四位半数字电压表设计.doc

位数字电压表摘要 随着电子科学技术、传感技术、自动控制技术和计算机的发展，电阻、电压、电流等数值的测量变得越来越常见，其中电压的测量最为常见。传统的指针式电压表应经无法满足如今高精度的要求，数字电压表的诞生很好地解决了这一问题。 数字电压表(Digital Voltmeter)简称DVM,它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。且数字电压表精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，集成方便,读数方便。 目前由各种A/D转换器构成的数字电压表,已被广泛应用于电子及电工测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测试领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到站新水平。综上所述，数字电压表在现在及将来都会有广大的应用。关键词：电压测量 数字电压 数码管关键字: 译码器 ICL7135位数字电压表的英文Abstract Four in digital design a form Summary As the voltage the table design the electronic science and technology, and sensing technology, automatic control technology and computer technology development, an electronic survey become the workers must acquire the means of electronics, precision measurement and functional requirements are higher and higher monolithic integrated circuits as computer technology have a wide application in industry, intellectualized instruments, household appliances and electronic toys and other areas. this article introduced a monolithic integrated circuits 89s52 the numbers measure the voltage electrical circuit used icl7135 high precision, two points a d transforming circuit, a direct measurement range of 0 - ± 2000 and lcd1601 use lcd modules, and in the pc to the serial communication.Keywords voltage measurement displayed目录1 绪论.41.1国内外数字电子发展概况.41.2 主要任务.61.3设计内容及要求.61.4设计目的.62 数字电压表基本组成原理及电路设计.62.1.1 数字电压表基本原理及系统框图.63数字电压表的硬件设计.73.1四位半AD转换器ICL7135的功能简介 .73.1.1 ICL7135的原理.83.1.2 7135主要特点.83.1.3 ICL7135的管脚说明.93.2 ICM7556的管脚说明.113.3 74HC04功能简介.123.4 74LS47译码器简介.133.4.1 74LS47的管脚分布和说明.143.4.2 74LS47原理.153.5并行BCD码的输出.153.6输入滤波电路及负电源组成原理.164调试要点及测试方法. 175致谢. 186参考文献.19附录.201. 绪论 1.1国内外数字电子发展概况数字技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路（SSI）发展到目前的中、大规模集成电路（MSI、LSI）及超大规模集成电（VLSI）。相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设计（中、小规模集成器件）、软件逻辑设计（软件组装的LSI和VSI，如微处理器、单片机等）及兼有二者优点的专用集成电路（ASIC）设计。在电量的测量中，电压，电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表成为一种必不可少的测量仪器。并且，有各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛应用于电子及电工测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专业数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。                 目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。电子技术特别是数字电子技术发展迅速，大大推动了信息技术的发展，电子技术的新理论、新器件、新技术不断出现，对我们学生的能力提出更高的要求。随着电子科学技术的飞速发展，技术的发展对科学技术、国民经济和国防各领域的日益深入的影响和渗透。单纯从技术开发能力来讲，国内与国外差距并不大。从事手持设备应用系统开发的有关专家认为，中国的工科学生即使是普通大学的毕业生在技术素质上也不比国外同行差，所欠缺的只是实践经验，只要稍加培训即可。但同时也指出，由于中国制造商推出的产品技术含量低，价格低，因而利润很薄，结果就没有更多力量搞开发，于是又更加无法提高技术含量，要想发展就必须首先突破这一怪圈。 1.2 主要任务（1）将四位半的数字电压表的元件焊在电板上，并进行调试，将四位半电压表显示与主机的电压表显示接近（误差要小，最好接近）。（2）了解各元件的作用，熟悉其用法。 （3）了解四位半数字电压表在生活中实际运用。1.3设计内容及要求(1) 测量范围是-1.9999+1.9999 V(2) 有自动调零的功能（5位全显示0）(3) 在正常范围内允许有+/-1个自号跳动。(4) 组装并调试四位半数字电压表。(5) 画出数字电压表电路原理图与元器件布置图，写出设计说明书。1.4设计目的(1) 理论与实践相结合设计四位半数字电压表。(2) 掌握四位半数字电压表的设计原理、组装、焊接与调试方法。(3) 了解，掌握，并能独立调式设计四位半数字电压表。以及各组成元件的使用和原理。(4) 熟练使用万用表的各个功能2.数字电压表的基本组成原理及电路设计2.1数字电压表基本原理及系统框图数字电压表的基本原理：该数字电压表是按照普通应用电路而组合成为最基本的数字表头，主要使用了其±2.0000V的直接测量功能。电路里采用 74HC04组成-5V电压产生电路，以及 ICL7135 需要的时钟信号电路，省去了用户使用双电源供电的麻烦，只需要给表头供电 +5V 就可以正常使用。小数点选择电路是通过一个NPN 型三极管，利用它的驱动源是选择哪一位数码管的位扫描驱动信号来达到对应使该位的小数点点亮的目的。基本质量的快速判别：送入 +5V 直流稳压电源（小心：电源不能反接，否则，顷刻之间可能令电压表报废！），屏幕上面应该显示随机数字，用金属短路 2个输入端口（Vin与GND），屏幕应该显示±0000,（允许有 ±1个字的变化），利用指针万用表的 X1电阻挡，（或者是一节 1.5V 电池），输入到电压表的信号输入端口，屏幕应该显示该电池的数字。例如：15034 (具体应该以电池电压为准），如果你需要选择决定小数点的位置，可以通过选择小数点来让它显示 1.5034 或者 15.034 等等。交换输入信号的极性，应该有负号出现，显示为 -15034,（允许有±1个字的翻转误差，人工无法修改，由芯片制作厂商决定此指标）。经过这么一轮测试，如果都没有问题，表头就可以准备使用了。校准测量精度：可以使用最简单的方法校准，就是利用一只数字万用表监视着芯片第二引脚的电压，微调多圈电位器，使读数1.0000V,(允许± 2 个字)，然后，输入一个信号电压，用数字万用表监视，是否读数一致，如果不一致，再仔细微调多圈电位器令其达到一致。校准后，可以用指甲油小许封住多圈电位器的微调螺钉，以防移位，之后，就可以投入正常使用了。（表头已经出品时校准在 2V 量程，基准1.0000V，± 2 个字）。系统框图如图一所示： 基准电压LED 数码显示电路ICL7135A/D 驱动器 输入电压译码器 时钟信号图1 系统框图3.数字电压表的硬件设计3.1 LED及四位半AD转换器ICL7135的功能简介 英文单词的缩写，主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；LED = Large Electronic Display，大型电子展示；LED = Lupus erythematosus disseminatus，播散性红斑狼疮，一种慢性、特发性自身免疫病；led是lead的过去式和过去分词，意为“领导，带领”；俄罗斯Pulkovo机场的IATA代码。本词条主要介绍发光二极管。    ICI7135是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出±20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲).故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量.图1给出了ICL7135时序,由图可见,当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止.图1 1CL7135时序3.1.1 ICL7135的原理数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。7135一次A/D转换周期分为四个阶段：1、自动调零（AZ）；2、被测电压积分（INT）；3、基准电压反积分（DE）；4、积分回零（ZI）。具体内部转换过程这里不做祥解，主要介绍引脚的使用。3.1.2 7135主要特点1 在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作。2 在±2000字（2V满量程）范围内，保证转换精度±1字。3 具有自动极性转换功能。4 输出电流典型值1PA。5所有输出端和TTL电路相容。6有过量程（OR)和欠量程（UR)标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。 7 输出为动态扫描BCD码。8 对外提供六个输入,输出控制信号(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于数字电压表外,还能与异步接收 /发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。9 采用28外引线双列直插式封装，外引线功能端排列如图所示。3.1.3 ICL7135的管脚说明ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图2所示             图2 1CL7135芯片引脚V- （1脚）负电源端REFERENCE （2脚）外接基准电压输入端ANALOG COMMON（三脚）模拟地INT（4脚）积分器输出，外接积分电容（Cint)端AZ（5脚）外接调零电容（Caz)端BUFF（6脚）缓冲器输出，外接积分电阻（Rint)端REFCAP+(8脚)外接基准电压电容（Cr)端INLO（9脚）被测电压低输入端INHI（10脚）被测电压高输入端V+（11脚）正电源端D5、D4、D3、D2、D1（12，17，18，19，20脚）位扫描选通信号输出端，每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号，脉冲宽度为200个时钟周期，其中D5对应万位选通，以下依次为千、百、十、个位。在正常输入情况下，D5- D1输出连续脉冲。当输入电压过量程时，D5-D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。利用这个特性，可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象. B8、B4、B2、B1（16，15，14，13脚）BCD码输出端，该四端为转换结果BCD码输出，采用动态扫描输出方式，即当位选信号D5=“1”时，该四端的信号为万位数的内容，D4=“1”时为千位数内容，其余依次类推。在个、十、百、千四位数的内容输出时，BCD码范围为0000-1001，对于万位数只有0和1两种状态，所以其输出的BCD码为“0000”和 “0001”。当输入电压过量程时，各位数输出全部为零，这一点在使用时应注意。 BUSY（21脚）指示积分器处于积分状态的标志信号输出端，在双积分阶段（INT+DE），BUSY为高电平，其余时为低电平。因此利用BUSY功能，可以实现A/D转换结果的远距离双线传送，其还原方法是将BUSY和CLK“与”后来计数器，再减去10001就可得到原来的转换结果。CLK(22脚)时钟信号输入端，POL（23脚）极性输出端，当输入电压为正，则POL等于“1”，反之则等于“0”。DGNG（24脚）数字电路接地端R/H（25脚）转换/保持控制信号输入端，当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，7135处于连续转换状态，每40002个时钟周期完成一次A/D转换。若R/H由“1”变“0”，则 7135在完成本次A/D转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入电压变化的影响。因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。若把 R/H端用作启动功能时，只要在该端输入一个正脉冲（宽度300NS），转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。注意：第一次转换周期中的AZ阶段时间为9001-10001个时钟脉冲，这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。ST(26脚）选通信号输出端，主要用作外部寄存器存放转换结果的选通控制信号，每次A/D转换周期结束后，ST端都输出5个负脉冲，其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间，ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期，第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期产生。因为每个选信号（D5-D1）的正脉冲宽度为200个时钟周期（*只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期），所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。需要注意的是，若上一周期为保持状态（R/H=“0”）则 ST无脉冲信号输出。ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处理器进行传送。OR（27脚）过量程信号输出端当输入电压超出量程范围（20000），OR将会变高。该信号在BUSY信号结束时变高。在DE阶段开始时变低。UR（28脚）欠量程信号输出端。在电路内部，CLK和R/H两个输入端上分别设置了非门和场效应管的输入电路，以保证该两端在悬空时为高电平。3.2ICM7556管脚说明 ICM7556为14脚时基集成电路（如图所示），各脚主要功能如下（集成块图在下面）1地 GND2触发3输出4复位5控制电压6门限(阈值）7放电8电源电压Vcc。 图4 ICM7556的管脚在设计中通过管脚1和6连接7放电脚，构成多谐振荡器，集成电路外接电阻R5，R6和电容C5，由它们三个决定工作频率，可得出f=137KH,从而为A/D转换提供时钟信号。 接通电源以后Vcc通过R5,R6对电容进行充电，电路进入暂稳态过程，VC电位不断提高，当VC大于等于2/3Vcc时，比较器输出低电平，通过与非门后为高电平，电路发生一次翻转，当TD三极管导通，电容开始放电，当VC小于等于1/3Vcc时，比较器输出为高电平，与非门输出低电平，电路发生下一次翻转，重复过程的充放电过程，从而形成多谐振荡器，输出连续的时钟脉冲信号。3.3 74HC04功能简介74HC04采用COMS工艺，74HC04是CMOS 6反向器数字元件。其突出优点是可在26V电压下工作，既有电源范围宽的特点，并且很适合在低压下工作，不像4000系列CMOS电路。虽可用于315V电源，但在5V以下的输出能力已大为减弱。既有静态功耗低。74HC04的内部结构及引脚图如下图5 74HC04内部功能图图6 74HC04管脚分布1A-6A为输入端。1Y-6Y为输出端3.4 74LS47译码器简介74hc47/74ls47/54LS47为10线4线优先编码器，共有54/74147和54/74LS147两种线路结构型式，其主要电特性的典型值如下：147将9条数据线（19）进行4线BCD编码，即对最高位数据线进行译码。当19均为高电平时，编码输出（ABCD）为十进制零。故不需单设/IN0输入端。3.4.1 74LS47的管脚分布和说明图7 74LS47的管脚分布(1)LT()：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT()=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)BI()：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI()=0时。不论LT()和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。 (3)RBI(-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在RBI(-)=0作用下，使译码器输出全1。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。 (4)RBO()：灭零输出，它和灭灯输入BI()共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。3.4.2 74LS47原理它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表1列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。 表1LTRBIA3A2A1A0BIRBOabCdefg1100001000000101X00011100111111X00101001001021X00 11 10 0 00 11031X01 0 0 11 0 01 1 0 0 41X0 10 1 1 0 1 00 1 0 0 51X0 1 1 01 1 10 0 0 0 0 61X0 1 11 1 0 00 1 1 1 1 71X10 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 81X1001 1 0 00 1 1 0 0 9X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭0 X X X X X 1 0 00 0 0 0 083.5并行BCD码的输出ICL7135是动态扫描传送的，由最高位（万位）到最低位（个位），D5D1在正常的情况下扫描是按顺序的。ICL7135极性输出端POL外接9012接在显示器高位上，当输入为正时，POL极性输出高电平，9012截止为0，LED的G端为0，输出不显示，极性为0；反之，当POL极性输出低电平时，9012导通，LED的G端为1，点亮G，输出为负。3.6输入滤波电路及负电源组成原理在ICL7135的信号输入端，即“INLO-”“INLI+”两个管脚（9，10）与被测电压VX 之间接100K和0.1µF的RC滤波器，以提高整体抗干扰能力，以有利于增加整体的过载能力。ICL7135所需的“-5V”电源由74LS47的反相器并联为电源逆变电压，以提供所需的-5V电压要求。6个非门并联相当于一个非门，当输入脉冲为高电平时，经过非门反相器输出为低电平，当反相器输出高电平时，形成如图8所示电路，由点向C6充电至+5V止，这时D2反相截止，当反相器输出低电平时，形成如图9所示回路，当a相当于地，C6上的压降相当于+5V，C点为地，D3截止，D2导通。电流方向edb,输出一个-5V电压，满足一个电源供两种极性的要求，同时，选用稳定电压为3V的标准稳压二极管，并且用一个分压电阻与电位器串联，微调提供基准电压Vref=1V，基准电压的精度和准稳定性将直接影响转换的精度。4.调试要点及测试方法(1) 经总结将调试要点与测试方法总结为以下六点(2)接通电源电压+/-5V的电源，用万用表测量555多谐振荡器的电压，看是否为起振电压。(3)采用稳压电源，使其输出电压为199.99mV或1.9999V作模拟量输入信号，调整基准电压的电位器，使LED数码管显示值与输入模拟电压值相等。(4)基准电压测量，将正输入端短接，读数应为1000.01；检查自动调零功能，将输入端短路，也就是没有输入信号的时候，LED显示器应该显示“00000”。(5)检查超量程溢出功能，调节输入电压值，当超出测量范围时观察LED数码管是否有闪烁警告。(6)测试线性误差，将输入模拟电压信号从0V增加到1.9999V,用标准数字电压表检测输出，通过与LED显示值相比较，其最大偏差即为线性误差。(7)选择不同范围的电压值，检查各量程是否准确。5.致谢在新学期的开始，我们就进行了两周的课程设计。通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。我们在第一天就开始焊板子，这是我非常期待的事情，终于可以动手实验了。但是在焊板子的过程中，由于我的粗心，没有尽快的焊好，那个数码管一直再闪，别的同学很快都做完了，只有我们几个还在做，但是我们不放弃，一直耐心的做着，找原因，调试，在反反复复中终于成功了。在这个过程中，我就学会很多，做一件事，要有足够的耐心和信心才可以成功。在做课程设计的同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们通过各种途径查找资料了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能有所作为，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中，难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计给了我很多体会。6参考文献1赵淑范王宪伟.电子技术试验与课程设计M.北京：清华大学出版社，2006年2高有堂等编著.电子设计与实战指导M.北京：电子工业出版社，20073华中理工大学电子学教研室编.康华光主编.电子技术基础（数字部分）M.高等教育出版 社，1998.3553564华中理工大学电子学教研室编.康华光主编.电子技术基础（模拟部分）M.高等教育出版社，19985张国雄主编.测控电路M.北京：机械工业出版社，20007方慧生主编.PDS使用指南M.北京：电子工业出版社，19938聂典主编.Multisim9计算机仿真在电子电路设计中的应用M.北京：电子工业出版社，20079朱彩莲主编.Multisim电子电路仿真教程M.西安电子科技大学出版社，2007.212210 张国勋，缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法J. 电子技术应用，1993，第一期.11 http:/www.ic-on- ICL7135.PDF、MAX232.PDF12 钱豫平等编. 4半积分式数字直流电压表设计J.金华职业技术学院学报，Vol.8 No.42008年8月附录