基于ICL7107數(shù)字電壓表的設(shè)計

1、電子制作課程審查報告課程名電子制作學(xué)生名張鑫學(xué)號所在院(系)物理通信工學(xué)學(xué)院專業(yè)級電子1202指導(dǎo)教師秦偉完成場所501# 高頻實驗室2014年6月10日商品目錄一一一. 摘要22二二.課程設(shè)計任務(wù)和要求課程設(shè)計任務(wù) 2.2設(shè)計要求2.2設(shè)計要求22.3整體設(shè)計構(gòu)想2.1提案選擇2.2 課程設(shè)計框圖和動作原理課程設(shè)計框圖和動作原理，4.1動作原理，4.1動作原理，4.2 ICL 7107的動作原理 5.3在ICL 7107上安裝電壓計頭的要點(diǎn)、12.6 .系統(tǒng)的調(diào)試和污點(diǎn)1313.1調(diào)試設(shè)備13.2調(diào)試方法13.2調(diào)試結(jié)果分析 6.4硬件的實物圖、14八.設(shè)計心得、設(shè)計心得、設(shè)計要領(lǐng)、體會、設(shè)

2、計要領(lǐng)1411 .摘要數(shù)字電壓表簡稱為DVM，是采用數(shù)字測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬(直流輸入電壓)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式來顯示的儀表。 目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)字電壓表廣泛應(yīng)用于電子和電氣測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等領(lǐng)域，顯示出了很強(qiáng)的生命力。 同時，DVM擴(kuò)展的各種通用和專用數(shù)字儀表將電量或非電量測量技術(shù)提高到了新水平。 本章重點(diǎn)介紹單片A/D轉(zhuǎn)換器及其構(gòu)成的各種新型數(shù)字電壓表的工作原理。 二二.課程設(shè)計任務(wù)和要求課程設(shè)計任務(wù)和要求2.1、設(shè)計目的、設(shè)計目的1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理2、A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107的性能及其管腳功能3、用ICL7107構(gòu)成直流數(shù)字

3、電壓表的方法2.2、設(shè)計要求、設(shè)計要求1， 使用課程和實驗內(nèi)容中使用的零件，設(shè)計三位半數(shù)字電壓表，三位半為一位，十位，百位范圍為0-9，千位為0和1兩種狀態(tài)，稱為半位。 數(shù)字電壓表的測量范圍是0001-1999。數(shù)字電壓表的主要部分是A/D轉(zhuǎn)換器，顯示方法通常采用動態(tài)掃描(工作時四個數(shù)碼軟線管交替點(diǎn)亮，利用人眼的視覺殘留特性獲得整體的效果，掃描頻率過低時顯示的數(shù)字有閃爍感)方式，但關(guān)閉了。 任務(wù)要求： 2、基本要求：直流電壓測量范圍(0200V )測量誤差小于1%追加交流電壓測量范圍(0200V )測量誤差小于1%的自動范圍切換3 .課程設(shè)計整體設(shè)計構(gòu)想課程設(shè)計整體設(shè)計構(gòu)想3.13.1根據(jù)設(shè)計

4、要求和功能的實現(xiàn)我們， 基于設(shè)計要求和功能實現(xiàn)，考慮了建議1:主要設(shè)備由芯片ICL7106和液晶顯示器LCD構(gòu)成關(guān)鍵字，芯片ICL7106液晶顯示器LCD圖是建議1的簡單原理框圖這三種可能性方案。 7106是將模擬電路和邏輯電路集成在一個芯片上的大規(guī)模CMOS集成電路，因此本方案主要具有以下特征： (1)可以單電源供電，使用9V疊層電池，有助于儀表的小型化。 (2)芯片中包括異或門輸出電路，并且可以直接驅(qū)動LCD顯示器。 (3)功耗低。 芯片本身的消耗電流只有1。 8毫安，功耗約16mW。 (4)輸入阻抗極高，輸入信號沒有衰減作用。 (5)可以通過內(nèi)部模擬開關(guān)自動調(diào)整零和，實現(xiàn)自動顯示極性的功

5、能。 (6)噪音低，失調(diào)溫度計和增益溫度計小。 具有良好的可靠性，長壽命(7)單元整體的組裝方便，不需要追加有源元件，能容易地進(jìn)行功能檢查。 場景2:主要設(shè)備包括芯片ICL7107和公共陽極半導(dǎo)體數(shù)字代碼LED。 關(guān)鍵字： A/D轉(zhuǎn)換器芯片ICL7107共陽極半導(dǎo)體數(shù)字碼管LED圖2是方案2的簡單原理方框圖。 本方案的主要特征在于，(1)能夠直接驅(qū)動共用陽極的LED顯示器，不需要追加驅(qū)動裝置，能夠簡化整體的布線。 (3)采用5v和-5v的電源供給。 (4)LED是電流控制設(shè)備，采用3 1/2位數(shù)字儀表的直流驅(qū)動方式，芯片本身的功耗小。 (5)顯示亮度高。 方案3:主要設(shè)備由芯片MC14433和

6、公共陰極半導(dǎo)體數(shù)字代碼LED組成。 MC14433是美國摩托羅拉生產(chǎn)的單片3？ 是適合配置帶BCD代碼輸出的3的位A/D轉(zhuǎn)換器嗎？ 位LED顯示數(shù)字電壓表，是目前普遍使用的低速A/D轉(zhuǎn)換器。 MC14433的性能特征： (1)MC14433是CMOS大規(guī)模集成電路，轉(zhuǎn)換精度為0.05%。 內(nèi)置時鐘振蕩器，只需外置振蕩電阻。 得到超范圍(OR )、低范圍(UR )信號，自動范圍切換變得容易。 可以增加讀數(shù)保持(HOLD )功能。 電壓范圍分為200mV、2V，最大顯示值分別為199.9mV、1.999V。 范圍和基準(zhǔn)電壓為1:1的關(guān)系，UM=UREF。 (2)需要外部的段、位驅(qū)動器，采用動態(tài)掃描

7、顯示方式，通常選定公共陰極LED數(shù)管。 (3)有多調(diào)制的BCD碼輸出，可以直接混合P來構(gòu)成智能儀表。 (4)工作電壓范圍為4.5 V8V，標(biāo)準(zhǔn)值為5V，功耗約為8mW。 3.23.2系統(tǒng)塊系統(tǒng)塊本論文設(shè)計的電壓表為3位半直流電壓測量的數(shù)字電壓表，測量范圍為直流0200V。 電壓值的顯示穩(wěn)定，容易讀取，可以自動切換范圍，使用方便。 系統(tǒng)框圖(圖1 )。 本系統(tǒng)分為測試電壓轉(zhuǎn)換、模擬電壓通道、數(shù)據(jù)電壓通道(A/D轉(zhuǎn)換和解碼鎖存器)、數(shù)字顯示、小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動電路5個部分。圖1的系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖圖4.4 .程序設(shè)計框圖和工作原理程序設(shè)計框圖和工作原理4.14.1工作原理ICL7107是雙積型A/D轉(zhuǎn)換器，

8、A/D轉(zhuǎn)換器的模擬部分電路，如緩沖器、積分器、電壓比較器、正負(fù)電壓參照源和模擬數(shù)字電路部分，例如振蕩源、計數(shù)器、鎖存器、解碼器、驅(qū)動器和控制邏輯電路等，只需外接少量的電阻、電容元件和顯示設(shè)備，就能完成從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，滿足設(shè)計要求。 表明穩(wěn)定的讀取和測量反應(yīng)速度快是本設(shè)計的關(guān)鍵。 ICL7107的一個周期使用4000計數(shù)的脈沖時間作為A/D轉(zhuǎn)換的一個周期時間，按每個周期分為自動調(diào)零(AZ )、信號積分(INT )、逆積分(de )三個階段。 內(nèi)部邏輯控制電路反復(fù)產(chǎn)生AZ、INT、de等3個階段的控制信號，適當(dāng)?shù)刂甘居嫈?shù)器、鎖存器、解碼器等的協(xié)調(diào)動作，并輸出與輸入信號相應(yīng)的數(shù)值。 在所輸入模擬

9、的數(shù)值在其內(nèi)部的數(shù)值中與計數(shù)值t相等，即VIN的數(shù)值=T的數(shù)值或Vin=Vref(T/1000 )式中，1000是積分時間(1000脈沖周期)，t是逆積分時間(在滿意度的情況下為2000 )。 ICL7107ICL7107引腳排列：的引腳排列：引腳1和26為ICL7107的正和負(fù)。 COM是模擬信號的公共端，簡稱為模擬，請與IN-、UREF-短路使用。 TEST是測試端子，該端子經(jīng)由內(nèi)部的500的電阻與數(shù)字電路的公共端子(GND )連接，因為兩者為同電位，所以也稱為數(shù)字地。 這一端有兩個功能：測試指示，將其連接到u上時，LCD顯示所有的筆段1888，作為能在顯示器上檢查筆段有無缺陷的數(shù)字使用在

10、外部驅(qū)動器上，構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)和標(biāo)記的顯示電路。 a1g1、a2g2、a3g3、b4分別是個位、十位、百位、千位段驅(qū)動端，與LCD的相應(yīng)段電極連接. 千位b、c段在LCD內(nèi)部連通。 當(dāng)計數(shù)值N1999時，顯示器溢出，只顯示千位數(shù)“1”，剩馀的位數(shù)消失，表示儀表的溢出(溢出)。 POL是負(fù)極性指示的驅(qū)動端。 BP是LCD背面的公共電極的驅(qū)動端，簡稱“背電極”。 OSC1OSC3是時鐘振蕩器的端子，外部電阻元件可以構(gòu)成2級反相器式的電阻振蕩器。 UREF、UREF-分別是基準(zhǔn)電壓的正、負(fù)端子，用芯片內(nèi)的U -COM之間的2.8V基準(zhǔn)電壓源分壓后，可以提供必要的UREF值，也可以選擇外基準(zhǔn)。 CREF、C

11、REF-是外置基準(zhǔn)電容器端。 IN、IN-是模擬電壓的正、負(fù)輸入端。 CAZ端子自動調(diào)整零電容器。 BUF是緩沖放大器的輸出端，連接積分電阻RINT。 INT是積分器的輸出端，是積分電容CINT。 雖然ICL7106的數(shù)字接地(GND )未被引出，但是可將測試端子(TEST )視為數(shù)字接地，其端子電位約等于電源電壓的一半。 4.24.2 ICL7107的工作原理ICL7107的內(nèi)部包含模擬電路和數(shù)字電路的大部分，兩者相關(guān)聯(lián)。 另一方面，控制邏輯生成控制信號，在預(yù)定的定時接通或斷開多重模擬開關(guān)，保證正常進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，另一方面，模擬電路的比較器輸出信號控制數(shù)字電路的動作狀態(tài)和顯示結(jié)果。 介紹各部

12、分的工作原理。 (1)模擬電路)模擬電路如圖2所示，由2積分式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。 主要由2.8V基準(zhǔn)電壓圖2 ICL7107的模擬電路源(E0 )、緩沖器(A1 )、積分器(A2 )、比較器(A3 )和模擬開關(guān)等構(gòu)成。 緩沖器A4經(jīng)設(shè)計以提高COM側(cè)的負(fù)載能力，且可認(rèn)為數(shù)字萬用表的電塊、二極管塊、hFE塊提供便利的條件。 該轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高、抗串行模式干擾、電路簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于低速模式/數(shù)字轉(zhuǎn)換。針對每個變換周期，分為自動調(diào)零(AZ )、正方向積分(INT )、反方向積分(DE )三個階段，按AZINTDEAZ的順序循環(huán)。 計數(shù)脈沖的周期為TCP，每個測量周期需要4000TCP。

13、 但是，正方向積分時間是一定的，T1=1000TCP。 如果將T1=1000TCP、UREF=100.0mV代入上述式的N=10UIN或者UIN=0.1N (2-2)，并將小數(shù)點(diǎn)設(shè)定為10位，則能夠直接讀取結(jié)果。 在全范圍內(nèi)顯示N=2000，此時UM=2UREF=200mV，儀表顯示超范圍符號“1”。 要測量2V以上的直流電壓，必須用精密電阻分壓器使UIN衰減。 積分電阻應(yīng)該采用金屬膜電阻，積分電容最好選擇絕緣性好、介質(zhì)吸收系數(shù)小的聚苯乙烯電容或聚丙烯電容。 為了增加儀表對交叉模式干擾的抵抗力，前向積分時間(也稱為采樣時間) T1必須是商用頻率周期的整數(shù)倍。 我國采用50Hz交流電網(wǎng)，其周期為

14、20ms，在T1=n20(ms) (2-3)式中，n=1、2、3、 例如，在n=2、4和5的情況下，T1=40ms、80ms和100ms，因此能夠有效地抑制50Hz干擾。 這是因為積分過程起到了平均的作用，如果干擾電壓的平均值為零，就不會對積分器輸出產(chǎn)生影響。 但是，為了避免測量速度過低，也不要增大n的值。 圖3 ICL7107外圍電路圖(2)數(shù)字電路)數(shù)字電路數(shù)字電路圖如圖4所示。 主要由8個單元構(gòu)成：時鐘振蕩器分頻器計數(shù)器鎖存器解碼器異或門相位驅(qū)動器控制邏輯LCD監(jiān)視器。 時鐘振蕩器由ICL7106內(nèi)部的反相器F1、F2和外部電阻元件r、c構(gòu)成。 如果R=120k，C=100PF，則f0=40kHz。 f0在4分鐘后得到計數(shù)頻率fCP=10kHz，即TCP=0.1ms。 此時測定周期T=16000T0=4000TCP=0.4s，測定速率為2.5次/秒。 f0也進(jìn)行800分頻，通過圖4的4 ICL7107的數(shù)字電路得到50Hz的方形波電壓，與LCD的背電極BP連接。 LCD必須采用交流驅(qū)動方式，筆段電極ag和背電極BP為同電位時不顯示，兩者有一定