課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)基礎(chǔ)課 程 設(shè) 計(jì)題目名稱：直流數(shù)字電壓表 指導(dǎo)教師：唐治德 學(xué)生班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 評語： 成績： 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院 2015年7月3日目 錄一、 內(nèi)容摘要二 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)目的2.2設(shè)計(jì)求三設(shè)計(jì)思路和方案選擇3.1 設(shè)計(jì)思路3.2 方案選擇四工作原理4.1 基本原理框圖4.2 ICL7107的工作原理4.3原理圖五 電路設(shè)計(jì)與仿真六、系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析6.1調(diào)試方法6.2測試結(jié)果分析六 元器件清單八、總結(jié)及心得體會九、參考文獻(xiàn)內(nèi)容摘要伴隨著電子技術(shù)科學(xué)的發(fā)展，電子測量技術(shù)已成為廣大電子技術(shù)工作者必須掌握的一門科學(xué)技術(shù)，同時對測量的精度和功能的有著更高的要

2、求。電壓是電子測量的一個主要參數(shù)，由于電壓測量在電子測量中的普遍性與重要性，因此對電壓測量的研究與設(shè)計(jì)有著非常重要的意義。本次設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為三檔直流電壓表。在設(shè)計(jì)過程中由于第一次接觸這種芯片，對該芯片不是很熟悉，我們參閱了大量前人的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用A / D轉(zhuǎn)換器ICL7107構(gòu)建了一個直流數(shù)字電壓表。本設(shè)計(jì)首先簡要介紹了設(shè)計(jì)電壓表的主要方式，然后詳細(xì)介紹了直流數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)流程和芯片的工作原理，本設(shè)計(jì)中我們展示了兩種方案，手動換擋的自動換擋，在各方案中也給出了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。同時也給出了硬件電路的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，包括各部分電路的走向、芯片的選擇以及方案的可行性分析等。關(guān)鍵字：ICL

3、7107芯片，數(shù)字電壓表，AD轉(zhuǎn)換，比較器，CC4006雙向模擬開關(guān)。課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)目的1、掌握雙積分A/D轉(zhuǎn)換的工作原理和集成雙積分A/D轉(zhuǎn)換器件的設(shè)計(jì)方法 2、掌握常用數(shù)字集成電路的功能和使用 2.2設(shè)計(jì)要求1. 設(shè)計(jì)直流數(shù)字電壓表2. 直流電壓測量范圍：0V1.999V，0V19.99V，0V199.9V。3. 直流輸入電阻大于100k。4. 畫出完整的設(shè)計(jì)電路圖,寫出總結(jié)報(bào)告。5. 選做內(nèi)容：自動量程轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)思路和方案選擇3.1設(shè)計(jì)思路根據(jù)設(shè)計(jì)要求和功能，我們考慮了多種可行性方案。但是在設(shè)計(jì)過程中，小數(shù)點(diǎn)的點(diǎn)亮電路的設(shè)計(jì)遇到了很大的麻煩。方案1：主要

4、器件由芯片ICL7107和共陽極半導(dǎo)體數(shù)碼管LED，其中換擋電路用的是分壓原理，將電阻串聯(lián)起來，不同的電阻端就是不同的檔位。小數(shù)點(diǎn)的點(diǎn)亮是直接吧小數(shù)點(diǎn)端直接接一個數(shù)字地， 然后用三個開關(guān)分別來控制換擋時小數(shù)點(diǎn)的亮滅。該方案特點(diǎn)：該方案小數(shù)點(diǎn)電路用的時直接接數(shù)字地的方法利用開關(guān)控制，換擋時也是通過手動控制來完成，這種方案電路簡單、清楚易懂，同時測量的誤差也很小，結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是電路實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，開關(guān)過于繁瑣，測量電路時不太方便。方案2：考慮到直接使用直接吧小數(shù)點(diǎn)端鏈接到數(shù)字地上，使用開關(guān)來控制換擋時點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)這種方案開關(guān)過多、換擋是過與繁瑣。在主要元器件沒有變的前提下，采用比較器來從換擋端

5、取信號比較后接到共陽極數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)端。但是該方案開始時，測量的電壓誤差明顯的增大，又通過一系列的調(diào)整和修改，最終通過參數(shù)的修改調(diào)整將測量誤差控制在理想范圍內(nèi)。該方案特點(diǎn)：該方案測量時比上一個方便多了，小數(shù)點(diǎn)電路不用單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)了小數(shù)點(diǎn)根據(jù)檔位的要求自動點(diǎn)亮，測量誤差也比較小。當(dāng)最終沒有實(shí)現(xiàn)測量電路的自動換擋，要通過手動撥換檔位。方案三：選用了LM324運(yùn)放和CC4066傳輸門，在通過方案二的修改后，小數(shù)點(diǎn)的問題基本解決了，想通過進(jìn)一步的改善實(shí)現(xiàn)自動換擋。電路能根據(jù)測量電壓大小的不同，自動選擇量程，點(diǎn)亮不同擋位時的小數(shù)點(diǎn)。其中換擋電路是通過COMS傳輸門和比較器來實(shí)現(xiàn)的，先通過比較器比較輸出

6、接到傳輸門的C端，當(dāng)輸出為高電平時傳輸門CC4066導(dǎo)通。該方案特點(diǎn)：該方案很大程度提升了測量的方便性，實(shí)現(xiàn)了測量的自動化。自動換擋，不用人工去撥動開關(guān)。但該方案中，經(jīng)過我們的反復(fù)調(diào)試和修改后，比起前兩個方案這個方案的測量結(jié)果有點(diǎn)偏大。這次課程設(shè)計(jì)中我們吧方案二和方案三都做了，兩個方案都展示了。  工作原理4.1 工作原理1）、基本原理框圖直流數(shù)字電壓表測量電路、雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路電路、數(shù)碼顯示電路和量程轉(zhuǎn)換電路組成，原理框圖如圖1 所示。 測量電路雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)碼顯示圖1直流數(shù)字電壓表原理框圖Ui量程轉(zhuǎn)換Ui1測量電路和量程轉(zhuǎn)換將寬范圍的輸入直流電壓變換為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸

7、入電壓范圍的直流電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送數(shù)碼顯示電路顯示測量值。雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是間接型ADC。它將取樣電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的時間寬度，在此期間允許計(jì)數(shù)器對周期脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)就是取樣電壓對應(yīng)的數(shù)字量。圖2是雙積分ADC的電路原理圖。電路主要由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、JK觸發(fā)器和控制開關(guān)組成。由JK觸發(fā)器的輸出QS控制單刀雙置開關(guān)選擇積分器的輸入電壓。當(dāng)QS=0時，積分器對取樣電壓 做定時積分；當(dāng)QS=1時，積分器對基準(zhǔn)電壓-VREF做定壓積分。 與-VREF電壓極性相反，這里設(shè)取樣電壓 為正，則-VREF為負(fù)。 圖2 雙積分ADC電路原理圖J QC1K

8、R Q0 Q1 Qn-1 C CP n位二進(jìn)制R 計(jì)數(shù)器+AC&CPS-VREFLSBMSBD0D1Dn-10RCS1S2OtQSOtSOtQST1T2OtS1選S1選-VREF計(jì)數(shù)進(jìn)位回0時刻圖3雙積分ADC工作波形2)、定時積分在確定的時間內(nèi)對取樣電壓進(jìn)行積分即是定時積分。啟動信號S輸入負(fù)窄脈沖（S=0），使計(jì)數(shù)器、JK觸發(fā)器QS清零，開關(guān)S1選擇取樣電壓作積分器輸入。同時開關(guān)S2閉合，使積分電容放電， =0。負(fù)脈沖消失后（S=1），開關(guān)S2斷開，積分器對取樣電壓做積分，積分器輸出電壓下降， ，比較器輸出邏輯1。允許n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器對周期脈沖CP計(jì)數(shù)。當(dāng)進(jìn)位C=1時，下一個CP脈沖

9、使計(jì)數(shù)器復(fù)零、JK觸發(fā)器QS=1，定時積分結(jié)束，定壓積分開始。 取啟動信號S的負(fù)脈沖剛消失的時刻為時間零點(diǎn)，并設(shè)時鐘脈沖CP的周期為TCP。則對取樣電壓的積分時間T1為T1=2nTCP是確定不變的。積分器輸出電壓為 積分器輸出電壓與時間成線性關(guān)系，其斜率是負(fù)的，與取樣電壓 和積分器的時間常數(shù)RC有關(guān)。 越大，負(fù)斜率也越大。定時積分的工作波形如圖3所示，圖中繪出了2個取樣電壓的情況。定時積分結(jié)束時的積分器輸出電壓為 與取樣電壓成正比。3）、定壓積分在定時積分期間，當(dāng)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位C=1時，下一個CP脈沖使計(jì)數(shù)器復(fù)零和JK觸發(fā)器QS=1，開關(guān)S1選擇基準(zhǔn)電壓-VREF，積分器開始對基準(zhǔn)電壓-VREF

10、做定壓積分。由于比較器輸出邏輯1，計(jì)數(shù)器從0繼續(xù)計(jì)數(shù)。與此同時，積分器輸出電壓上升 積分器輸出電壓同樣與時間成線性關(guān)系，其斜率是正常數(shù)，與基準(zhǔn)電壓VREF和積分器的時間常數(shù)RC有關(guān)。當(dāng) 時，比較器輸出邏輯0，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并保持計(jì)數(shù)結(jié)果B Z（通常為自然二進(jìn)制數(shù)）。從定壓積分開始到計(jì)數(shù)器剛停止計(jì)數(shù)（ ）的時間T2為 并且，在計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)時刻，積分器輸出電壓為0，即所以 定壓積分時間T2與取樣電壓成正比。在此期間，計(jì)數(shù)器從0開始對周期脈沖CP計(jì)數(shù)，直到停止并保持計(jì)數(shù)值BZ。所以 計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)與取樣電壓成正比，是取樣電壓對應(yīng)的數(shù)字量。實(shí)際上CP脈沖可能與比較器的邊沿不同步，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器可能漏

11、計(jì)或多計(jì)一個脈沖。故上式應(yīng)修正為 雙積分ADC的單位模擬電壓LSB為 4.2 ICL7107的工作原理1）、ICL7107的管腳分布：V和V-分別為電源的正極和負(fù)極，a1-g1,a2-g2,a3-g3：分別為個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號，依次接個位、十位、百位LED顯示器的相應(yīng)筆畫電極。AB4：千位筆畫驅(qū)動信號。接千位LEO顯示器的相應(yīng)的筆畫電極。Oscl-OSc3 ：時鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據(jù)下列公式來決定：Fosl = 0.45/RCCOM ：模擬信號公共端，簡稱“模擬地”，使 用時一般與輸入信號的負(fù)端以及基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連。

12、TEST ：測試端，該端經(jīng)過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”。REF REF- ：基準(zhǔn)電壓正負(fù)端。CREF：外接基準(zhǔn)電容端。INT：27是一個積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件IN和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負(fù)端。CAZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調(diào)零電容CAZ 。如果應(yīng)用在200mV滿刻度的場合是使用0.47F，而2V滿刻度是0.047F。BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。其輸出級的無功電流( idling current )是100A，而緩沖器與積分器能夠供給20A的驅(qū)動電流，從此腳

13、接一個Rint至積分電容器，其值在滿刻度200mV時選用47K，而2V滿刻度則使用470K。2)、工作原理：ICL7107內(nèi)部包含模擬電路和數(shù)字電路兩部分二者是相互聯(lián)系的。亦方面由控制邏輯產(chǎn)生控制信號，按定時序?qū)⒍嗦纺M開關(guān)接通或斷開，保證AD轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行，另一方面模擬電路的比較器輸出信又控制著數(shù)字電路的工作狀態(tài)和顯示結(jié)果。下面介紹各部分的工作原理。下面介紹各部分的工作原理。3）、模擬電路：模擬電路由雙積分式AD轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，電路如圖2所示。主要包括2.8V基準(zhǔn)電壓。電源、緩沖器（AL）、積分器（A2）、比較器（A3）和模擬開關(guān)的組成。緩沖器A4專門用來提高COM端帶負(fù)載的能力，可謂設(shè)計(jì)數(shù)字多用

14、表的電阻擋、二極管擋和hFE擋提供便利條件.這種轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確高度、抗串模干擾能力強(qiáng)、電路簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。適合做低速模轉(zhuǎn)換。每個轉(zhuǎn)換周期分為三個階段進(jìn)行，自動調(diào)零（AZ）、正向積分（INT）、反向積分（DE），并按照AZ到INT到DE到AZ的順序進(jìn)行循環(huán)。令計(jì)數(shù)脈沖的周期為TCP。每個測量周期共需要4000個TCP，其中，正向積分時間固定不變。T1=1000TCP，儀表顯示值，將T1=1000TCP,UREF=100.0mV帶入上式得。 N=10UIN、或UIN=0.1N。 只要把小數(shù)點(diǎn)定在十位上，即可直讀結(jié)果，滿量程時：N=2000，此時UM=2UREF=200mV。儀表顯示超量程符

15、號“1”。要測量2V以上的直流電壓，必須利用精密電阻分壓器對UIN進(jìn)行衰減。積分電阻應(yīng)采用金屬膜電阻，積分電容選絕緣性好、介質(zhì)吸收系數(shù)小的聚苯乙烯電容聚丙烯電容。為了提高儀表抗串模干擾能力，正向積分時間（稱采樣時間）T1應(yīng)是工頻周期的整數(shù)倍，我國采用50Hz交流電網(wǎng)，其周期為20ms,應(yīng)選 T1=20n （ms）. 式中，n=1,2,3，。例如取n=2,4,5時，T1=40ms、80ms、100ms,能有效地抑制50Hz干擾。這是因?yàn)榉e分過程有取平均的作用，只要干擾電壓的平均值就不影響積分器的輸出。但n值也不宜過大，以免測量速率太低。 4）、數(shù)字電路：數(shù)字電路如圖4所示，主要包括8個單元：（1

16、）時鐘振蕩器，（2）頻分器；（3）計(jì)數(shù)器；（4）鎖存器；（5）譯碼器；（6）異或門相應(yīng)為驅(qū)動器；（7）控制邏輯；（8）LCD顯示器。時鐘振蕩器由TC7107內(nèi)部相反器F1、F2以及外部阻容元件R、C組成。若取R為120千毆，C為100皮法，則F0=40kHz。F0經(jīng)過4分頻后得到計(jì)數(shù)頻率，fPC=10kHz,即TCP=0.1ms。此時測量周期T=16000T0=4000TCP=0.4s.測量速率為2.5次每秒。4.3、4066的工作原理 CD4066 的引腳功能下圖所示。每個封裝內(nèi)部有4個獨(dú)立的模擬開關(guān)，每個模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸出端可互換。當(dāng)控

17、制端加高電平時，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時開關(guān)截止。模擬開關(guān)導(dǎo)通時，導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開關(guān)截止時，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開路。模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號和模擬信號，可傳輸?shù)哪M信號的上限頻率為40MHz。各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為50dB。下圖是由4066構(gòu)成的雙向模擬開關(guān)，C=1時，傳輸門導(dǎo)通，輸出電壓為 . CC4066雙向模擬開關(guān) TG 1 模擬開關(guān) Iv C RL Ov 4.3、200mv電壓表原理圖測量電路小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動電路通過比較器比較輸出高低電平控制小數(shù)點(diǎn)端（方案二）R10-R17與開關(guān)SW2,比較器U2A,U2B,U2C和U2D共同組成量程轉(zhuǎn)換控制電路當(dāng)SW2打到最上端時

18、，輸入到U2A同相輸入端電壓為vi10，其反相輸入端電壓為vi100，輸出高電平，第三個LED的小數(shù)點(diǎn)滅；同樣輸入到U2B的反相輸入端電壓為vi10，其同相輸入端參考電壓為vi50，輸出低電平，第一個LED的小數(shù)點(diǎn)亮；U2C和U2D構(gòu)成窗口比較器，URL與URH分別為vi100和vi50，輸入端電壓為測量電壓的vi10，故輸出高電平，第二個LED的小數(shù)點(diǎn)滅。因此，此時的測量量程為0-2V。同理，當(dāng)SW2打向中間時，第一和第三個LED的小數(shù)點(diǎn)滅，第二個LED小數(shù)點(diǎn)亮，此時實(shí)現(xiàn)測量0-20V電壓。當(dāng)SW2打向最下端時，第一和第二個LED的小數(shù)點(diǎn)滅，第三個LED小數(shù)點(diǎn)亮，此時實(shí)現(xiàn)測量量程為0-200

19、V。將傳輸門CC4066的C端信號通過與非們電路后接到小數(shù)點(diǎn)端（方案三）自動換擋電路（方案三的自動換擋電路）U3A,U3B,U4A,U4B,R18，R19，R29，U4A,U4B,U5A，U7A共同構(gòu)成自動量程轉(zhuǎn)換電路它們一起與分壓電路作用實(shí)現(xiàn)自動量程的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入測量電壓為0-2V時，比較器U3A輸出高電平，驅(qū)動模擬開關(guān)U4A導(dǎo)通，而比較器U3B輸出低電平，模擬開關(guān)U4B斷開，或非門U5A輸出低電平，模擬開關(guān)U7A斷開，R18，R19，R與R'=（R7+R8+R9）并聯(lián)形成等效電阻R=1M，故TC7107的31與30號腳間輸入電壓為vi10，并且由4.2小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動電路可知，此時第一個

20、LED的小數(shù)點(diǎn)亮，而第二個與第三個LED的小數(shù)點(diǎn)滅。當(dāng)輸入測量電壓為2V<vi<20V時，比較器U3A和U3B都輸出低電平，模擬開關(guān)U4A和U4B都斷開，或非門U5A輸出高電平使模擬開關(guān)U7A導(dǎo)通，此時R18，R19，R29與R27并聯(lián)形成等效電阻R=1M，故TC7107的31與30號腳間輸入電壓為vi100，并且由4.2，此時第二個LED的小數(shù)點(diǎn)亮，第一與第三個LED的小數(shù)點(diǎn)滅。當(dāng)輸入測量電壓20V<vi<200V時，比較器U3A輸出低電平，使得模擬開關(guān)U4A斷開，比較器U3B輸出高電平，使得模擬開關(guān)U4B導(dǎo)通，而或非門U5A輸出低電平，使得模擬開關(guān)U7A斷開，此時R

21、18，R19，R29與R21并聯(lián)形成等效電阻R=1M，故TC7107的31與30號腳間輸入電壓為vi1000，并且由4.2，此時第三個LED的小數(shù)點(diǎn)亮，第一個與第二個LED的小數(shù)點(diǎn)滅。電路設(shè)計(jì)與仿真仿真用的是proteus軟件，仿真過程中用TC7107代替ICL7107芯片。數(shù)字電壓表仿真圖：方案二的最終仿真總電路圖方案三的最終仿真總電路圖系統(tǒng)測試與結(jié)果分析6.1調(diào)試方法 電壓測量調(diào)試：用該表測量一直流電壓，再用萬用表測量，分別記錄電壓值。   6.3測試結(jié)果分析測試電壓輸出電壓（方案二）輸出電壓（方案三）0.156V0.156V0.1301V15.50V15.49V14.38V186.5V186.5V186.8V測量存在一定的誤差的原因可能是：分壓電阻和模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻導(dǎo)致。經(jīng)過測試方案三的自動切換量程能夠?qū)崿F(xiàn)。元器件清單：方案二元器件名稱基本參數(shù)數(shù)量ICL71071LM3244LED數(shù)碼管共陽極4電容0.02uf、0.1uf、0.22uf、0.47uf、100pf5電阻47k、24k、100k、10k、90k、900k、9000k、5k滑動變阻器8開關(guān)單刀三置2二極管2方案三元器件名稱基本參數(shù)數(shù)量ICL71