四位半數字電壓表課程設計

1、四位半數字電壓表摘要四位半數字電壓表主要分為四部分：測量部分、顯示部分、脈沖部分、供電部分。該電路采用 ICLl7135高精度，此設備的測量范圍為直流0±2伏。測量部分是通過4位半雙積分式A/D轉換器ICL7135芯片實現。ICL7135對模擬電壓進行A/D轉換，輸出BCD碼，并自動輸出極性判斷信號，同時ICL7135用動態(tài)掃描傳送數據使數碼管亮滅的時間間隔短，保證了測量結果的穩(wěn)定顯示。74LS47和共陽數碼管是顯示部分，74LS74譯碼器接收ICL7135的BCD碼譯碼成控制信號去點亮數碼管，從而顯示出所測的模擬電壓值。用ICM7556配上合適的電阻電容組成多諧振蕩器作為脈沖部分產

2、生標準的137KHz頻率提供ICL7135工作時針信號。外接+5V和74HC04產生的-5V是供電部分給整個電路供電。關鍵詞 數字電壓表 A/D轉換 數碼管 Four And A Half Digital VoltmeterAbstract 4 1/2 digital voltmeter measurement are mainly divided into four parts: part, that part, pulse, power supply. Measurement part is through four half A/D converter ICL7135 chip. ICL

3、7135 to simulate A/D conversion voltage output, and automatic BCD output signal, and ICL7135 polarity judgment with dynamic scanning GuanLiang digital data transmission to destroy the time interval is short, guarantee the stability of measurement results. 74LS47 and Yang digital display 74LS74 part,

4、 is receiving the decoder ICL135 BCD decoding into the control signal to light, which showed that the simulation test voltage values. ICM7556 with matching appropriate resistance composed many harmonic oscillator as capacitance have standard 137KHz pulse frequency signal. ICL7135 provide working hou

5、r External + 5V and 74HC04 produces - for the part is 5V circuit power supply. Keywords The digital voltmeter A/D conversion Digital tube目 錄1前言11.1數字電壓表的特點及發(fā)展趨勢11.1.1 數字電壓表的特點21.1.2 數字儀表的發(fā)展趨勢31.2總體方案設計論證4設計要求4設計目的52 數字電壓表的基本組成原理及電路設計62.1數字電壓表基本原理及系統(tǒng)框圖62.2 輸入濾波電路及負電源組成原理623四位半A/D轉換器ICL7135的功能介紹72.3.1

6、 ICL7135的內部電路結構72.3.2 ICL7135的引腳功能介紹82.4 ICM7556時鐘振蕩器92.4.1 555組成的多諧振蕩電路102.4.2 ICM7556引腳分布102.5 驅動器、譯碼器、數碼顯示器112.6 并行BCD碼的輸出143 調試要點及測試方法153.1調試要點及測試方法153.2故障排除154 設計心得與體會16參考文獻17附錄：18附圖 四位半數字電壓表電路原理圖1前言1.1設計目的1、理論與實踐相結合，設計四位半數字電壓表2、掌握四位半數字電壓表的設計原理、組裝、焊接和調試方法。3、了解，掌握，并能獨立調試設計四位半數字電壓表。以及各組成元件的使用和原理。

7、4、熟練使用萬用表的各個功能。1.2設計內容及要求1、將準備的零器件組裝焊接，正確焊接數字電壓表。2、設計好的表測量范圍是-1.9991.999V。3、在正常范圍內允許+/-1個自號跳動。4、柱狀并調試四位半數字電壓表。5、患處數字電壓表電路原理圖與元器件布置圖。圖1 總體框圖1.3數字電壓表的特點 1顯示清晰直觀，讀數準確傳統(tǒng)的模擬式儀表必須借助于指針和刻度盤進行讀數，在讀數過程中不可避免的會引入人為的測量誤差。數字電壓表則采用先進的數顯技術，使測量結果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳讀現象，測量結果就是唯一的。新型數字電壓表還增加了標志符顯示功能，包括測量項目、符號單位和特殊符號、為解決DVM不

8、能反映被測電壓的連續(xù)變化過程以及變化趨勢這一難題，一種"數字/模擬條圖"儀表業(yè)已問世。"模擬圖條"（Anal of Bargraph）有雙重含義：第一，被測量為模擬量；第二，利用條狀圖形來模擬被測量的大小及變化趨勢。這類儀表將數字顯示與高分辨率模擬條圖顯示集于一身，兼有DVM與模擬電壓表之優(yōu)點。智能數字電壓表均帶微處理器和標準接口，可配合計算機和打印機進行數據處理或自動打印，構成完整的測試系統(tǒng)。2顯示位數顯示位數通常為31/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9種。判定數字儀表的位數有兩

9、條原則：能顯示09所有數字的位是整數位；分數位的數值是以最大顯示值中最高位數字為分子，用滿量程時最高數字作分母。例如，某數字儀表的最大顯示值為1999，滿量程計數值為2000，這表明該儀表有3個整數位，而分數位的分子為1，分母是2，故稱之為31/2位，讀作三位半。 3準確度高準確度是測量結果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。 4分辨率高數字電壓表在最低電壓量程上末位1個字所代表的電壓值，稱為儀表的分辨力，它反映儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數的增加而提高。分辨率是指所能顯示的最小數字（零除外）與最大數字的百分比。例如31/2位DVM的分辨率為1/19990.05。需要指出，分辨力與準確度屬于兩個不

10、同的觀念。從測量角度看，分辨力是"虛"指標（與測量誤差無關），準確度才是"實"指標（代表測量誤差的大?。?。 5測量范圍寬多量程DVM一般可測量01000V直流電壓，配上高壓探頭還可測上萬伏的高壓。 6擴展能力強在數字電壓表的基礎上，還可擴展成各種通用及專用數字儀表、數字多用表（DMM）和智能儀表，以滿足不同的需要。 7測量速度快數字電壓表在每秒鐘內對被測電壓的測量次數，叫測量速率，單位是"次/S"。它主要取決于A/D轉換器的轉換速率，其倒數是測量周期。 8輸入阻抗高 數字電壓表具有很高的輸入阻抗，通常為10M10000M，最高可達1T

11、。 9集成度高，微功耗 新型數字電壓表普遍采用CMOS大規(guī)模集成電路，整機功耗很低。 10抗干擾能力強 51/2位以下的DVM大多采用積分式A/D轉換器，其串模抑制比、共模抑制比各別可達100dB、80120dB。高檔DVM還采用數字濾波、浮地保護等先進技術，進一步提高了抗干擾能力，共模抑制比可達180dB。2 數字電壓表的基本組成原理及電路設計2.1數字電壓表基本原理及系統(tǒng)框圖數字電壓表的基本原理：數字電壓表(digital voltmeter)簡稱DVM,它是采用數字化測量技術，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續(xù)、離散的數字形式并加以顯示的儀表。如圖1所示，本系統(tǒng)所設計的4 1/2

12、電壓表由ICL7135-4 1/2位A/D轉換器、三極管9013驅動陣列、74LS47BCD到七段鎖存-譯碼-驅動器、共陽極LED發(fā)光管、基準電源、時鐘及量程開關電路組成。4 1/2位是指十進制0000019999，只有4位完整顯示位，其數字范圍為09，而其最高位只能顯示0或1，故稱為半位。它是按照普通運用電路而組合而成的最基本的數字表頭，主要使用了其2.0000的直接測量的功能。電器采用74HC04組成-5V電壓產生電路，以及ICL7135需要的時鐘信號電路，只需要給表頭供電+5V就可以正常使用，小數點選擇電路是通過一個NPN型三極管，利用它的驅動源是選擇哪一位數碼管的位掃描驅動信號來達到對

13、應使用，使該位的小數點點亮的目的?；举|量的快速判別：送入+5V直流穩(wěn)壓電源，屏幕上面應該顯示隨機數字，用金屬短接兩個輸入端口，屏幕上應該顯示“0000”，利用指針萬用表的X1電阻檔，輸入到表頭的信號輸入端口，屏幕上應該顯示電池的數字。交換輸入信號的極性，應該有負號出現。經過這樣一輪的測試，如果都沒有問題，表頭就可以準備使用了?；鶞孰妷涸葱蕼y量精度：可以使用最簡單的方法校準，就是使用一只數字萬用表監(jiān)視著芯片第二引腳的電壓，微調多圈電位器，使讀數等于1.0000V，然后輸入一個信號電壓，用數字萬用表監(jiān)視讀數是否一致，如果不一致，再仔細微調多圈電位器令其達到一致。量程開關4 1/2A/D電路顯示

14、電路字型譯碼驅動電路 時鐘電路字位驅動電路 圖2 數字電壓表系統(tǒng)框圖2.2 輸入濾波電路及負電源組成原理在ICL7135的信號輸入端，即“INLO-”“INHI+”兩個管腳(3、4)與被測電壓VX之間接100和0.1uF的RC濾波器，以提高整體抗干擾能力，也有利于增加整體的過載能力。ICL7135所需的“-5V”電源由74HC04的反相器并聯為電源逆變電路，以提供其所需要的-5V電壓要求。 6個非門并聯相當于一個非門，當輸入脈沖為高電平時，經過非門反相器輸出為低電平，當反相器輸出高電平時，形成如圖3所示電路，由點a向C6充電至+5V止，這時D2反相截止，當反相器輸出低電平時，形成如圖4所示回路

15、，點a相當于地，C6上的壓降相當于+5V，b點相當于-5V，C點為地，D3截止，D2導通。電流方向edb,輸出一個-5V電壓，滿足一個電源供兩種極性的要求，同時，選用穩(wěn)定電壓為3V的標準穩(wěn)壓二極管，并且用一個分壓電阻與電位器串聯，微調提供基準電壓VREF+=1，基準電壓的精度和準穩(wěn)定性將直接影響轉換的精度。圖3 電容充電電路 圖4 電容放電電路 23四位半A/D轉換器ICL7135的功能介紹A/D轉換器是數字電壓表、數字多用表及測量系統(tǒng)的"心臟"。ICL7135為全MOS工藝四位半雙積分式A/D轉換器。在單極性基準電壓(VREF+=1V)供給之下,能對雙積分極性輸入的模擬電

16、壓進行A/D轉換,并自動輸出極性判斷信號,它采用了自校零技術,可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定性,零點的溫度系數<2mv/,模擬輸入可以差動信號,輸入阻抗極高輸入端零點漏電流<10PA。 ICL7135的內部電路結構ICL7135的模擬電路部分主要外接器件是參考電壓存儲電容CR(C4)，積分電阻RINT(R2)和積分電容CINT(C2)和校零存儲電容CAZ(C2),其典型值為CINT=0.47uF,RINT=100K,電源電壓為雙電源±5V。ICL7135的數字部分分布圖如圖2所示，與5G14433的邏輯控制部分相似，主要功能包括：判別回積階段比較器的過零檢測，自動極性判別，

17、各模擬開關的定時邏輯控制，為了減少引出級數量，ICL7135也采用了位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即萬位、千位、百位、十位的BCD碼輪流地在B8、B4、B2、B1出現，并在D5D1各端同步出現字位選通端脈沖，另外，電路中還設置了一些輔助邏輯電路，如過量程欠量程判別電路，串行字位同步脈沖電路的形式，啟/?？刂齐娐返龋粌H提高了器件的啟動性能，也簡化了外部接口電路，如圖5。鎖存器數字多路選通開關及分配器鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器BCD碼計數器 模擬電路部分極性觸發(fā)器過零檢測邏輯控制電路圖5 ICL7135的數字部分分布圖 ICL7135的引腳功能介紹 圖6 ICL7135芯片頂視圖ICL7135芯片如

18、圖6，其功能介紹如下：V-(引腳1)：負電源輸入端。極限值-7V，通常取-5VVREF(引腳2)：基準電壓輸入端。一般取VREF+=1V，其精度和準確度將直接影響轉換精度AGND(引腳3)：模擬地INTOUT(引腳4)：積分器輸出端AZIN(引腳5)：自調零輸入端BUFOUT(引腳6)：緩沖放大器輸出端REFCAP+(引腳8)：外接基準電容引腳INLO-(引腳9)：信號輸入端(低端)INHI+(引腳10)：信號輸出端(高端)V+(引腳11)：正電源輸入端。極限值為+6V，通常取+5VD5D1(引腳12、1720)：BCD碼數據的位選通信號輸出端。分別選通萬、千、百、十、個位B1、B2、B4、B

19、8(引腳1316)：BCD碼數據輸出端 BUSY(引腳21)：轉換狀態(tài)標志輸出端。積分器在積分過程中BUSY輸出高電平，積分器在反向積分過零后輸出低電平(本次設計懸空) CLK(引腳22)：時鐘脈沖輸入端。工作于雙極性POL(引腳23)：極性輸出端。當輸入信號為正時，POL極性輸出為高電平，輸入信號為負時，POL極性輸出為低電平。DGND(引腳24)：數字地RIH-(引腳25)： 啟動轉換/保持控制端。接高電平時，ICL7135自動連續(xù)轉換，每隔40002個時鐘完成一次A/D轉換，接低電平時，A/D轉換結束后保持轉換結果，輸入一個正脈沖后(大于300ms)，重新啟動ICT7135開始下一次轉換

20、。ST-(引腳26)：數據輸出選通脈沖輸出端。其脈沖寬度為時鐘脈沖寬度的一半一次A/D轉換結束后，該端輸出5個負脈沖，分別選通高位到低位的BCD數據輸出端，可利用該信號把數據打入并行接口中供CPU讀取，這一點在和機接口時非常重要。OVERRANGE(引腳27)：過量程標志輸出端。當輸入信號讀數超過轉換器計數范圍時，該引腳輸出高電平。UNDER(引腳28)：欠量程標志輸出端。當輸入信號讀取小于9%或更小時，該端輸出高電平。2.4 ICM7556時鐘振蕩器時鐘振蕩器產生的時鐘脈沖的頻率直接影響A/D轉換器的采樣速度和抗干擾的能力。由ICM7556集成定時器構成的振蕩電路，易實現抗干擾能力強，其相當

21、于雙555定時器構成。 圖7 NE555集成電路構成多諧振蕩器電路及波形圖2.4.1 555組成的多諧振蕩電路多諧振蕩器也稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加觸發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩），A/D轉換器ICL7135提供工作時鐘信號，圖7所示為又集成555定時器組成的多諧振蕩器電路及工作波形圖。電阻RA，RB和電容C構成RC定時電路。電容在間周而復始進行沖放電過程，在輸出端就得到一系列矩形脈沖信號。進行分析可知，第一個暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度，即從充電上升到所需的時間為 （1）第二個暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度，即從放電下降到所需的時間為 （2）振蕩周期和振蕩頻率分別為 （3） （4）

22、 ICM7556引腳分布 集成電路外接電阻R5、R6和電容C5，由它們三個決定工作頻率，可得出f137KHz,從而為A/D轉換提供時鐘信號。 圖8 ICM7556引腳分布圖接通電源以后，VCC通過R5、R6對電容進行充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)過程，VC電位不斷提高，當VC大于等于2/3 VCC時，比較器輸出低電平，通過與非門后為高電平，電路發(fā)生一次翻轉，當TD三極管導通，電容開始放電，當VC小于等于1/3 VCC時，比較器輸出為高電平，與非門輸出低電平，電路發(fā)生下一次轉重復電容的充放電過程，從而形成多諧振蕩，輸出連續(xù)的時鐘脈沖信號。2.5 驅動器、譯碼器、數碼顯示器為了使A/D輸出能點亮發(fā)光數碼管，

23、所以中間需要驅動器，用5個NPN型三極管驅動。BCD碼七段譯碼驅動器有共陽和共陰兩類，型號有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CC4511（共陰）等。74LS47譯碼器，它是二十進制譯碼，轉換成七段顯示信號。數碼顯示器是用來顯示示數的，用發(fā)光二極管組成，亮度較亮，采用共陽極(與74LS47相匹配)。下面有74LS47為例，其管腳排列如圖10所示。 圖10 74LS47芯片頂視圖該器件輸入信號為BCD碼，輸出端為OA，OB，OC，OD，OE，OF，OG分別對應的，共7線，令有3條控制線，/。端為測試端。在 端接如高電平的條件下，當=0時，無論輸入端A，B，C，D為和值，輸出全為低電平，

24、使7段顯示器件顯示“8”字型，此功能用于測試器件。端為清零輸入端。=1，=1的條件下，當輸入ABCD=0000時，輸出全為高電平，可使共陽LED顯示熄滅。而且在輸入A，B，C，D不全為零時，仍能譯碼輸出，使顯示器正常顯示。端為消隱輸入端。該輸入端具有最高級別的控制權，當該端為低電平時，不管其他輸入為何值，輸出端均為高電平，這可使共陽顯示器熄滅。另外，該端還有第二個功能清零信號輸出端，記為。當該位輸入的ABCD=0000且=0時，此時輸出低電平；若該輸入的A，B，C，D不等于零，則輸出高電平。若與配合使用，很容易實現多位數碼顯示時的清零控制。例如對整數古部分，將最高位的接地，這樣當最高位為零時“

25、清零”，同時該位輸出低電平，使下一位的為低電平，古也具有“清零”功能；而對與小數部分，應將最低位的接地，個位的端懸空或接高電平，低為的接至高位的。其功能見表1 輸入 輸出顯示字型 D C B A 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 18無無1 1 1 0 0 0 01 1 0 0 0 11 1 0 0 1 01 1 0 0 1 11 1 0 1 0 01 1 0 1 0 11 1 0 1 1 01 1 0 1 1 11 1 1 0 0 01 1 1 0 0 11 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 10 1 0 0 1 0 00 1 1 0 0 0 00 0 1 1 0 1 00 0 1 0 0 1 00 0 0 0 0 1 01 1 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 001234567891 1 1 0 1 0 1 1 1 1