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1、电子技术基础课 程 设 计题目名称： 直流数字电压表 指导教师： 唐治德 学生班级： 2023级11班 学 号： 20234363 学生姓名： 倪扶瑶 评语： 成绩：重庆大学电气工程学院2023年7月2日摘要随着科学技术的发展，数字电压表的种类越来越多，功能越来越丰富，应用的领域也越来越广泛，给人们的工作和生活带来许多方便。本文通过对比三种直流电压表设计的方案，选择介绍的是基于ICL7107数字电压表的设计。ICL7107是集三位半转换器段驱动器、位驱动器于一体的大规模集成电路，重要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用。ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统的一种31/2位A/D转换器，
2、可以直接驱动共阳极数字显示器，构成数字电压表，此电路简洁完整，稍加改造就可以构成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。本文设计应用了ICL7107芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电，对的电压时DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口，从而可以在显示器上看到所需要的结果。加上量程转换电路的设计，电路可以实现对01.999v，019.99v，0199.9v的电压测量。本文阐述了电路设计中具体的每一部分具体电路的结构和功能以及仿真实验和实物调试过程。目录一、设计目的4二、设计内容及要求4三、设计方案比较和选择4四、设计与分析74.1单元电路的设计74.1.1测
3、量电路74.1.2 双积分模数转换电路74.1.3数码显示电路94.1.4量程转换电路94.2分析计算104.3器件选择10五、电路仿真与工作原理115.1总电路图115.2仿真分析125.3工作原理12六、组装与调试156.1系统调试166.1.1调试仪器166.1.2调试方法166.1.3测试结果分析166.2故障处理16七、总结177.1设计电路优缺点177.2收获与建议17参考文献19附件120一、设计目的1. 掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A/D转换器件的设计方法。2. 掌握常用数字集成电路的功能和使用。二、设计内容及规定1. 设计直流数字电压表。2. 直流电压测量范围：
4、0V1.999V，0V19.99V，0V199.9V。3. 直流输入电阻大于100k。4. 画出完整的设计电路图,写出总结报告。5. 选做内容：自动量程转换。三、 设计方案比较和选择根据设计规定和查阅资料我们拟定了如下三个设计方案：方案一：重要ADC0809转换芯片和51单片机重要采用AT89C51单片机为核心解决，采用ADC0809转换芯片，其中A/D转换器用于实现模拟量向数字量的转换，单电源供电。数字电压表的系统框图如图1所示，通过测量电路将连续的模拟电压信号通过A/D转换器转换成二进制数值，再经由单片机软件编程转换成十进制数值并通过显示屏显示。本方案需要进行单片机的编程，由于我们在这方面
5、专业知识尚不熟悉，所以不采用本方案。图1方案二：重要使用MC14433芯片由集成双积分模数转换器MC14433构成的直流电压表电路如图2所示。MC1403提供稳定精确的2V基准电压。MC14543是显示译码驱动电路。直流输入电压范围是0V2V。增长测量电路和量程转换电路可实现本课题规定。图2 MC14433直流电压表电路图MC14433的性能特点有：（1）MC14433属于CMOS大规模集成电路，其转换准确度为0.05%。内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。能获得超量程（OR）、欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。能增长读数保持（HOLD）功能。电压量程分两挡：200mV、2V，最大显
6、示值分别为199.9mV、1.999V。量程与基准电压呈11的关系，即UMUREF。（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式，通常选用共阴极LED数管。（3）有多路调制的BCD码输出，可直接配P构成智能仪表。（4）工作电压范围是4.5V8V，典型值为5V，功耗约8mW。方案三：重要采用ICL7107芯片图3为方案三ICL7107 直流电压表的电路图。直流输入电压范围是0V2V。增长测量电路和量程转换电路即可实现本课题规定。本方案重要特点是：（1）ICL7107是3 1/2位双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为
7、0.05士1 个字。（2）能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，使整机线路化。采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。（3）能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。（4）LED属于电流控制器件，在31/2位数字仪表中采用直流驱动方式，芯片自身功耗较小。（5）显示亮度较高，噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。图3 ICL7107 直流电压表的电路图方案二和方案三中的直流数字电压表设计均由测量电路、双积分模数转换电路、数码显示电路和量程转换电路组成，不需要单片机的编程，原理框图如图4 所示。测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转
8、换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。图4进一步对比图2和图3中两种方案的电路图发现ICL1707整机组装更为方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。综上分析，本次设计将采用方案三，即重要以ICL7107芯片和共阳极半导体数码管LED组成电路的方案。四、 设计与分析4.1单元电路的设计4.1.1测量电路由于ICL7107直流电压表的直流输入电压范围是0V2V，所以要实现测量0V1.999V，0V19.99V，0V199.9V范围的直流电压的功能，需要在测量电路中对直流电压进行分压。测量电路如图5所
9、示。当输入电压为0V1.999V时，满足ICL7107输入电压的范围，不需要分压输出。当输入为0V19.99V时，需要分压输出10%的电压。当测量输入电压为0V199.9V时，需要分压输出1%的电压。根据分析测量电路需要用电阻值之比为1：9：90的电阻进行分压，本次设计采用的是10k,90k,900k的电阻，输出接单刀三置开关。图5 测量电路4.1.2 双积分模数转换电路ICL7107实现双积分模数转换的电路原理如图6所示。模数转换过程分3个阶段，如图7。自动0校准（保证积分器输出为零），定期积分（信号积分），定压积分（反向积分）。数字和逻辑控制见图7。通过外接电阻电容产生周期时钟信号，在其1
10、6000脉冲周期完毕一次模数转换。图6 模数转换原理图7数字和逻辑控制 图8 ICL7107引脚图 集成双积分模数转换器ICL7107的引脚如图8所示。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第34脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端；Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚相应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（由于测量周期总保持4000个Tcp不变）以及测
11、量的精度。器件的输入电压范围是0VVref，Vref是基准电压（2V），从IN HI 和IN LO引脚输入。输出数字量直接驱动4个共阳极LED数码管。千位数码管段信号：AB4和负POL。百位数码管段信号：A3G3。十位数码管段信号：A2G2。个位数码管段信号：A1G1。4.1.3数码显示电路本次设计的直流电压表的数码显示将使用4个共阳极的LED数码管。由于ICL7107芯片能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，所以在本次设计的中直接将芯片的千位数码管段信号、百位数码管段信号、十位数码管段信号、个位数码管段信号分别驱动代表千位、百位、十位、个位的四位数码管。4.1.4量程转换电路量
12、程转换电路实现小数点驱动，在不同量程时驱动数码管不同位数的小数点位。小数点驱动电路如图9所示。三个运放负端接测量电路输出，正端分别接不同量程的分压电阻。三个运放输出后通过两个两输入的与非门74LS00，再通过三个三输入与非门74LS10做逻辑运算后控制数码管千位、百位、十位的小数点位低电平有效显示。图9 量程转换电路4.2分析计算在上述量程转换电路中，需要将三个运放比较所得电压高低电平输出进行逻辑运算，驱动不同量程时数码管小数点显示的位置。在单刀三置开关选择最下面一档，即测量直流电压为1199.9V区间时，十位小数点亮，千位、百位小数点暗。当开关选择中间档位，即测量直流电压输入为119.99V
13、区间时，百位小数点亮，千位、个位小数点暗。当开关选择最上面一档，即输入直流电压为11.999V区间时，千位小数点亮，百位、十位小数点暗。根据以上小数点驱动电路规定，设千位、百位、十位小数点输出分别为Dp1,Dp2,Dp3,可以列出表1。待测电压输入运放1运放2运放3Dp1Dp2Dp311.999V高低低低高高119.99V高高低高低高1199.9V高高高高高低表14.3器件选择本次实验选择的器件如下表2。器件名称基本参数数量ICL7107双积分A/D转换1A10-50AA5档旋转开关1电容0.1uF,0.47uF0.22 uF,0.02uF，100pF每种1电阻24k,47k,100k,1k,
14、1M,900k，90k，10k每种11k电位器1LED数码管（红）共阳极极4LM3244运放1表2五、电路仿真与工作原理5.1总电路图根据实验室所提供的器材，我们用Proteus软件设计的直流电压表的仿真图如图10所示。图10 仿真电路图5.2仿真分析本设计采用ICL7107作为数字电压表的A/D转换及锁存和译码模块,使得电路具有设计简朴、集成度及可靠性高的特点。该系统可以实现0199.9V、01.999V、019.99V量程电压值的测量。在进行仿真实验中，改变输入电压值作为测量的直流电压，更换到对的的档位，数码管显示测量的电压值，通过调试，与设定的电压值相比测量电压值在误差范围之内。在仿真实验过程中我们碰到了小数点不能按规定准确显示和电压测量精度不够高的问题。针对小数点不能对的显示的问题，我们更换了运放，并运用Proteus软件在仿真时对高低电平的直接显示的逻辑运算进行了重新的分析，并再次连接了电路图，实现了不同范围电压输入显示不同位数的小数点。针对测量精度不准的问题，我们调整了35脚的电位器和它所连接的电阻R1，重新设立了基准电压，将误差控制在1/1000的范围内。5.3工作原理从V1端输入待测
