數(shù)字式電壓表畢業(yè)設(shè)計

1、數(shù)字式電壓表畢業(yè)論文班 級 08級通信2班 姓 名 秦嘯天 學(xué) 號 083001120 指導(dǎo)教師 李世明 2010 年 11 月 10 日鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院機械電子工程系目錄一 系統(tǒng)方案的設(shè)計任務(wù)及要求1.1 設(shè)計任務(wù) 1.1.1任務(wù) 1.1.2要求1.2 簡易數(shù)字電壓表基本方案 1.2.1模塊方案的選擇與論證 1.2.2icl7107簡介 1.2.3應(yīng)用參數(shù)選用提示參考二 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)2.1 a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換方案的選取2.2 icl7107功能說明2.3 數(shù)字部分2.4 元器件的選擇說明三 系統(tǒng)組合及程序流程3.1 簡易數(shù)字電壓表基本組成部分 3.1.1基本電路圖 3.1.2軟件程序流

2、程圖四 組裝焊接及調(diào)試4.1 組裝焊接4.2 調(diào)試結(jié)果分析五 總結(jié)附錄摘要 介紹一種基于單片機icl7107的數(shù)字式電壓表（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)的、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求，這種以單片機為核心的新型智能儀表將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)有效結(jié)合，使得測量結(jié)果更準確可靠。設(shè)計突破了傳統(tǒng)的電壓表設(shè)計方式，提高了數(shù)字式電壓表的性價比。 關(guān)鍵詞：數(shù)字式電壓表；單片機；icl7107； 一 系統(tǒng)方案的設(shè)計任務(wù)及要求1.1 設(shè)計任務(wù) 1.1.1任務(wù)

3、本文是以直流數(shù)字電壓表的設(shè)計為研究內(nèi)容。首先對數(shù)字電壓表作了詳細介紹，接著講述了數(shù)字電壓表硬件電路的設(shè)計以及軟件的設(shè)計，包括量程轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及顯示電路的具體設(shè)計。其中還包括數(shù)字式直流電壓表的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作原理、集成芯片原理介紹及設(shè)計心得 1.1.2要求 測量范圍：dc:0 1.999mv；測量精度：±0.2，讀數(shù)±1個字節(jié)； 輸入阻抗：大于100m; 工作方式：連續(xù)；顯示方式：led數(shù)字顯示 自動調(diào)零，自動顯示極性，電源電壓：5v，雙極性電源 1.2 簡易數(shù)字電壓表基本方案 1.2.1 模塊方案選擇與論證 根據(jù)設(shè)計要求選用高精度a/d轉(zhuǎn)換器icl71

4、07進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，針對icl7107對模擬輸入信號的要求，對輸入信號進行量程轉(zhuǎn)換并進行調(diào)理。闡述了icl7107工作原理并對a/d 轉(zhuǎn)換電路、參考電壓電路、復(fù)位電路、時鐘電路等電路進行具體設(shè)計。本設(shè)計從各個角度分析了由單片機組成的數(shù)字電壓表的設(shè)計過程及各部分電路的組成及其原理，并且分析了程序如何驅(qū)動單片機進而使系統(tǒng)運行起來的原理及方法。 軟件的設(shè)計包括了對主程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序和顯示程序的設(shè)計，給出了程序流程圖。最后根據(jù)軟硬件設(shè)計方案對系統(tǒng)進行了調(diào)試。 1.2.2 icl7107簡介icl7107 是高性能、低功耗的三位半a/d轉(zhuǎn)換器電路。它包含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng)，并可直

5、接驅(qū)動發(fā)光二極管（led）。icl7107將高精度、通用性和真正低成本很好的結(jié)合在一起。并接它有低于10µ的自動校零功能、零漂小于1µv/，低于10p的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個字節(jié)。真正的差動輸入和差動參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測量負載單元、壓力規(guī)管和其它橋式傳感器時會有更突出的優(yōu)點。 圖 1 7107芯片管腳圖主要特點：保證零電平輸入時，各量程的讀值均為零；1p典型輸入電流；真正的差動輸入和差動參考源，直接led顯示驅(qū)動；很低的噪聲（小于15µvp-p）；片上時鐘；低功耗（典型值小于10mw）;不需外接有源電路； 1.2.3 應(yīng)用參數(shù)選用提示參考二

6、 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)2.1 a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換方案的選取 a/d轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道中的一個環(huán)節(jié)，單片機通過a/d轉(zhuǎn)換器把輸入模擬量變成數(shù)字量再處理。 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了多種型號的a/d轉(zhuǎn)換器，以滿足不同應(yīng)用場合的需要。如果按照轉(zhuǎn)換原理劃分，主要有3種類型，即雙積分式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。目前最常用的是雙積分和逐次逼近式。雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強、轉(zhuǎn)換精度高、價格便宜等優(yōu)點，比如icl71xx系列等，它們通常帶有自動較零、七段碼輸出等功能。與雙積分相比，逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如adc08

7、08、adc0809等，它們通常具有8路模擬選通開關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送入單片機進行分析和顯示。 本設(shè)計中，由于對精度沒做很大要求，我們采用雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器icl71072.2 icl7107功能說明 1 模擬部分圖2表示icl7017的模擬部分。每個測試周期分為三個階段，它分別是1）自動校零（a z）；2）信號積分（int）和3）反向積分階段（de）。 圖 2 icl7107模擬部分2.自動校零階段 在自動校零階段做三件事。第一，內(nèi)部高端輸入和低端輸入與外部管腳脫開，在內(nèi)部與模擬公共管腳短接。第二，參考電容充電到參考電壓值。第三，圍繞整個系統(tǒng)形成一

8、個閉合的回路，對自動校零電容ca進行充電，以補償緩沖放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓。由于比較器包含在回路中，因此自動校零的精度僅受限于系統(tǒng)噪聲。任何情況下，折合到輸入端的失調(diào)電壓小于10µv3.信號積分階段 在信號積分階段，自動校零回路斷開，內(nèi)部短接點脫開，內(nèi)部高端輸入和低端輸入與外部管腳相連。轉(zhuǎn)換器將in hi和in lo之間輸入的差動輸入電壓進行一固定時間的積分，此差動輸入電壓可以在一很寬的共模范圍內(nèi)：與正、負電源的的差距各為1v之內(nèi)。另一方面，若該輸入信號相對于轉(zhuǎn)換器的電源電壓沒有回轉(zhuǎn)，可將in lo連接到模擬公共端上，以建立正確的共模電壓。在此積分階段的最后，積分信號的極性

9、也已經(jīng)確定。4.反向積分階段 最后一個階段是反向積分階段。低端輸入在芯片內(nèi)部連接到模擬公共端，高端輸入通過先前已充電的參考電容進行連接，內(nèi)部電路能是電容的極性正確的連接以確保積分器的輸出能回到零。積分器的輸入回到零的時間正比于輸入信號的大小。對應(yīng)的數(shù)字輸出為：顯示值=1000×vinvref。 5.差動輸入 輸入端能承受輸入放大器允許共模電壓范圍內(nèi)的差動電壓。即在比正電源低0.5v和比負電壓高1v的范圍。在此范圍內(nèi)，電路有86d b的共模抑制比。然而必須注意的是積分器的輸入不能進入飽和區(qū)，一種最壞的情況可能是在輸入端由一接近滿量程的負向差動電壓，同事又有一個較大的共模正向電壓，負向的

10、差動電壓使得積分器的輸出向正方向走，而此時金粉漆輸出的正向擺幅又被正向共模電壓所擠占，在這種嚴格的應(yīng)用條件下，可適當?shù)臓奚恍┚?，將積分器的輸出電壓擺幅降低到低于所推薦的2v滿量程。積分器的輸出可在比正電源低0.3v或比負電源高0.3v的范圍內(nèi)擺動而不影響線性度。6.模擬公共端 此管腳主要是為在電池供電的應(yīng)用場合或輸入信號相對于供電電源是浮動的系統(tǒng)中建立一個公共電壓而設(shè)置的。common管腳設(shè)置的電壓比正電源約低2.8v，這樣的選擇可以使電池電壓低至接近6v時仍能工作。然而，次模擬公共端有一些參考電壓的特征。只有當總的供電電壓足夠高使得穩(wěn)壓管能工作時，此公共點的電壓才有較低的電壓系數(shù)和較低的

11、輸入阻抗。另外，片上參考源的一些不足也必須充分予以重視。在icl710中，由于驅(qū)動led數(shù)碼管而導(dǎo)致的內(nèi)部發(fā)熱會使性能下降。由于塑料的熱阻比陶瓷的大，因此塑封電路比瓷封電路在這方面的性能要差，由于參考源的溫度系數(shù)、片上功耗的封裝的熱阻等原因，會使接近滿量程的噪聲上升。另外，高功耗與低功耗使得線性度之差會達到一個字節(jié)，甚至更多。參考源有正溫度系數(shù)的電路在量程溢出時會多出幾個字。這是因為溢出時三個低位數(shù)均不顯示，而處于低功耗狀態(tài)。相似的，參考源為負溫度系數(shù)的電路會在溢出和非溢出讀值之間來回交替變化。這是由于芯片不斷被加熱和冷卻的結(jié)果。所有這些問題在使用外部參考原始自然就解決了。模擬公共端在自動校零

12、和反向積分期間與低端輸入回路相連。如果in lo不同于模擬公共端，就會在系統(tǒng)中產(chǎn)生一共模電壓并會被電路優(yōu)異的共模抑制特性所抑制，然而在某些應(yīng)用場合，in lo會被設(shè)置成一已知的固定電壓，這時，模擬公共端也應(yīng)接至此同一點，一消除電路上的共模電壓。此問題對于參考電壓也同樣重要。如果參考源能方便的接至模擬公共端，就必須要接。因為只有這樣才可以消除由于參考源系統(tǒng)而引入的共模電壓。在芯片內(nèi)部，模擬公共端連接至一n溝道場效應(yīng)管，改管子有約30m a的限電流能力，以是模擬公共端的電壓維持在比電源電壓低2.8v。但是該模擬公共端只有10u a的遠電流能力。由于此，common端可方便的連接至負電壓而不必考慮內(nèi)

13、部的參考源。 圖 3 采用外部參考源的連接方法2.3 數(shù)字部分圖4畫出了icl7107的數(shù)字部分框圖，除了去掉穩(wěn)壓部分和背極驅(qū)動以及將字符驅(qū)動電流由2m a增加到8m a以滿足儀表上用的共陽極led數(shù)碼管的驅(qū)動要求之外，其余與icl7106都是一樣的。由于千位的輸出（19腳） 要驅(qū)動兩個led段，它是驅(qū)動能力加大一倍，達到16m a。 圖 4 icl7107數(shù)字部分框圖2.4元器件的選擇說明1. 積分電阻緩沖放大器和積分器都帶有甲類輸出放大器，靜態(tài)電流均為100u a左右。輸出為4u a是的非線性度小，可忽略不計。積分電阻必須足夠大，以使在整個輸入信號的積分電流都落在這個線性度很好的區(qū)間。同時

14、積分電流又必須大到印刷版上的漏電流可以忽略。對于2v的滿量程，470k是最優(yōu)的，滿量程為200m v時，可選47k。 2積分電容 積分電容的選擇必須使得最大電壓擺幅不達到積分器輸出電壓的最大飽和擺幅，當icl7107的模擬公共端用作參考點時，積分器輸出滿量程標稱為2v時最佳，當icl7107用+5v電源供電，模擬公共端接地時，±3.5至+4v的標稱輸出擺幅為最好。 選擇積分電容的另一個要求是其漏電要小，以減少反轉(zhuǎn)誤差。較合適的電容式聚丙烯電容，它的漏電幾乎可完全忽略，而成本又低。3.自動校零電容 自動校零電容的大小對系統(tǒng)的噪聲會有些影響。在200m v滿量程時，噪聲顯的很重要。這里使

15、用的是0.047u f電容，這樣，噪聲的合理的范圍內(nèi)，同時，也加快了過載的恢復(fù)速度。4.參考電容 在絕大多數(shù)使用場合下，0.1u f的電容效果最好。然而，當存在較大的共模電壓和使用200m v的滿量程時，可選用較大的電容，一防止產(chǎn)生反轉(zhuǎn)誤差。5.震蕩器元件 在所有的頻率范圍內(nèi)，使用的是100k的震蕩電阻，震蕩電容的值用下式進行推算f=0.45/rc。在48khz震蕩頻率時，c=100p f.6.icl7107的電源供應(yīng) icl7107設(shè)計工作于±5v的電源電壓，如果負電壓源沒有時，可利用時鐘輸出信號，外接2只二極管、2只電容和一塊廉價的集成電路來產(chǎn)生這個負電源。三 系統(tǒng)組合及程序流程

16、3.1簡易數(shù)字電壓表基本組成部分 簡易數(shù)字電壓表主要是由電源電路、復(fù)位電路 、時鐘電路 、 下載電路、顯示電路，轉(zhuǎn)換電路這幾部分組成。本次設(shè)計介紹了用icl7107集成電壓轉(zhuǎn)換芯片制作的數(shù)字直流電壓表。在測量儀器中，電壓表是必須的，而且電壓表的好壞直接影響到測量精度。具有一個精度高、轉(zhuǎn)換速度快、性能穩(wěn)定的電壓表才能符合測量的要求。為此，我們設(shè)計了數(shù)字電壓表，此作品主要由icl7107轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，a/d轉(zhuǎn)換器在單片機的控制下完成對模擬信號的采集和轉(zhuǎn)換功能，最后由數(shù)碼管顯示采集的電壓值。待添加的隱藏文字內(nèi)容2 3.1.1基本電路圖 圖5 基本電路圖注意事項：1. 芯片的第一腳，是正放芯片，面對型號

17、字符，然后，在芯片的左下方為第一腳。也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一腳了。2. 芯片第一腳是供電，正確電壓是 dc5v 。第 36 腳是基準電壓，正確數(shù)值需要用可調(diào)電阻調(diào)整成是 100mv，第 26 引腳是負電源引腳，正確電壓數(shù)值是負的，在3v 至5v 都認為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。芯片第 31 引腳是信號輸入引腳，可以輸入 ±199.9mv 的電壓。在一開始，可以把它接地，造成“0”信號輸入，以方便測試。3. 芯片 27,28,29 引腳的元件數(shù)值，它們是 0.22uf,47k,0.47uf 阻容網(wǎng)絡(luò)，這三個元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡(luò)，不能使用瓷片電容。

18、芯片的 33 和 34 腳接的 104 電容也不能使用瓷片電容。4. 芯片的電源地是 21 腳，模擬地是 32 腳，信號地是 30 腳，基準地是 35 腳，通常使用情況下，這 4 個引腳都接地，在一些有特殊要求的應(yīng)用中，30 腳或 35 腳就可能不接地而是按照需要接到其他電壓上。5. icl7107 也經(jīng)常使用在 ±1.999v 量程，這時候，芯片 27,28,29 引腳的元件數(shù)值，更換為 0.22uf,470k,0.047uf 阻容網(wǎng)絡(luò)，并且把 36 腳基準調(diào)整到 1.000v 就可以使用在±1.999v 量程了。6. icl7107輸出的千位數(shù)、百位數(shù)、十位數(shù)、個位數(shù)這

19、段驅(qū)動信號直接連接到四個共陽極led數(shù)碼管，其中千位數(shù)碼管led4之：“b”段和 “c”段都由icl7107的pin19“bc4”驅(qū)動；“g段”由icl7107的pin20極性顯示端pol驅(qū)動，用來顯示負號。 3.1.2軟件程序流程圖u轉(zhuǎn)入 電路a/d轉(zhuǎn)換計數(shù)器譯碼驅(qū)動數(shù)字顯示電源基準電源邏輯控制 圖5 圖6四 組裝焊接及調(diào)試4.1組裝焊接 設(shè)計工具及耗材： 電烙鐵、焊錫、松香、導(dǎo)線、螺絲刀、 元件表數(shù)字電壓表.sch名稱符號單位量 x數(shù)量數(shù)字電壓表.schicl7107 x 1數(shù)字電壓表.sch電容c1100pf x 1數(shù)字電壓表.sch電容c210uf x 1數(shù)字電壓表.sch電容c30.1uf/104 x 1數(shù)字電壓表.sch電容c4/103 x 1數(shù)字電壓表.sch電容c50.47uf/474 x 1數(shù)字電壓表.sch電容c60.22uf/224 x 1數(shù)字電壓表.sch電阻r11k x 5數(shù)字電壓表.sch電阻r220k x 2數(shù)字電壓表.sch電阻r3100k x 2數(shù)字電壓表.sch電阻r41m x 1數(shù)字電壓表.sch電阻r547 x 1數(shù)字電