三位半数字电压表专业课程设计.doc

河北建筑工程学院
电子技术课程设计汇报

设计题目： 三位半数字电压表
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目录
一、设计目标 1
二、功效要求和技术指标 1
三、方案设计及论证 2
3.1方案一 基于MC14433数字电压表 2
3.2方案二 基于AT89352单片机数字电压表 2
3.3方案三 基于ICL7106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 4
1、 电压衰减电路 4
2、 单相桥式整流滤波电路 4
3、 基准电压模块 4
4、 3 1/2位A/D电路模块 5
5、 显示电路模块 7
6、 全部元件明细表 7
六、试验原理 8
七、电路安装和调试 12
八、总电路原理图 13
九、实践总结和心得 14
十、参考文件

三位半数字电压表
一、设计目标
课程设计关键目标，是经过电子技术综合设计，熟悉通常电子电路综合设计过程、设计要求、应完成工作内容和具体设计方法。经过设计也有利于复习、巩固以往学习模电、数电内容，达成灵活应用目标。在设计完成后，还要将设计电路进行安装、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培养和提升，关键包含以下方面：
独立工作能力和发明力。
综合利用专业及基础知识，处理实际工程技术问题能力。
查阅图书资料、产品手册和多种工具书能力。
熟悉常见电子仪器操作使用和测试方法；
电路检测和故障排查能力。
工程绘图能力。
写技术汇报和编制技术资料能力。

二、功效要求和技术指标
1、利用所学过数字电子技术和模拟电子技术知识，经过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字电压表方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功效图，描述其功效。
2、对将要试验方案3 1/2位数字电压表方案，须采取中、小规模集成电路、ICL7107A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案具体工作原理，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数字电压表

图3-1 MC14433数字电压表

此方案是对电压量进行测试并显示数字电路。对于交流能够采取桥式整流，经过电阻分压，再用放大器放大，把平均值转换为有效值，最终输送给双积分型A/D转换器MC14433 Vx测试输入端。再经过CD4511七段锁存/译码器送到LED显示，完成电压测试。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470KΩ、27 KΩ。
3.2方案二 基于AT89C52单片机数字电压表
依据系统功效实现要求，决定控制系统采取AT89C52单片机，A/D转换采取ADC0809、四个共阴极LED数码管。系统除能确保实现要求功效外，还能够方便地进行8路其它A/D转换量测量、远程测量结果传送等扩展功效。原理框图以下：
图3-2 AT89C52单片机数字电压表
AT89C52
P0

P2
P1

P3
ADC0809
LED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
依据系统功效实现要求，决定控制系统采取ICL7107、两个共阳极LED数码管。原理框图以下：
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)显示清楚直观，读书正确 数字电压表采取优异数显技术，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，能缩短读数和统计时间。
（2）显示位数: 显示位数通常为3位-8位。
（3）正确度高: 正确度测量结果中系统误差和随机误差综合。她表示测量结果和真值一致程度，也反应了测量误差大小，正确度愈高，测量误差愈小。数字电压表正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个字所代表电压值，称作仪表分辨力，它反应仪表灵敏度高低。分辨力随显示位数增加而提升。数字电压表分辨力指标亦可用分辨率来表示。分辨率是指所能显示最小数字（零除外）和最大数字百分比。实际上分辨力仅和仪表显示位数相关，而正确度则取决于A/D转换器等总误差。
(5) 测量范围宽: 多量程DVM通常可测0-1999V直流电压
(6)扩展能力强: 在数字电压表基础上，还可扩展成多种通用及专用数字仪表，数字多用表（DMM）和智能仪器，以满足不一样需要。
(7)测量速率快: 数字电压表在每秒钟内对被测电压测量次数叫测量速率，单位是“次/秒”。关键取决于A/D转换器转换速率，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10MΩ，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，适适用于大电压整流。电路TR为电流变压器，它作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求电压V2=Sinwt，四支整流二极管D1~D4接成电桥形式。
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和电位器组成, 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。能够直接驱动LED数码管，是一块应用很广泛集成电路。
ICL7107将高精度、通用性和真正低成本很好地结合在一起，它有低于10μV自动校零功效，零漂小于1μV/oC，低于10pA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2~20、22~25引脚：数字部分
第27~40引脚：模拟部分
其中：第27引脚：积分器
第28引脚：缓冲放大器输出端，接积分电容CINT
第29引脚：积分比较器反相输入端，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，和V+短接进行测试
第38~40引脚：时钟振荡引出端，外阻容元件或石英晶体组
成振荡器。

图5-4ICL7107管脚图

ICL7107参数选择

5、显示模块
显示模块采取两块共阳DIP1
图5-5共阳DIP1显示模块

6、全部元件明细表
元件清单
名称
符号
参数
封装
电解电容
C1，C2，C3，C4
C103,C224,C473,C103
CC3216-1206
(贴片)
电容
C5
C100P
CC3216-1206
（贴片）
电阻
R1+R2，R3+R4，R5，R6，R7，R8
10K,100K, 1M,470K,100K,510Ω
CC3216-1206
（贴片）
插座
P1，P2

Header 2
（直插）
电位器
RP
1K
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、MC1403

DIP40
（直插）

六、试验原理
(1) 31/2位双积分型A/D转换器ICL7107基础特点
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LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采取士5V两组电源供电，并将第21脚GND接第30脚IN 。
③ 在芯片内部从V+和COM之间有一个稳定性很高2.8V基准电源经过电阻分压器可取得所需基准电压VREF 。
④ 能经过内部模拟开关实现自动调零和自动极性显示功效。 ⑤ 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。
⑥ 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，就能组成一只直流数字电压表头。
⑦ 噪音低，温漂小，含有良好可靠性，寿命长。 ⑧ 芯片本身功耗小于15mw（不包含LED）。
⑨ 不设有一专门小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.
⑩ 能够方便进行功效检验。
图6-1ICL7107电压表简图

(3) ICL7107工作原理
双积分型A/D转换器ICL7107是一个间接A/D转换器。它经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和之成正比时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出对应数字性输出。838电子
它原理性框图图6-2所表示，它包含积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器心脏，在一个测量周期内，积分器前后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器输出信号和零电平进行比较，比较结果作为数字电路控制信一号。时钟信号源标准周期Tc 作为测量时间间隔标按时间。它是由内部两个反向器和外部RC组成。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时钟脉冲进行计数。控制逻辑包含分频器、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步分频，得到所需计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需方波信号fc。
译码器为BCD-7段译码器，将计数器BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字对应编码。 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画逻辑电平变成驱动对应笔画方波。 控制器作用有三个：第一，识别积分器工作状态，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" ，其它码全部熄灭。
钓锁存器用来存放A/D转换结果，锁存器输出经译码器后驱动LED 。它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积分，积分结果为：
上式说明，在Tl固定条件下V0和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。假如积分器输出电压上升至必零时，所经过积分时间T2则可得，
故可得到，
可见，反向积分到V0=0这段时间T2和Vl成正比。令时钟脉冲CD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转换器电压波形图
分析可知：T1,Tc，VREF固定不变，计数值N仅和VIN成正比，实现了模拟量到数字量转变。 下面介绍A/D转化过程时间分配。假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000Tc, 图6-3所表示，每个
测量周期中三个阶段工作自动循环。
各阶段时间分配以下
①信号积分时间Tl用1000Tc 。
②信号反向积分时间T2用0一Tc ，这段时间长短是由VIN大小决定。 ③自动调零时间T0用1000－3000Tc 。
从上面分析可知，Tl 侍定不变，但T2随VIN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=，一样由上式可导出满量程时VIN和基准电压关系为：VIN=2VREF 。为了提升仪表抗干扰能力，通常选定采样时间Tl 为工频周期整数倍。中国采取50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1=n×20ms。n= l,2,3……n越大，对串模干扰抑制能力越强，但n越大，A/D转换时间越长。所以，通常取Tl=100ms，即f0＝40KHz 。 由T0=2RC105=2.2RC，得
式中T0为振荡周期。
由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件选择并不唯一，只要满足要求即可。
上式说明，在Tl固定条件下V0和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

七、 电路安装和调试
根据测量正负199.9mV来说明：
1).识别引脚：芯片第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片做下方为第一脚。也能够把芯片缺口朝左放置，在左下角也就是第一脚了。很多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标识。知道了第一脚以后，根据逆时针方向去走，依次是第2至第40引脚。（1脚和40脚遥遥相对）。
2).要切记关键点电压：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，在-3V至-5V全部认为正常，不过不能是正电压，也不能是零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚，能够输入正、负199。9V电压，在一开始，能够把它接地，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积分网络，不能使用磁片电容。芯片33和34脚接电容也不 能使用磁片电容。
4）.注意接地引脚：芯片电源地是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个引脚全部接地，在部分有特殊要求应用中（比如测量电阻或百分比测量），30脚或35脚就可能不接地而是根据需要接到其它电压上。--本文不讨论特殊要求。
6）.假如上面全部连接和电压数值全部是正常，也没有“短路”或“开路”故障，那么，电路就应该能够正常工作了。利用一个电位器和指针万用表电阻X1挡，我们能够分别调整出50mV、100mV、190mV三种电压来，把它们依次输入到ICL7107第31脚，数码管应该对应50.0、1000.0、190.0数值，许可有2- 3个字误差。假如差异带大，恶意微调一下36脚电压。
7）.百分比度数：把31脚和36脚短路，就是把基准电压为信号输入到芯片信号端。这时候，数码管显示数值最好是100.0，通常在99.7 – 100.3之间。越靠近100.0越好。这个测试是看看芯片百分比读数转换情况，和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。假如差太多，就需要更换芯片了。
8）.ICL7107也常常使用在正、负199.9V量程。这时候芯片27、28、29引脚元件数值，更换0.22皮法、470千欧、0.047皮法阻容网络，而且把36脚基准调到1.000V就能够使用在正、负1.999V量程了。

八、 总电路原理图

九、 实践总结和心得
经过此次三位半数字电压表设计，在总结交流中发觉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见解。设计中，从多量程问题处理到A/D转换模块选择芯片问题处理，再到最终显示模块选择问题处理，组员们经过这些实践实现了在实践中检验真理飞跃。在芯片选择方面，我组进行了大量资料查阅和搜集工作，在比较以后选择了ICL7107这一芯片，经过讨论我们认为这种高级集成度芯片将是未来芯片发展方向，这么讨论总结使得我们对未来关注方向有了初步了解。同时在我组员查阅多种芯片管脚分布和芯片功效中，也发觉了很多芯片相同性，不一样芯片相通原理，学习到了很多书本上没有相关数字电子技术和模拟电子技术方面知识，在细微之处愈加了解知识内在组成。在确定方案后输出方案阶段，我组组员又进行了CAD和多种办公软件学习，经过这些所学知识，最终完成了最终方案成稿工作，这些不是专业方面实践学习也对我们知识框架结构有着很大补充作用，经过这些学习实践，使得我组员实践能力得到了深入提升。
总来说，此次三位半数字电压表设计实践给同学们带来了很好实践机会，能抓住此次机会，把握时机就能得到很大进步。这次设计从一头雾水到稍有头绪，再到大刀阔斧进行设计，我组组员经历了从无到有艰辛过程，即使和过程是艰苦，不过此次实践给我们知识和锻炼机会让我们不枉此行。

献参考文

1．康华光 《电子技术基础（模拟部分）》第五版 高等教育出版社
2．阎石 《电子技术基础（数字部分）》第五版 高等教育出版社
3．高吉祥 易凡 《电子技术基础试验和课程设计》 第二版 电子工业出版社 341页
4．沙占友 《新型数字电压表原理和应用》第一版 机械工业出版社
5. 刘午平 刘建清 《数字电子技术从入门到精髓》 国防工业出版社
6. 杨刚 周群 《电子系统设计和实践》第一版 电子工业出版社 337页
7. 林德杰 《电气测试技术第三版》 机械工业出版社 276-334页
8. 沙占友 《新型数字多用表实用大全》第一版 电子工业出版社 1996年 19页,273页
9 .韩雪涛 《电子仪表应用技术和技能实训教程》第一版 电子工业出版社