課程設(shè)計(jì) 位數(shù)字電壓表

1、位數(shù)字電壓表摘要 數(shù)字電壓表(DVM )是將被測的電壓模擬量自動(dòng)轉(zhuǎn)換成開關(guān)量，然后進(jìn)行數(shù)字編碼、譯碼，以數(shù)字形式顯示出來的一種電測儀表,本文所介紹的是采用ICL7135高精度AD轉(zhuǎn)換電路，將模擬量輸入電壓變換為數(shù)字量,通過芯片74LS47譯碼顯示到數(shù)碼管上，測量范圍為直流0 1.9999伏。該電路外接正5v作為電源，用74hc04進(jìn)行負(fù)變，為ICL7135提供-5v電壓，并用時(shí)鐘芯片ICM7556組建了一個(gè)產(chǎn)生脈沖的震蕩電路，為電路提供時(shí)鐘信號。關(guān)鍵字 AD轉(zhuǎn)換；譯碼；時(shí)鐘信號；數(shù)字電壓表Four And a Half Digital VoltmeterAbstract Digital vol

2、tage meter ( DVM ) is the measured voltage simulation quantity automatically converted to the switch, and then digital encoding, decoding, displayed in digital form out of a measuring instrument, described in this article is the use of ICL7135 high precision AD conversion circuit, the analog input v

3、oltage into digital quantity, through the chip 74LS47 decoding display to digital control, the measuring range is 0 1.9999 volts dc. The circuit of external 5V as power source, with 74hc04 were negative, as ICL7135 -5v voltage, and the clock chip ICM7556 formed a pulse oscillating circuit, a clock s

4、ignal supplying circuit for. Key words AD conversion; decoding; Clock signal ;Digital voltage meter目 錄第1章 前言11.1 數(shù)字電壓表的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢1數(shù)字電壓表的特點(diǎn)1數(shù)字電壓表的發(fā)展趨勢11.2 設(shè)計(jì)要求及方案選擇2設(shè)計(jì)要求2方案選擇2第2章 數(shù)字電壓表單元電路設(shè)計(jì)42.1 A/D轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)62.2 時(shí)鐘產(chǎn)生單元電路設(shè)計(jì)62.2.1 ICM7556功能介紹62.2.2 ICM7556組成的多諧振蕩器7驅(qū)

5、動(dòng)電路設(shè)計(jì)8譯碼電路設(shè)計(jì)10顯示電路設(shè)計(jì)112.4 電源單元電路設(shè)計(jì)12正電源電路設(shè)計(jì)12負(fù)電源電路設(shè)計(jì)12第3章 調(diào)試要點(diǎn)及測試方法143.1 調(diào)試要點(diǎn)及測試方法143.2 故障及排除14第4章 設(shè)計(jì)總結(jié)154.1 設(shè)計(jì)總結(jié)154.2 設(shè)計(jì)心得15參考文獻(xiàn)16第1章 前言1.1 數(shù)字電壓表的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢數(shù)字電壓表的特點(diǎn)數(shù)字電壓表(DVM )是將被測的電壓模擬量自動(dòng)轉(zhuǎn)換成開關(guān)量，然后進(jìn)行數(shù)字編碼、譯碼，以數(shù)字形式顯示出來的一種電測儀表，它具有如下主要特點(diǎn):(1)準(zhǔn)確度高:目前可達(dá)到10-6數(shù)量級，因此用它代替直讀儀表，可大大提高測量精度。(2)靈敏度高:一般可做到10微伏至1微伏，目前已有1

6、0-9伏數(shù)量級的儀表。(3)輸入阻抗高:一般可達(dá)1000兆歐以上，而且工作時(shí)零電流很小，一般可達(dá)10-10安。(4)測量速度快:采樣速度一般每秒種為幾十次到上萬次，甚至可達(dá)百萬次。(5)讀數(shù)準(zhǔn)確:因是數(shù)字顯示，所以讀數(shù)準(zhǔn)確，可以消除人為的讀數(shù)誤差。(6)使用方便用途廣:開機(jī)預(yù)熱預(yù)調(diào)后即可使用，可配接打印機(jī)自動(dòng)記數(shù).還可配接相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器，用來測量交流電壓、直流電流、電阻和溫度等參量。數(shù)字電壓表的發(fā)展趨勢目前,數(shù)字電壓表的內(nèi)部核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換的精度很大程度上影響著數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度,因而,以后數(shù)字電壓表的發(fā)展就著眼在高精度和低成本這兩個(gè)方面。A/D轉(zhuǎn)換器分成四種計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積

7、分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。 最常用的是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,其中雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高,抗干擾性能好,價(jià)格便宜。但是其轉(zhuǎn)換速度慢,因此,這種轉(zhuǎn)換器主要用于速度要求不高的場合。而逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快,但精度相對較差。因此未來的A/D轉(zhuǎn)換器將兼顧精度和速度,成本也會(huì)隨著集成電路的發(fā)展而降低。1.2 設(shè)計(jì)要求及方案選擇設(shè)計(jì)要求(1).測量范圍：-1.9999V+1.9999V。(2).測量范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為1個(gè)字。(3).能夠自動(dòng)調(diào)零，0V輸入時(shí)讀數(shù)為“0000”，最高位自動(dòng)消隱。(4).超量程顯示：正超量程“0

8、000”閃；負(fù)超量程“-0000”閃。方案選擇數(shù)字電壓表(digital voltmeter)簡稱DVM,它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，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。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的4 1/2電壓表由ICL7135-4 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器、三極管9013驅(qū)動(dòng)陣列、74LS47BCD到七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器、共陽極LED發(fā)光管、基準(zhǔn)電源、時(shí)鐘及量程開關(guān)電路組成。4 1/2位是指十進(jìn)制0000019999，只有4位完整顯示位，其數(shù)字范圍為09，而其最高位只能顯示0或1，故稱為半位。它是按照普通運(yùn)用電路而組合而成的最基本的數(shù)字表頭，主要使用了其2.0000的直

9、接測量的功能。電器采用74HC04組成-5V電壓產(chǎn)生電路，以及ICL7135需要的時(shí)鐘信號電路，只需要給表頭供電+5V就可以正常使用，小數(shù)點(diǎn)選擇電路是通過一個(gè)NPN型三極管，利用它的驅(qū)動(dòng)源是選擇哪一位數(shù)碼管的位掃描驅(qū)動(dòng)信號來達(dá)到對應(yīng)使用，使該位的小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮的目的。基本質(zhì)量的快速判別：送入+5V直流穩(wěn)壓電源，屏幕上面應(yīng)該顯示隨機(jī)數(shù)字，用金屬短接兩個(gè)輸入端口，屏幕上應(yīng)該顯示“0000”，利用指針萬用表的X1電阻檔，輸入到表頭的信號輸入端口，屏幕上應(yīng)該顯示電池的數(shù)字。交換輸入信號的極性，應(yīng)該有負(fù)號出現(xiàn)。經(jīng)過這樣一輪的測試，如果都沒有問題，表頭就可以準(zhǔn)備使用了。校準(zhǔn)測量精度：可以使用最簡單的方法校準(zhǔn)，

10、就是使用一只數(shù)字萬用表監(jiān)視著芯片第二引腳的電壓，微調(diào)多圈電位器，使讀數(shù)等于1.0000V，然后輸入一個(gè)信號電壓，用數(shù)字萬用表監(jiān)視讀數(shù)是否一致，如果不一致，再仔細(xì)微調(diào)多圈電位器令其達(dá)到一致。第2章 數(shù)字電壓表單元電路設(shè)計(jì)2.1 A/D轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計(jì)2.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的功能介紹A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電壓表、數(shù)字多用表及測量系統(tǒng)的心臟。ICL7135為全MOS工藝4位半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。在單極性基準(zhǔn)電壓(VREF+=1V)供給之下,能對雙積分極性輸入的模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并自動(dòng)輸出極性判斷信號,它采用了自校零技術(shù),可保證零點(diǎn)在常溫下的長期穩(wěn)定性,零點(diǎn)的溫度系數(shù)2mv/,模擬

11、輸入可以差動(dòng)信號,輸入阻抗極高輸入端零點(diǎn)漏電流10PA。ICL7135芯片如圖，其功能介紹如下：V-(引腳1)：負(fù)電源輸入端。極限值-7V，通常取-5VVREF(引腳2)：基準(zhǔn)電壓輸入端。一般取VREF+=1V，其精度和準(zhǔn)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REFCAP+(引腳8)：外接基準(zhǔn)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+5VD5D1(引腳12、1720)：BCD

12、碼數(shù)據(jù)的位選通信號輸出端。分別選通萬、千、百、十、個(gè)位 B1、B2、B4、B8(引腳1316)：BCD碼數(shù)據(jù)輸出端 BUSY(引腳21)：轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志輸出端。積分器在積分過程中BUSY輸出電平，積分器在反向積分過零后輸出低電平(本次設(shè)計(jì)懸空) CLK(引腳22)：時(shí)鐘脈沖輸入端。工作于雙極性 POL(引腳23)：極性輸出端。當(dāng)輸入信號為正時(shí)，POL極性輸出為高電平，輸入信號為負(fù)時(shí)，POL極性輸出為低電平 DGND(引腳24)：數(shù)字地 RIH-(引腳25)： 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換/保持控制端。接高電平時(shí)，ICL7135自動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換，每隔40002個(gè)時(shí)鐘完成一次A/D轉(zhuǎn)換， 接低電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后保持轉(zhuǎn)

13、換結(jié)果，輸入一個(gè)正脈沖后(大于300ms)，重新啟動(dòng)ICT7135開 始下一次轉(zhuǎn)換 ST-(引腳26)：數(shù)據(jù)輸出選通脈沖輸出端。其脈沖寬度為時(shí)鐘脈沖寬度的一半一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，該端輸出5個(gè)負(fù)脈沖，分別選通高位到低位的BCD數(shù)據(jù)輸出端，可利用該信號把數(shù)據(jù)打入并行接口中供CPU讀取，這一點(diǎn)在和機(jī)接口時(shí)非常重要OVERRANGE(引腳27)：過量程標(biāo)志輸出端。當(dāng)輸入信號讀數(shù)超過轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)范圍時(shí)，該引腳輸出高電平UNDER(引腳28)：欠量程標(biāo)志輸出端。當(dāng)輸入信號讀取小于9%或更小時(shí)，該端輸出高電平2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)2.2 時(shí)鐘產(chǎn)生單元電路設(shè)計(jì) ICM7556功能介紹ICM7556是M

14、AXIM公司生產(chǎn)的通過RC雙定時(shí)器（含有兩個(gè)7555），能產(chǎn)生精確定時(shí)和頻率，用于以電池為能源的設(shè)備非常合適。該芯片是CMOS型定時(shí)器，與雙極性定時(shí)器（555）相比，最大負(fù)載電流小、功耗低，而且輸出時(shí)幾乎不存在短路電流。其主要特征如下10：（1）電源電壓范圍寬：2V-18V（2）輸出時(shí)沒有短路現(xiàn)象（3）占空比可調(diào)（4）THRESHOLD電流、TRIGGER電流、RESET電流低（5）低功耗的COMS型單塊集成電路（6）電源電流低（7）電氣放電保護(hù)（ESDICM7556管腳排列如下： ICM7556組成的多諧振蕩器時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)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IC

15、M7556集成定時(shí)器構(gòu)成的振蕩電路，易實(shí)現(xiàn)抗干擾能力強(qiáng)，其相當(dāng)于雙555定時(shí)器構(gòu)成。多諧振蕩器也稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之 間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，R1，R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（1腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vc

16、c，故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對電容C充電，使 電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間TPH的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)T充=（R1R2）C。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。振蕩周期和振蕩頻率分別為多諧振蕩器的工作過程可分為以下四個(gè)階段:(1) 暫穩(wěn)態(tài) I(Ot

17、l): 電容 C 充電 , 充電回路為 VDD R1 R2 C 地 , 充電時(shí)間常數(shù)為 為1=(R1+R2)C, 電容 C 上的電壓 uc 隨時(shí)間 t 按指數(shù)規(guī)律上升 , 此階段內(nèi)輸出電壓 uo 穩(wěn)定在高電平. (2) 自動(dòng)翻轉(zhuǎn) I(t=tl): 當(dāng)電容上的電壓 uc 上升到了 VDD 時(shí) , 由于定時(shí)器內(nèi) S=0,R=1, 使觸發(fā)器狀態(tài)Q由 1 變?yōu)?0, 由0變成 1, 輸出電壓 uo由高電平跳變?yōu)榈碗娖?, 電容 C 中止充電.(3) 暫穩(wěn)態(tài) (t1t2): 由于此刻=1, 因此放電管 V 飽和導(dǎo)通 , 電容 C 放電 , 放電回路為 C R2 放電管 V 地 , 放電時(shí)間常數(shù)2=R2C

18、( 忽略 V 管的飽和電阻 ), 電容電壓 uc 按指數(shù)規(guī)律下降 , 同時(shí)使輸出維持在低電平上。(4) 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)(t=t2): 當(dāng)電容上的電壓 uc下降到了 VDD 時(shí) , 由于定時(shí)器內(nèi) S=1,R=0, 使觸發(fā)器狀態(tài)Q由0 變?yōu)?1, 由1變成0, 輸出電壓uo由低電平跳變到高電平 , 電容 C 中止放電.由于=0, 放電管截止 , 電容 C 又開始充電 , 進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài) I.以后 , 電路重復(fù)上述過程 , 電路沒有穩(wěn)態(tài) , 只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài) , 它們交替變化 , 輸出連續(xù)的矩形波脈沖信號。2.3 驅(qū)動(dòng)及譯碼顯示單元電路2.3.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為了使A/D輸出能點(diǎn)亮發(fā)光數(shù)碼管，所以中間需要驅(qū)動(dòng)器，

19、用5個(gè)NPN型三極管驅(qū)動(dòng)。 5個(gè)NPN型三極管分別與ICL7135的D1、D2、D3、D4、D5相連接，控制三極管的導(dǎo)通，對五位數(shù)碼管進(jìn)行位選。譯碼電路設(shè)計(jì)BCD碼七段譯碼驅(qū)動(dòng)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(jìn)制譯碼，轉(zhuǎn)換成七段顯示信號。該設(shè)計(jì)采用74LS47，其管腳排列如圖所示：該器件輸入信號為BCD碼，輸出端為OA，OB，OC，OD，OE，OF，OG分別對應(yīng)的，共7線，令有3條控制線，/。端為測試端。在 端接如高電平的條件下，當(dāng)=0時(shí)，無論輸入端A，B，C，D為和值，輸出全為低電平，使7段顯示器件顯示

20、“8”字型，此功能用于測試器件。端為清零輸入端。=1，=1的條件下，當(dāng)輸入ABCD=0000時(shí)，輸出全為高電平，可使共陽LED顯示熄滅。而且在輸入A，B，C，D不全為零時(shí)，仍能譯碼輸出，使顯示器正常顯示。端為消隱輸入端。當(dāng)該位輸入的ABCD=0000且=0時(shí)，此時(shí)輸出低電平；若該輸入的A，B，C，D不等于零，則輸出高電平。若與配合使用，很容易實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示時(shí)的清零控制。例如對整數(shù)部分，將最高位的接地，這樣當(dāng)最高位為零時(shí)“清零”，同時(shí)該位輸出低電平。功能表如表：2.3.3顯示電路設(shè)計(jì)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，采用共陽極(與74LS47相匹配)。2.4 電源單元電路

21、設(shè)計(jì)正電源電路設(shè)計(jì)通過外加正5伏學(xué)生電源，對各個(gè)芯片和器件進(jìn)行供電,使得電路正常工作。負(fù)電源電路設(shè)計(jì)ICL7135所需的“-5V”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。74HC04管腳圖如下： 6個(gè)與非門并聯(lián)相當(dāng)于一個(gè)非門，當(dāng)輸入脈沖為高電平時(shí)，經(jīng)過非門反相器輸出為低電平，當(dāng)反相器輸出高電平時(shí)，形成如圖9所示電路，由點(diǎn)a向C6充電至+5V止，這時(shí)D2反相截止，當(dāng)反相器輸出低電平時(shí)，形成如圖10所示回路，點(diǎn)a相當(dāng)于地，C6上的壓降相當(dāng)于+5V，b點(diǎn)相當(dāng)于-5V，C點(diǎn)為地，D3截止，D2導(dǎo)通。電流方向edb,輸出一個(gè)-5V電壓，滿足一個(gè)電源供兩種極性的要求，

22、同時(shí)，選用穩(wěn)定電壓為3V的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓二極管，并且用一個(gè)分壓電阻與電位器串聯(lián)，微調(diào)提供基準(zhǔn)電壓VREF+=1，基準(zhǔn)電壓的精度和準(zhǔn)穩(wěn)定性將直接影響轉(zhuǎn)換的精度。 電容充電電路 電容放電電路 第3章 調(diào)試要點(diǎn)及測試方法3.1 調(diào)試要點(diǎn)及測試方法（1）接通電源電壓，ICL7135、ICM7556、74HC04、74LS47的電源端與地端之間的電壓為+5V，ICL7135的1腳電壓為-5V。（2）用示波器觀察555多諧振蕩器是否起振，測量5腳與地端電壓為2.7V左右。（3）采用穩(wěn)壓電源，使其輸出電壓為199.99mV或1.9999V作模擬量出入信號，調(diào)整基準(zhǔn)電壓的電位器，使LED數(shù)碼管顯示值與輸入模擬電壓值

23、相等。（4）基準(zhǔn)電壓測量。將正輸入端與短接，讀數(shù)應(yīng)為1000.01。（5）檢查自動(dòng)調(diào)零功能。將輸入端短路，既沒有輸入信號時(shí)，LED顯示器應(yīng)該顯示00000。（6）檢查超量程溢出功能。調(diào)節(jié)輸入電壓值，當(dāng)超出測量范圍時(shí)觀察LED數(shù)碼管是否有閃爍警告所用。（7）測試線性誤差。將輸入模擬電壓信號從0V增達(dá)到1.9999V，用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表監(jiān)測輸出，通過與LED顯示值相比較，其最大偏差即為線性誤差。3.2 故障及排除焊接完成以后，ICL7135、ICM7556等各芯片的工作電壓都正常，只是ICL7135的一腳沒有-5V電壓。查看電路原理，沒有發(fā)現(xiàn)有明顯錯(cuò)誤。之后又通過電壓表發(fā)現(xiàn)74HC04的6腳和7腳短接，焊點(diǎn)出現(xiàn)問題，所以短路，清除故障后各芯片工作正常。測試電壓時(shí)，測量值與實(shí)際值有出入，沒有達(dá)到要求，后通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，精準(zhǔn)度達(dá)到要求。 第4章 設(shè)計(jì)總結(jié)4.1 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過此次課程設(shè)計(jì)，讓我對本學(xué)期所學(xué)到關(guān)于數(shù)字電路的知識有了更直觀的認(rèn)識，在做課程設(shè)計(jì)的同時(shí)也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識太多，平時(shí)課上的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過程中我們通過各種途徑查找資料了解了很多元件的功能并且對于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識。這次課程設(shè)計(jì)是自己的理論知識與實(shí)際動(dòng)手能