四倍半數(shù)字電壓表

1、裝訂線長 春 大 學 課程設計紙位數(shù)字電壓表摘要 隨著電子科學技術、傳感技術、自動控制技術和計算機技術的發(fā)展，電子測量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對測量的精度和功能的要求也 越來越高，單片機技術作為計算機技術的一個分支廣泛應用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器，甚至電子玩具等各個領域。本文介紹一種以89S52單片機為核心的數(shù)字電壓測量電路,該電路采用ICL7135高精度、雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路，測量范圍直流0-2000伏，使用LCD1601液晶模塊顯示，并可以與PC機進行串行通信。該電路設計新穎、功能強大、可擴展性強。關鍵字 四倍半數(shù)字電壓表；多諧振蕩器；數(shù)碼顯示管；譯碼器；驅(qū)動器 Fo

2、ur And a Half Digital Voltmeter Abstract As the voltage the table design the electronic science and technology, and sensing technology, automatic control technology and computer technology development, an electronic survey become the workers must acquire the means of electronics, precision measureme

3、nt and functional requirements are higher and higher monolithic integrated circuits as computer technology have a wide application in industry, intellectualized instruments, household appliances and electronic toys and other areas. this article introduced a monolithic integrated circuits 89s52 the n

4、umbers measure the voltage electrical circuit used icl7135 high precision, two points a d transforming circuit, a direct measurement range of 0 - 1.9999 and lcd1601 use l cd modules, and in the pc to the serial communication. Key words four half the number word electric voltage form Many Xies flap t

5、o concuss a machine The figures shows a tube Translate a code machine ActuatorI 目 錄 第1章 前言11.1 數(shù)字電壓表的特點及發(fā)展趨勢11.1.1數(shù)字電壓表的特點11.1.2數(shù)字電壓表的發(fā)展趨勢21.2 設計要求及方案選擇31.2.1設計要求31.2.2方案選擇3第2章 數(shù)字電壓表單元電路設計42.1 A/D轉(zhuǎn)換單元電路設計42.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的功能介紹42.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設計42.2 時鐘產(chǎn)生單元電路設計62.2.1 ICM7556功能介紹62.2.2 ICM7556組成的多諧振蕩器

6、72.3 驅(qū)動及譯碼顯示單元電路92.3.3顯示電路設計102.4 電源單元電路設計112.4.1正電源電路設計112.4.2負電源電路設計11第3章 調(diào)試要點及測試方法133.1 調(diào)試要點及測試方法133.2 故障及排除13第4章 設計總結(jié)144.1 設計總結(jié)144.2 設計心得14參考文獻15裝訂線長 春 大 學 課程設計紙第1章 前言電壓表在隨著電子科學技術、傳感技術、自動控制技術和計算機的發(fā)展電阻、電壓、電流等數(shù)值的測量變得越來越常見其中電壓的測量最為常見。傳統(tǒng)的指針式電壓表應經(jīng)無法滿足如今高精度的要求數(shù)字電壓表的誕生很好地解決了這一問題。 數(shù)字電壓表(Digital Voltmete

7、r)簡稱DVM,它是采用數(shù)字化測量技術把連續(xù)的模擬量直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。且數(shù)字電壓表精度高抗干擾能力強可擴展性強集成方便,讀數(shù)方便。 目前由各種A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表,已被廣泛應用于電子及電工測量工業(yè)自動化儀表自動測試系統(tǒng)等智能化測試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(shù)字儀器儀表也把電量及非電量測量技術提高到站新水平。綜上所述數(shù)字現(xiàn)在及將來都會有廣大的應用。1.1 數(shù)字電壓表的特點及發(fā)展趨勢1.1.1數(shù)字電壓表的特點 1顯示清晰直觀讀數(shù)準確 傳統(tǒng)的模擬式儀表必須借助于指針和刻度盤進行讀數(shù)在讀數(shù)過程中不可避免的會引入人為的

8、測量誤差。數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)顯技術使測量結(jié)果一目了然只要儀表不發(fā)生跳讀現(xiàn)象測量結(jié)果就是唯一的。 新型數(shù)字電壓表還增加了標志符顯示功能包括測量項目、符號單位和特殊符號、為解決DVM不能反映被測電壓的連續(xù)變化過程以及變化趨勢這一難題一種數(shù)字/模擬條圖儀表業(yè)已問世。模擬圖條（Anal of Bar graph）有雙重含義：第一被測量為模擬量，第二利用條狀圖形來模擬被測量的大小及變化趨勢。這類儀表將數(shù)字顯示與高分辨率模擬條圖顯示集于一身，兼有DVM與模擬電壓表之優(yōu)點。智能數(shù)字電壓表均帶微處理器和標準接口，可配合計算機和打印機進行數(shù)據(jù)處理或自動打印，構(gòu)成完整的測試系統(tǒng)。2顯示位數(shù)顯示位數(shù)通常為31

9、/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9種。判定數(shù)字儀表的位數(shù)有兩條原則：能顯示09所有數(shù)字的位是整數(shù)位；分數(shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字 為分子用滿量程時最高數(shù)字作分母。例如某數(shù)字儀表的最大顯示值為1999，滿量程計數(shù)值為2000，這表明該儀表有3個整數(shù)位，而分數(shù)位的分子為1，分母是2，故稱之為31/2位，讀作三位半。3準確度高 準確度是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。4分辨率高 數(shù)字電壓表在最低電壓量程上末位1個字所代表的電壓值，稱為儀表的分辨力，它反映儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數(shù)的增加而提高。分辨率是指所

10、能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比。例如31/2位DVM的分辨率為1/19990.05%。需要指出，分辨力與準確度屬于兩個不同的觀念。從測量角度看，分辨力是虛指標（與測量誤差無關）。準確度才是實指標（代表測量誤差的大?。?。5測量范圍寬 多量程DVM一般可測量01000V直流電壓，配上高壓探頭還可測上萬伏的高壓。6擴展能力強 在數(shù)字電壓表的基礎上，還可擴展成各種通用及專用數(shù)字儀表、數(shù)字多用表（DMM）和智能儀表，以滿足不同的需要。1.1.2數(shù)字電壓表的發(fā)展趨勢采用新技術、新工藝，由LSI和VLSI構(gòu)成的新型數(shù)字儀表及高檔智能儀器的大量問世，標志著電子儀器領域的一場革命，也開創(chuàng)了現(xiàn)代電子

11、測量技術的先河。1.廣泛采用新技術，不斷開發(fā)新產(chǎn)品2.模塊化的發(fā)展方向 新一代數(shù)字儀表正朝著標準模塊化的方向發(fā)展。預計在不久的將來，許多數(shù)字儀表將由標準化、通用化、系列化的模塊所構(gòu)成，給電路設計和安裝調(diào)試、維修帶來極大方便。 表面安裝技術(SMT)和表面安裝元器件(SMD)將獲得普遍應用。這項技術被譽為世界電子工藝技術的一項重要突破。所謂表面安裝是將微型化的表面安裝集成電路(SMIC)和表面安裝元件,用粘貼工藝直接安裝在印刷板上,再用波峰焊接機焊接,由此取代傳統(tǒng)的打孔焊接工藝,使印刷板安裝密度大為增加,可靠性得到明顯提高。3.多重顯示儀表為徹底解決數(shù)字儀表不便于觀察連續(xù)變化量的技術難題,數(shù)字/

12、模擬條圖雙顯示儀表已成為國際流行款式它兼有數(shù)字儀表準確度高、模擬式儀表便于觀察被測量的變化過程及變化趨勢的兩大優(yōu)點。模擬條圖大致分成三類:液晶（LCD）條圖，呈斷續(xù)的條狀,這種顯示器的分辨力高、微功耗,體積小,低壓驅(qū)動,適于電池供電的小型化儀表。等離子體(PDP)光柱顯示器,其優(yōu)點是自身發(fā)光,亮度高,顯示清晰,觀察距離遠,分辨力分辨力較高,缺點是驅(qū)動電壓高,耗電較大。LED光柱,它是由多只發(fā)光二極管排列而成。這種顯示器的亮度高,成本低,但象素尺寸較大,功耗高,驅(qū)動電路復雜。4.安全性 儀器儀表在設計和使用中的安全性,對于生產(chǎn)廠家和廣大用戶都是至關重要的問題。一方面廠家必須為儀表設計安全保護電路

13、,并使之符合國際標準(例如美國UL認證,歐洲GS認證,ISO9001國際標準質(zhì)量認證):另一方面用戶必須安全操作,時刻注意儀表上的各種安全警告指示。儀表的保護電路在于最大限度的減小或防止因誤操作而造成的危害。以DMM為例,常見的誤操作是用電流檔或電阻檔去測量電壓。5.操作簡單化 本次課程設計我們僅選數(shù)字電壓表中的四倍半數(shù)字電壓表來進行設計。1.2 設計要求及方案選擇1.2.1設計要求(1).測量范圍：-1.9999V+1.9999V。(2).測量范圍內(nèi)準確度為1個字。(3).能夠自動調(diào)零，0V輸入時讀數(shù)為“0000”，最高位自動消隱。(4).超量程顯示：正超量程“0000”閃；負超量程“-00

14、00”閃。1.2.2方案選擇圖1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)框圖共 頁 第 15 頁 第2章 數(shù)字電壓表單元電路設計2.1 A/D轉(zhuǎn)換單元電路設計2.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的功能介紹ICI7135是4位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片,可以轉(zhuǎn)換輸出20000個數(shù)字量,有STB選通控制的BCD碼輸出,與微機接口十分方便。ICL7135具有精度高(相當于14位A/D轉(zhuǎn)換),價格低的優(yōu)點。其轉(zhuǎn)換速度與時鐘頻率相關,每個轉(zhuǎn)換周期均有:自校準(調(diào)零),正向積分(被測模擬電壓積分),反向積分(基準電壓積分)和過零檢測四個階段組成，其中自校準時間為10001個脈沖,正向積分時間為10000個脈沖,反向積分直至電壓到零為

15、止(最大不超過20001個脈沖)。故設計者可以采用從正向積分開始計數(shù)脈沖個數(shù),到反向積分為零時停止計數(shù)。將計數(shù)的脈沖個數(shù)減10000,即得到對應的模擬量。鎖存器數(shù)字多路選通開關及分配器鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器BCD碼計數(shù)器 模擬電路部分極性觸發(fā)器過零檢測邏輯控制電路2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設計 圖2 ICL7135的數(shù)字部分分布圖圖3 ICL7135芯片頂視圖ICL7135芯片如圖3，其功能介紹如下：V-(引腳1)：負電源輸入端。極限值-7V，通常取-5VVREF(引腳2)：基準電壓輸入端。一般取VREF+=1V，其精度和準確度將直接影響轉(zhuǎn)換精度AGND(引腳3)：模擬地INTOUT(引腳4

16、)：積分器輸出端AZIN(引腳5)：自調(diào)零輸入端BUFOUT(引腳6)：緩沖放大器輸出端REFCAP+(引腳8)：外接基準電容引腳INLO-(引腳9)：信號輸入端(低端)INHI+(引腳10)：信號輸出端(高端)V+(引腳11)：正電源輸入端。極限值為+6V，通常取+5VL7135芯片如圖3，其功能介紹如下：V-(引腳1)：負電源輸入端。極限值-7V，通常取-5VVREF(引腳2)：基準電壓輸入端。一般取VREF+=1V，其精度和準確度將直接影響轉(zhuǎn)換精度AGND(引腳3)：模擬地INTOUT(引腳4)：積分器輸出端AZIN(引腳5)：自調(diào)零輸入端BUFOUT(引腳6)：緩沖放大器輸出端REFC

17、AP+(引腳8)：外接基準電容引腳INLO-(引腳9)：信號輸入端(低端)INHI+(引腳10)：信號輸出端(高端)V+(引腳11)：正電源輸入端。極限值為+6V，通常取+5VOVERRANGE(引腳27)：過量程標志輸出端。當輸入信號讀數(shù)超過轉(zhuǎn)換器計數(shù)范圍時，該引腳輸出高電平UNDER(引腳28)：欠量程標志輸出端。當輸入信號讀取小于9%或更小時，該端輸出高電平2.2 時鐘產(chǎn)生單元電路設計2.2.1 ICM7556功能介紹時鐘振動器產(chǎn)生的時鐘脈沖的頻率直接影響A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速度和抗干擾的能力。由ICM7556集成定時器構(gòu)成的振蕩電路，易實現(xiàn)抗干擾能力強，其相當于雙555定時器構(gòu)成。2.2

18、.2 ICM7556組成的多諧振蕩器多諧振蕩器也稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加觸發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩），A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135提供工作時鐘信號，圖4所示為又集成555定時器組成的多諧振蕩器電路及工作波形圖。電阻RA，RB和電容C構(gòu)成RC定時電路。電容C在間周而復始進行沖放電過程，在輸出端就得到一系列矩形脈沖信號。進行分析可知，第一個暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度，即從充電上升到所需的時間為第二個暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度，即從放電下降到所需的時間為振蕩周期和振蕩頻率分別為圖5 時鐘振蕩器電路圖接通電源以后，VCC通過R5、R6對電容進行充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)過程，VC電位不斷

19、提高，當VC大于等于2/3 VCC時，比較器輸出低電平，通過與非門后為高電平，電路發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，當TD三極管導通，電容開始放電，當VC小于等于1/3 VCC時，比較器輸出為高電平，與非門輸出低電平，電路發(fā)生下一次轉(zhuǎn)重復電容的充放電過程，從而形成多諧振蕩。圖6 ICM7556引腳分布圖 2.3 驅(qū)動及譯碼顯示單元電路2.3.1驅(qū)動電路設計為了使A/D輸出能點亮發(fā)光數(shù)碼管，所以中間需要驅(qū)動器，用5個NPN型三極管驅(qū)動。2.3.2譯碼電路設計BCD碼七段譯碼驅(qū)動器有共陽和共陰兩類，型號有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CC4511（共陰）等。74LS47譯碼器，它是二十進制譯碼，轉(zhuǎn)換成七

20、段顯示信號。圖7 74LS47芯片頂視圖（1)LT：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設置的。當LT=0時，無論輸入A3 ，A2 ，A1 ，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示8。(2)BI：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設置的。BI=0時。不論LT和輸入A3 ，A2 ，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極7段數(shù)碼管熄滅。 (3)RBI-：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設定的。當對每一位A3= A2 =A1 =A0=0時，本應顯示0，但是在RBI-=0作用下，使譯碼器輸出全1。其結(jié)果和加入滅燈信號的結(jié)果一樣，將0熄滅。 (

21、4)RBO：滅零輸出，它和滅燈輸入BI共用一端，兩者配合使用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控。2.3.3顯示電路設計數(shù)碼顯示器是用來顯示示數(shù)的，用發(fā)光二極管組成，亮度較亮，LED數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點，故通常稱之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。采用共陽極(與74LS47相匹配)。LED數(shù)碼顯示器的兩種連接方法：1）共陽極接法。 把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。2） 共陰極接法。 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時

22、公共陰極接+5V，每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。3） LED數(shù)碼顯示器的顯示段碼。 為了顯示字符，要為LED顯示器提供顯示段碼。組成一個“8”字形的7段，再加上1個小數(shù)點位，共計8段，因此提供給LED顯示器的顯示段碼為1個字節(jié)。各段碼位的對應關系見下表。 表1 各段碼位的對應關系段碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dpgfedcba2.4 電源單元電路設計2.4.1正電源電路設計電路采用74HC04組成5v電壓產(chǎn)生電路，以及ICL7135需要的時鐘信號電路，省去了用戶雙電源供電的麻煩，只要給表頭供電+5v就可以正常使用。2.4.2負電源電路設計ICL7135所需的“-5V”

23、電源由74HC04的反相器并聯(lián)為電源逆變電路，以提供其所需要的-5V電壓要求。圖86個非門并聯(lián)相當于一個非門，當輸入脈沖為高電平時，經(jīng)過非門反向器輸出為電平，當反向器輸出高電平時，形成如圖9(a)所示電路：由點a向C6充電至+5V，這時D2反向截止，當反向器輸出低電平時，形成如圖9(b)所示回路，點a相當于地，C6上的壓將相當于+5V，b點相當于-5V，C點為地，D3截止，D2導通。電流方向edb,輸出一個-5V電壓，滿足一個電源供兩極性的要求，同時，選用穩(wěn)定電壓為3V的標準穩(wěn)壓二級管，并且用一個分壓電阻與電位器串聯(lián)，微調(diào)提供基準電壓Vref+=1,基準電壓的精度和準穩(wěn)定性將直接影響轉(zhuǎn)換的精度

24、。圖9第3章 調(diào)試要點及測試方法3.1 調(diào)試要點及測試方法（1）接通電源電壓，Vcc=+5V，Vcc=-5V。用完用表測量555多諧振蕩器的電壓，看是否起振作用。 （2）采用穩(wěn)壓電源，使其輸出電壓為199.99mV或1.9999V做模擬量輸入信號，調(diào)整基準電壓的電位器，使LED數(shù)碼管顯示值與輸入模擬電壓枝相等。 （3）基準電壓測量，將正輸入端與短接，讀數(shù)應為1000.01；檢查自動調(diào)零功能，將輸入端短路，也就是沒有輸入信號的時候，LED顯示器應該顯示“00000”。 （4）檢查超量程益出功能。調(diào)節(jié)輸入電壓值，當超出測量范圍時觀察LED數(shù)碼管是否有閃爍警告所用。 （5）測試線性誤差。將輸入模擬電壓信號從0V增加到1.9999V。用標準數(shù)字電壓表檢測輸出，通過與LED顯示值相比較，其最大偏差即為線性誤差。 （6）選擇不同范圍的電壓值，檢查各量程是否準確。3.2 故障及排除第一次通電數(shù)碼管數(shù)碼管一個都沒亮，在老師的幫助下，經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)74HC04芯片上的地線忘記連接了。第二次通電時，只亮了一個燈，在老師的指導下，以及同學們的幫助下，通過使用萬用表，按照電路圖一次排查，終于找到了問題的所在，幾處有虛焊，還有幾處短路了。最后等終于亮了