电-机—电．。的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场—磁场的不断转换。
ＡT89Ｓ5２的反相放大器，振荡器，时钟信号可以由单片机产生周期性功能是机械指令驱动芯片实现。这个放大器与石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器，外接石英晶体或陶瓷谐振器以及电容C８和C10组成并联谐振电路, 接在放大器的反馈回路中。一个外部电容C８和Ｃ10的值虽然没有严格的要求， 但会影响许多电容振荡器的频率稳定度、振荡器、起振圈内部振荡的接法的快速及时性和温度稳定性。
AＴ89S52芯片里面有一个反相高增益放大器,它两头跟石英晶体及两个常用3０pF电容相连接，组成稳定的自激振荡器微调震荡频率。震荡电路如图5所示.

图3．６晶振电路
3.5．3复位电路
系统CPU和其辅助部件是在一个精确的状态开始运行， 单片机成功复位。不论是电源故障或刚接上电源，要使用单片机就要先复位。施密特触发器通过ＡT89S５2单片机RST引脚接收复位信号。当系统振荡稳定没发生异常情况下,假如RＳT出现一个持续24个振荡周期的高电平, 则系统复位.本设计系统是自动电源复位.
本系统中采用上电电路复位,即在单片机运行期间人工的复位,方便又简单。工作按钮接通电源，单片机便可复位，即手动复位完成。系统上电运行后,如果要复位，则动手复位即可,手动复位电路如图6所示.

图3。7 复位电路
3．５。4显示电路
LCＤ16０2显示32个字符内容，分为2行显示.当前面向市场上字符液晶显示模块几近都是一样在HD447８0液晶芯片的控制原理上完成的.

图3.8 ＬＣＤ1６0２显示电路

第４章　系统软件设计
4.１ 程序设计框图
ADC初始化
延时400ms
读取被测电
压并计算
LCD1602显示
1602显示
开始

图４。1程序设计框图
#ｉncｌude 〈ＳTC１２C5A６0ｓ２。h＞
#inclｕde　＜stdio。h>
＃incluｄe ＂1602.h＂
＃include "aｄc．h"
#ｉnclｕde "ｄeｌay。h”
#include ”intrins．h”　

＃dｅfine Ratio　2．0//用来确定电阻比值,电阻总阻值除以承载电压的那个电阻

/＊————－—--－－—－—－--——－—-—--－--－—-—－—－-—－-－-—-－－---—
　 　 　 主函数
-——-－——－--－——-－－———-－——－—-—－－—－--——－—-－—-－－－————*／　
voiｄ　mａin(vｏid)　
{
floaｔ Vｏ=０．0；
uｎｓｉgｎeｄ　int　ｔemｐ_data=0;
ｕnｓignｅｄ cｈar　tｅｍｐ[16];
LＣD_Inｉｔ（）;
LCＤ_Cｌear（）；
ＬCＤ＿Wriｔe＿String(６，0，"tｅst"）；
while　(１)
｛
temp＿daｔａ=GetADCRｅｓｕlt（0）；//使用ADC得到电压值
Ｖo＝（float）teｍp_datａ*Ratio＊Ｖcc/２55.0/100．0;//将得到的电压值进行处理
sｐrintf（ｔemｐ，＂Ｕ=％。2f 　V　 ”,Vo）；
ＬCD_Write＿Ｓtrｉng(0，１，teｍp)；
DelayMｓ(2０0）;
｝
｝

电子技术基础
课程设计

题目名称：直流数字电压表
指导教师：唐治德
学生班级:２014级11班
学号: 20144３63
学生姓名：倪扶瑶

评语：

　成绩：

重庆大学电气工程学院
2016年7月2日
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，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.本文通过对比三种直流电压表设计的方案,选择介绍的是基于ＩCL7１07数字电压表的设计。ＩCＬ7１07是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，主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用。ICL71０7是目前广泛应用于数字测量系统的一种31／２位Ａ/D转换器,能够直接驱动共阳极数字显示器，构成数字电压表,此电路简洁完整,稍加改造就可以构成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。本文设计应用了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.加上量程转换电路的设计，电路可以实现对0~1.999v,0～19。９９v，0～1９9.9v的电压测量。本文阐述了电路设计中具体的每一部分具体电路的结构和功能以及仿真实验和实物调试过程。

目录
一、设计目的ﻩ４
二、设计内容及要求 ４
三、设计方案比较和选择 4
四、设计与分析ﻩ7
4．１单元电路的设计 ７
4．1。1测量电路ﻩ7
4.1．２ 双积分模数转换电路 7
４．1.3数码显示电路ﻩ9
4．1.４量程转换电路 ９
4。2分析计算ﻩ１０
4。3器件选择ﻩ１0
五、电路仿真与工作原理ﻩ1１
5。１总电路图ﻩ11
５．2仿真分析ﻩ１2
５.3工作原理 １2
六、组装与调试 15
6。1系统调试 16
6。1．1调试仪器ﻩ16
６.1。２调试方法 1６
6。1．３测试结果分析ﻩ１6
6。2故障处理ﻩ１6
七、总结 17
7。1设计电路优缺点ﻩ17
7。2收获与建议ﻩ1７
参考文献 １9
附件1 20

一、设计目的
1. 掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A／D转换器件的设计方法。
2. 掌握常用数字集成电路的功能和使用。
二、设计内容及要求
1. 设计直流数字电压表。
2. 直流电压测量范围:0Ｖ～1。９99Ｖ，０V~１9.99Ｖ，0V~１99。９Ｖ。
3. 直流输入电阻大于100kΩ。
4. 画出完整的设计电路图，写出总结报告.
5. 选做内容：自动量程转换。
三、 设计方案比较和选择
根据设计要求和查阅资料我们拟定了如下三个设计方案：
方案一:主要ADC０8０９转换芯片和51单片机
主要采用AＴ８9C5１单片机为核心处理，采用ADC０８09转换芯片，其中A/D转换器用于实现模拟量向数字量的转换,单电源供电。数字电压表的系统框图如图１所示，通过测量电路将连续的模拟电压信号经过A/D转换器转换成二进制数值,再经由单片机软件编程转换成十进制数值并通过显示屏显示。本方案需要进行单片机的编程，由于我们在这方面专业知识尚不熟悉，所以不采用本方案。
图１
方案二:主要使用ＭC1443３芯片
由集成双积分模数转换器ＭＣ144３3构成的直流电压表电路如图2所示。ＭC1403提供稳定精确的2V基准电压.MＣ145４３是显示译码驱动电路.直流输入电压范围是0V～2V。增加测量电路和量程转换电路可实现本课题要求。

图2 MＣ１4433直流电压表电路图
ＭC14433的性能特点有：
（1）MＣ1443３属于CMOＳ大规模集成电路,其转换准确度为±0.05％.内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。能获得超量程（ＯR）、欠量程（UＲ)信号，便于实现自动转换量程。能增加读数保持(ＨOLD)功能。电压量程分两挡:２０0ｍＶ、2Ｖ，最大显示值分别为１9９。9ｍV、1.９99V。量程与基准电压呈1∶1的关系，即ＵM=UREF. 
（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式,通常选用共阴极LED数管。 
（3）有多路调制的BＣＤ码输出,可直接配μP构成智能仪表。 
(４）工作电压范围是±4．5 Ｖ~±8V，典型值为±5V,功耗约8ｍW.

方案三:主要采用ICL7107芯片
图3为方案三ＩＣL710７ 直流电压表的电路图。直流输入电压范围是0V~2V。增加测量电路和量程转换电路即可实现本课题要求。
 本方案主要特点是：
(１)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.
（2)能直接驱动共阳极的LEＤ显示器，不需要另加驱动器件,使整机线路化。采用士５V两组电源供电,并将第２1脚的GＮD接第30脚的ＩＮ 。
（3)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。
（4）LＥＤ属于电流控制器件，在3 １／2位数字仪表中采用直流驱动方式，芯片本身功耗较小。
(５）显示亮度较高，噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长.

图3ＩCＬ7１07 直流电压表的电路图
方案二和方案三中的直流数字电压表设计均由测量电路、双积分模数转换电路、数码显示电路和量程转换电路组成，不需要单片机的编程,原理框图如图４所示。测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量,送数码显示电路显示测量值.

图4
进一步对比图2和图３中两种方案的电路图发现ICＬ１７07整机组装更为方便,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.综上分析,本次设计将采用方案三,即主要以ＩCＬ710７芯片和共阳极半导体数码管LED组成电路的方案.
四、 设计与分析
4．１单元电路的设计
4.1．１测量电路
因为ＩCＬ７１０7直流电压表的直流输入电压范围是0V～2V,所以要实现测量0Ｖ~１.999Ｖ,0Ｖ～19．９9Ｖ,0V~199.9Ｖ范围的直流电压的功能,需要在测量电路中对直流电压进行分压。测量电路如图5所示.当输入电压为0V～1.999V时，满足ICL７107输入电压的范围，不需要分压输出.当输入为0V~19．99V时，需要分压输出10％的电压。当测量输入电压为０V~１９９。9Ｖ时,需要分压输出１％的电压。根据分析测量电路需要用电阻值之比为1:9:90的电阻进行分压，本次设计采用的是１0k，90k,900k的电阻,输出接单刀三置开关。

图5测量电路
4.1．2双积分模数转换电路
ICL7107实现双积分模数转换的电路原理如图6所示。模数转换过程分3个阶段，如图7。自动０校准（保证积分器输出为零）,定时积分(信号积分),定压积分（反向积分)。数字和逻辑控制见图７。通过外接电阻电容产生周期时钟信号，在其16０0０脉冲周期完成一次模数转换.

图６模数转换原理

图７数字和逻辑控制

图8　ＩCL７1０７引脚图

集成双积分模数转换器ICL７１０7的引脚如图8所示。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端;第3４脚Vｒ＋和３5脚Vｒ－为参考电压正负输入端；第３1脚ＩN+和30脚ＩN-为测量电压正负输入端；Cｉｎt和Rinｔ分别为积分电容和积分电阻,Caｚ为自动调零电容,它们与芯片的27、28和29相连,电阻Ｒ1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CＬＫ，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间(因为测量周期总保持4000个Ｔcp不变)以及测量的精度.
器件的输入电压范围是０V~Vreｆ,Ｖｒef是基准电压（2Ｖ）,从ＩN　ＨＩ 和IN ＬＯ引脚输入。输出数字量直接驱动4个共阳极ＬＥD数码管。千位数码管段信号：AＢ4和负POＬ。百位数码管段信号:A３～Ｇ3.十位数码管段信号:A2～Ｇ2。个位数码管段信号：A1～G1。
４．1.3数码显示电路
本次设计的直流电压表的数码显示将使用4个共阳极的LＥD数码管。由于ICL710７芯片能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，所以在本次设计的中直接将芯片的千位数码管段信号、百位数码管段信号、十位数码管段信号、个位数码管段信号分别驱动代表千位、百位、十位、个位的四位数码管。
4．1.4量程转换电路
量程转换电路实现小数点驱动，在不同量程时驱动数码管不同位数的小数点位。小数点驱动电路如图9所示.三个运放负端接测量电路输出，正端分别接不同量程的分压电阻。三个运放输出后经过两个两输入的与非门7４LS00,再经过三个三输入与非门74LS１0做逻辑运算后控制数码管千位、百位、十位的小数点位低电平有效显示。

图９ 量程转换电路
4.2分析计算
在上述量程转换电路中,需要将三个运放比较所得电压高低电平输出进行逻辑运算，驱动不同量程时数码管小数点显示的位置。在单刀三置开关选择最下面一档,即测量直流电压为１～１９9。9V区间时，十位小数点亮，千位、百位小数点暗.当开关选择中间档位，即测量直流电压输入为1～19。99V区间时，百位小数点亮，千位、个位小数点暗。当开关选择最上面一档，即输入直流电压为1～1。999V区间时，千位小数点亮,百位、十位小数点暗。根据以上小数点驱动电路要求,设千位、百位、十位小数点输出分别为Dp1，Ｄp２，Dｐ3，可以列出表1。
待测电压输入

运放1
运放２
运放3
Dp1
Dp2
Dp３
１～1。999V
高
低
低
低
高
高
1~19．99V
高
高
低
高
低
高
1~199.9V
高
高
高
高
高
低
表1
4．3器件选择
本次实验选择的器件如下表2。

器件名称
基本参数
数量
ICL７1０７
双积分A／D转换
1
A10－50AＡ
5档旋转开关
1
电容
0．１uＦ，0。47uF
0.22 uF,0。02uF，10０pＦ
每种１
电阻
2４k，４7k,1００k,1ｋ，1Ｍ，
900k，90k，1０k
每种1
1k电位器

1
LEＤ数码管(红）
共阳极极
4
LM324
4运放
１
表2
五、电路仿真与工作原理
5.1总电路图
根据实验室所提供的器材，我们用Protｅuｓ软件设计的直流电压表的仿真图如图10所示。

图１0仿真电路图
5。2仿真分析
本设计采用ICＬ7１07作为数字电压表的Ａ/Ｄ转换及锁存和译码模块，使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。该系统能够实现０~１99。9V、0～1．999V、0~19。99V量程电压值的测量。在进行仿真实验中，改变输入电压值作为测量的直流电压,更换到正确的档位,数码管显示测量的电压值，经过调试,与设定的电压值相比测量电压值在误差范围之内。
在仿真实验过程中我们遇到了小数点不能按要求准确显示和电压测量精度不够高的问题。针对小数点不能正确显示的问题，我们更换了运放，并利用Proｔeus软件在仿真时对高低电平的直接显示的逻辑运算进行了重新的分析，并再次连接了电路图，实现了不同范围电压输入显示不同位数的小数点。针对测量精度不准的问题，我们调整了3５脚的电位器和它所连接的电阻R1,重新设置了基准电压，将误差控制在1/１0００的范围内.
5．３工作原理
从V1端输入待测电压，根据不同测量档位的选择，经过量程转换电路后输出正确的小数点位数。下面部分经过LM324直流稳压电源输入稳定的电压后输入ICL710７芯片,进行双积分A／D转换.模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。
双积分模数转换器（AＤC)是间接型ADC。它将取样电压转换为与之成正比的时间宽度,在此期间允许计数器对周期脉冲进行计数。计数器的二进制数就是取样电压对应的数字量.
图1１是双积分ＡＤC的电路原理图.电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS=0时，积分器对取样电压做定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压—VREＦ做定压积分.与—ＶＲEF电压极性相反，这里设取样电压为正，则—ＶＲEＦ为负。
图11 双积分ADC电路原理图
J Q
C1
K
R
Q0 Q1 …Qn-1 C
CP n位二进制
R 计数器
+
+
A
C
&
CP
S
-VREF

LSB
MSB
D0
D1
Dn-10
R
C
S1
S2
O
t

QS
O
t
S
O
t
QS
T1
T2
O
t
S1选
S1选-VREF

计数
进位回0时刻
图12双积分ADC工作波形

1。定时积分
在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分.
启动信号Ｓ输入负窄脉冲（S＝０),使计数器、JＫ触发器QS清零，开关Ｓ１选择取样电压作积分器输入。同时开关Ｓ2闭合，使积分电容放电，=０。负脉冲消失后(S=１），开关S２断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降，,比较器输出逻辑１。允许n位二进制计数器对周期脉冲CP计数。当进位C=１时,下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS=1,定时积分结束，定压积分开始。
取启动信号S的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CＰ的周期为TＣP。则对取样电压的积分时间Ｔ1为：T1＝２nTCP，是确定不变的。
积分器输出电压为：

积分器输出电压与时间成线性关系,其斜率是负的,与取样电压和积分器的时间常数RＣ有关.越大,负斜率也越大.定时积分的工作波形如图12所示，图中绘出了2个取样电压的情况。
定时积分结束时的积分器输出电压为

与取样电压成正比.

２。定压积分
在定时积分期间，当计数器的进位C=1时,下一个CＰ脉冲使计数器复零和JK触发器QS＝1，开关S1选择基准电压－VＲEＦ，积分器开始对基准电压—VRＥF做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从０继续计数。与此同时，积分器输出电压上升

积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。定压积分的工作波形如图1１。3。９所示。当时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果B Ｚ(通常为自然二进制数)。从定压积分开始到计数器刚停止计数（）的时间T2为

并且,在计数器停止计数时刻,积分器输出电压为0，即

所以

定压积分时间T2与取样电压成正比。在此期间，计数器从0开始对周期脉冲CＰ计数,直到停止并保持计数值BＺ。所以

计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步,导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为

双积分ADC的单位模拟电压LSＢ为

六、 组装与调试
由仿真电路绘制的PCB图如下图１3所示。

图１3　PCB图

将制作好的PCB版焊上元器件后，实物图如图14所示。

图14实物正反面
６。1系统调试
6。1。1调试仪器
可调直流电源，可调范围：0~2００V；万用表,精度：0。１mV。
6．1。２调试方法
(1)数码管显示调试:接+5V供电电源，将37脚（TＥＳT）接+5V，数码管各段及百位小数点均点亮,说明显示正常。
(2)量程转换调试：拨动三个单刀双置开关，选择不同的量程测量，若在三个量程分别显示千位、百位、十位的小数点,说明小数点驱动电路正常工作。
(3）电压测量调试:用该表测量一电压，再用万用表测量，分别记录电压值。
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