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1、苏州大学数字电压表电路设计报告学 院 ： 城市轨道交通学院 专 业 ： 通信工程 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 完成时间 ： 2018 年 1 月 26 日 目录课程设计要求及主要目的1、设计方案的选择 . 方案【一】 . 方案【二】 . 方案【三】 . 电压表原理框图二、 核心器件的性能分析 . 双积分式 AD 转换原理特性及参数选择 . 7135 引脚图及功能说明 . 七段数码管 . MC1403 简介 . 三极管 . 六反相器 CD4069 . 74LS47 功能及原理 . 设计安装及调试过程及原始数据 .心得体会小结 . 附图及原始数据 课程设计报告一、课程设计要求及主要目的
2、：设计并制作一块数字电压表。要求掌握双积分 A/D 转换器的工作原理， 掌握集成化双积分 A/D 转换器 ICL7135 和部分常用器件的正确使用方法。学会利用通用板实现电子元器件及自我连线（布线，非 PCB 板）的焊接，掌握模拟电路、数字电路的基本调试方法，分析常见故障的原因，并及时排除故障。采用 ICL7135 高精度、双 积分 A/D 转换电路，测量范围直流 0-2000 伏，使用 LCD1601 液晶模块 显示，并可以与 PC 机进行串行通信。该电路设计新颖、功能强大、 可扩 展性强。关键词：电压测量，ICL7135，双积分 A/D 转换器，数码管显示 ： 课程设计应强调以能力培养为主
3、，在独立完成设计任务同时应注意多方面能力 的培养与提高，主要包括以下方面：独立工作能力和创造力； 综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力； 熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法； 写技术报告和编制技术资料的能力； 培养同学之间合作与交流的能力；电路检测与故障排查能力；二设计方案的选择：1方案【一】如图 1 所示，本系统所设计的 4 1/2 电压表由 ICL7135-4 1/2 位 A/D 转换器、三极管 9013 驱动阵列、74LS47BCD 到七段锁存-译码 -驱动器、共阳极 LED 发光管、基准电源、时钟及量程开关电路组成。4 1/2 位是指十进制0000019999，只有 4
4、位完整显示位，其数字范围为 09，而其最高位只能显示0 或 1，故称为半位。 模 数 转 换ICL7135数 码 管驱 动 电 路 数 码 管显 示 电 路时 钟 信 号基 准 电 压被 测 信 号2方案【二】CC7107 数字电压表该方案把直流电压和交流电压转换电路直接同芯片 CC7107 连接组成，CC7107 是 CMOS 3 1/2 位单片双积分式 A/D 转换器，它有极大的优点，它将模拟部分的如 缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字部分如振荡 器、计数器、锁存器、译码器、驱动器、和控制器、逻辑电路全部集成在一个芯片 上。使用时只需接少量的电阻、电容和显示器件
5、，就可以完成模拟量到数字量的转 换。缺点：精度比较低，且内部电压转换和控制 部分不可控制。 优点：价格低廉。3方案【三】选用单片机 AT89S52 和 A/D 转换芯片 ADC0809 实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。 缺点：价格稍贵； 优点：转换 精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。根据以上优缺点以及课程设计要求选择：方案【一】三核心器件的性能分析 双积分式 AD 转换原理与特性与参数选择 典型的双积分式 AD 转换电路的基本组成可以用图 3-24 表示之。它的一次转换基本工作原理可以分成三个工作阶段来描述。图 3-24 双积分式 AD 转换电路之基本组
6、成第一阶段 T1，模拟开关 S1 导通，其余各模拟开关断开，此阶段可称为对输入电压积分采样阶段。通常，在进入此阶段之前，积分器的输出已被复零。所以，当输入电压 Vi 为正时，积分器输出向负渐增；当输入 Vi 为负时，积分器输出向正渐增，如图 3-25 所示。积分器输出电压的变化速率与输入电压成正比：(3-13)RCVtiINT图 3-25 积分器输出电压波形采样阶段所经历的时间 T1(T1=t1-t0)是一常值。它常常以计数器对时钟脉冲 fcp 计数来确定。例如，计数器以 0 累计到 N1 所对应的时间 N1TcpN 1f cp 作为 T1，也就是说计数器从 0 计到 N1 所经历的时间作为对
7、输入电压的积分阶段。T 1 阶段结束时刻积分器之输出电压为：(3-14)ititi VRCddRCV1010I 式中之 表示在 T1 阶段中 Vi 之积分平均值，如果输入电压 Vi 是常值，则 = Vi。将i iT1=N1/fcp 代入上式，即可得(3-15)cpifRV1I第二阶段 T2(T2t 2-t1)，模拟开关 S2 或 S3 导通，其余开关断开。此阶段可称为对参考电压回积阶段。如果采样阶段 T1 中 Vi0，则，T 2 阶段 S2 导通，S 3 断开，使积分器之输出从一开始的-V iT1/RC 回积到 0。反之，如果 T1 阶段中 Vi0，则 T2 阶段 S3 导通，S 2 断开，使
8、积分器之输出从一开始的+|V i|T1/RC 回积到 0。V INT 在 T2 阶段的波形如图 3-25 所示。由于 T2 阶段积分器对固定的参考电压积分，所以 VINT 之斜率不变。根据回积过程， T2 阶段的时间长度决定于： RCTdtVRCiTi 211210即 (3-16)RiT12此式表明，在 T1 和 VR 均为常数时，T 2 与 成正比，实现了 V/T 转换。iV如果 T2 也用同一时钟脉冲 fcp 对计数器计数来测量，则在此阶段中计数器所累计的数N2=T2fcp。将此关系和 N1=T1fcp 一起代入式(3-16) ，即可得出(3-1RiV1第三阶段 T3，模拟开关 S4 和
9、S5 导通，其余断开。此阶段可称为复零与准备阶段。这是个辅助阶段，它要为本次转换作结束工作，为下次转换作好准备工作。在此期间，逻辑控制电路将进行一系列逻辑操作：例如，从 T2 结束瞬时开始，可能需要暂时休止控制门的开放，把计数器所累计的数 N2 送到数据锁存器寄存，以供显示或数据输出；N 2 被锁存之后计数器要复零，以便为下一次转换作好准备；控制 S4 和 S5 导通，积分器被充分放电而复零；等等。具有自动复零功能的双积分式 AD 转换器中，还在这一阶段中安排贮存运算放大器失调与误差电压。对于每一次转换来说，积分电容上在 T1(对输入电压积分)阶段中所充得的电荷与在T2(对参考电压回积)阶段中
10、所放掉的电荷是相等的。这种周期性电荷平衡的过程是所有积分式 AD 转换器的共同的物理过程。为了满足对双极性输入电压进行双积分式 AD 转换的要求，图 3-24 电路结构中设置了+V R 和-V R 一对参考电压，并通过对相应的模拟开关的控制，实现自动极性的转换要求。双积分式 AD 转换器的一个重要特性是组成电路中需要的精密元件数量很少。在导出公式(3-16) 和 (3-17)过程中可以得知，无论是积分器电阻 R 和电容 C，还是时钟频率 fcp，都被约掉，在最终的结果中都与它们无关。这就是说，只要在一次转换的短时间过程中，它们没有变化，就不会对转换结果发生影响。虽然双积分式 AD 转换器转换速
11、率比较低，例如 23 次s，但在不到 1s 的时间内，要求 RC 以及 fcp，保持不变，是不难做到的。即使使用最普遍的金属膜电阻和涤纶电容等元件，就已经可以实现 0010.1的转换精度。至于电路中的运算放大器和电压比较器的失调、漂移影响，通常可采用电容记忆动态校零或者寄存器记忆数字校零的补偿办法，将它抑制到很低的程度，从集成电路制造工艺上考虑，这种电路也易于实现 CMOS 单片集成化，生产出性能价格比很高的单片集成 AD转换器。双积分式 AD 转换器的另一重要特性是它对对称交流干扰或者尖峰脉冲干扰具有很强的抑制能力。双积分式 A D 转换过程中，对输入电压 Vi 起作用的是采样阶段 T1，直
12、接影响转换结束的是 T1 结束瞬时积分器的输出电压 VINT。如果在 T1 期间 Vi 中存在着瞬时峰值很大而平均值很小的尖峰干扰，经积分低通滤波作用后，对 T1 阶段的积分终值影响可能很小，这样，最终产生的转换误差并不大，甚至可能微不足道。要抑制对称干扰影响，例如 50Hz 工频干扰，应选择 T1 是干扰信号周期的整数倍。为抑制工频干扰，对我国来说，T1=20ms，40ms，60ms ，为宜，图 3-28 可以说明双积分式 AD 转换对交流干扰的抑制原理。由于积分器的初始值为 0，不管输入信号中混杂的交流干扰信号初相角为何值，只要 T1 是它的周期的整数倍，则 T1 末的积分终值均与此交流信
13、号无关，而只决定于 Vi 中的直流成分。图 3-28 双积分式 AD 转换对交流干扰的抑制作用在实际电路中，钟频往往用多谐振荡器或石英晶体振荡器产生，由它所产生的钟频往往不能严格地保持 T1 与工频周期的整数倍比值关系，这就会降低对工频交流干扰的抑制能力。如果对抑制工频干扰有更高的要求时，一般可采取以下两种技术。一种是采取过零同步触发措施。仔细比较图 3-28(a)和(b)可知，如果工频周期稍有变化，T 1 末的积分终值(即A 点电压) 受交流分量的影响。( a)的情况就比(b)的情况要小些。其理由是因 3-32(a)中的正弦分量的积分是余弦量，A 点附近 0，而图 3-28(b)中的余弦分量
14、的积分是正弦值，dtVA 点附近 为最大，对 T1 终值的影响较大。因此，可以用交流干扰信号越零瞬时产生dtV一触发脉冲去启动双积分 A D 转换的办法实现图 3-28(a)的转换方案。另一种技术是采用倍频电路，由锁相倍频器产生 50Hz 整数倍的钟频提供给双积分 AD 转换器。锁相环路能自动跟踪工频交流的频率，即使工频有变化，也能精确地实现 T1 与工频周期成整数倍的关系。应当指出，实际系统对工频干扰的抑制能力总是有限的，因为干扰信号往往并非是理想的对称正弦波，只要正、负半周不对称，存在很小的直流平均分量，则干扰的影响就表现出来了。由 T1 宜取为交流干扰信号周期整数倍的关系，可得出双积分式 AD 转换器的钟频 fcp的选择方法，设 f为交流干扰信号的频率，则，式中之 m 是倍数，常取值 1，2，3 等整数。将 T1=N1f cp 代入上式，即可得1f出， 式中的 N1 是计数器在 T1 期间对 fcp 的计数值。对 字位的fNTfcp1 23AD
