数字式电压表—毕业设计.doc

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1、数字式电压表毕业论文班 级 08级通信2班 姓 名 秦啸天 学 号 083001120 指导教师 李世明 2010 年 11 月 10 日郑州信息科技职业学院机械电子工程系目录一 系统方案的设计任务及要求1.1 设计任务 1.1.1任务 1.1.2要求1.2 简易数字电压表基本方案 1.2.1模块方案的选择与论证 1.2.2ICL7107简介 1.2.3应用参数选用提示参考二 系统硬件设计与实现2.1 A/D模数转换方案的选取2.2 ICL7107功能说明2.3 数字部分2.4 元器件的选择说明三 系统组合及程序流程3.1 简易数字电压表基本组成部分 3.1.1基本电路图 3.1.2软件程序流

2、程图四 组装焊接及调试4.1 组装焊接4.2 调试结果分析五 总结附录摘要 介绍一种基于单片机ICL7107的数字式电压表（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）转换成不连续的、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求，这种以单片机为核心的新型智能仪表将计算机技术与测量控制技术有效结合，使得测量结果更准确可靠。设计突破了传统的电压表设计方式，提高了数字式电压表的性价比。 关键词：数字式电压表；单片机；ICL7107； 一 系统方案的设计任务及要求1.1 设计任务 1.1.1任务

3、本文是以直流数字电压表的设计为研究内容。首先对数字电压表作了详细介绍，接着讲述了数字电压表硬件电路的设计以及软件的设计，包括量程转换电路、数据采集电路，模数转换电路及显示电路的具体设计。其中还包括数字式直流电压表的结构构成、工作原理、集成芯片原理介绍及设计心得 1.1.2要求 测量范围：DC:0 1.999mv；测量精度：0.2，读数1个字节； 输入阻抗：大于100M; 工作方式：连续；显示方式：LED数字显示 自动调零，自动显示极性，电源电压：5V，双极性电源 1.2 简易数字电压表基本方案 1.2.1 模块方案选择与论证 根据设计要求选用高精度A/D转换器ICL7107进行数据转换，针对I

4、CL7107对模拟输入信号的要求，对输入信号进行量程转换并进行调理。阐述了ICL7107工作原理并对A/D 转换电路、参考电压电路、复位电路、时钟电路等电路进行具体设计。本设计从各个角度分析了由单片机组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了程序如何驱动单片机进而使系统运行起来的原理及方法。 软件的设计包括了对主程序、模数转换程序和显示程序的设计，给出了程序流程图。最后根据软硬件设计方案对系统进行了调试。 1.2.2 ICL7107简介ICL7107 是高性能、低功耗的三位半A/D转换器电路。它包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统，并可直接驱动发光二极管（LED

5、）。ICL7107将高精度、通用性和真正低成本很好的结合在一起。并接它有低于10的自动校零功能、零漂小于1V/，低于10p的输入电流，极性转换误差小于一个字节。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的优点。 图 1 7107芯片管脚图主要特点：保证零电平输入时，各量程的读值均为零；1p典型输入电流；真正的差动输入和差动参考源，直接LED显示驱动；很低的噪声（小于15Vp-p）；片上时钟；低功耗（典型值小于10mW）;不需外接有源电路； 1.2.3 应用参数选用提示参考二 系统硬件设计与实现2.1 A/D模数转换方案的选取 A/D

6、转换器是模拟量输入通道中的一个环节，单片机通过A/D转换器把输入模拟量变成数字量再处理。 随着大规模集成电路的发展，目前不同厂家已经生产出了多种型号的A/D转换器，以满足不同应用场合的需要。如果按照转换原理划分，主要有3种类型，即双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。目前最常用的是双积分和逐次逼近式。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点，比如ICL71XX系列等，它们通常带有自动较零、七段码输出等功能。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0808、ADC0809等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译

7、码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送入单片机进行分析和显示。 本设计中，由于对精度没做很大要求，我们采用双积分式A/D转换器ICL71072.2 ICL7107功能说明 1 模拟部分图2表示ICL7017的模拟部分。每个测试周期分为三个阶段，它分别是1）自动校零（A Z）；2）信号积分（INT）和3）反向积分阶段（DE）。 图 2 ICL7107模拟部分2.自动校零阶段 在自动校零阶段做三件事。第一，内部高端输入和低端输入与外部管脚脱开，在内部与模拟公共管脚短接。第二，参考电容充电到参考电压值。第三，围绕整个系统形成一个闭合的回路，对自动校零电容CA进行充电，以补偿缓冲放大器、

8、积分器和比较器的失调电压。由于比较器包含在回路中，因此自动校零的精度仅受限于系统噪声。任何情况下，折合到输入端的失调电压小于10V3.信号积分阶段 在信号积分阶段，自动校零回路断开，内部短接点脱开，内部高端输入和低端输入与外部管脚相连。转换器将IN HI和IN LO之间输入的差动输入电压进行一固定时间的积分，此差动输入电压可以在一很宽的共模范围内：与正、负电源的的差距各为1V之内。另一方面，若该输入信号相对于转换器的电源电压没有回转，可将IN LO连接到模拟公共端上，以建立正确的共模电压。在此积分阶段的最后，积分信号的极性也已经确定。4.反向积分阶段 最后一个阶段是反向积分阶段。低端输入在芯片

9、内部连接到模拟公共端，高端输入通过先前已充电的参考电容进行连接，内部电路能是电容的极性正确的连接以确保积分器的输出能回到零。积分器的输入回到零的时间正比于输入信号的大小。对应的数字输出为：显示值=1000VINVREF。 5.差动输入 输入端能承受输入放大器允许共模电压范围内的差动电压。即在比正电源低0.5V和比负电压高1V的范围。在此范围内，电路有86d B的共模抑制比。然而必须注意的是积分器的输入不能进入饱和区，一种最坏的情况可能是在输入端由一接近满量程的负向差动电压，同事又有一个较大的共模正向电压，负向的差动电压使得积分器的输出向正方向走，而此时金粉漆输出的正向摆幅又被正向共模电压所挤占

10、，在这种严格的应用条件下，可适当的牺牲一些精度，将积分器的输出电压摆幅降低到低于所推荐的2V满量程。积分器的输出可在比正电源低0.3V或比负电源高0.3V的范围内摆动而不影响线性度。6.模拟公共端 此管脚主要是为在电池供电的应用场合或输入信号相对于供电电源是浮动的系统中建立一个公共电压而设置的。COMMON管脚设置的电压比正电源约低2.8V，这样的选择可以使电池电压低至接近6V时仍能工作。然而，次模拟公共端有一些参考电压的特征。只有当总的供电电压足够高使得稳压管能工作时，此公共点的电压才有较低的电压系数和较低的输入阻抗。另外，片上参考源的一些不足也必须充分予以重视。在ICL710中，由于驱动L

11、ED数码管而导致的内部发热会使性能下降。由于塑料的热阻比陶瓷的大，因此塑封电路比瓷封电路在这方面的性能要差，由于参考源的温度系数、片上功耗的封装的热阻等原因，会使接近满量程的噪声上升。另外，高功耗与低功耗使得线性度之差会达到一个字节，甚至更多。参考源有正温度系数的电路在量程溢出时会多出几个字。这是因为溢出时三个低位数均不显示，而处于低功耗状态。相似的，参考源为负温度系数的电路会在溢出和非溢出读值之间来回交替变化。这是由于芯片不断被加热和冷却的结果。所有这些问题在使用外部参考原始自然就解决了。模拟公共端在自动校零和反向积分期间与低端输入回路相连。如果IN LO不同于模拟公共端，就会在系统中产生一

12、共模电压并会被电路优异的共模抑制特性所抑制，然而在某些应用场合，IN LO会被设置成一已知的固定电压，这时，模拟公共端也应接至此同一点，一消除电路上的共模电压。此问题对于参考电压也同样重要。如果参考源能方便的接至模拟公共端，就必须要接。因为只有这样才可以消除由于参考源系统而引入的共模电压。在芯片内部，模拟公共端连接至一N沟道场效应管，改管子有约30m A的限电流能力，以是模拟公共端的电压维持在比电源电压低2.8V。但是该模拟公共端只有10u A的远电流能力。由于此，COMMON端可方便的连接至负电压而不必考虑内部的参考源。 图 3 采用外部参考源的连接方法2.3 数字部分图4画出了ICL710

13、7的数字部分框图，除了去掉稳压部分和背极驱动以及将字符驱动电流由2m A增加到8m A以满足仪表上用的共阳极LED数码管的驱动要求之外，其余与ICL7106都是一样的。由于千位的输出（19脚） 要驱动两个LED段，它是驱动能力加大一倍，达到16m A。 图 4 ICL7107数字部分框图2.4元器件的选择说明1. 积分电阻缓冲放大器和积分器都带有甲类输出放大器，静态电流均为100u A左右。输出为4u A是的非线性度小，可忽略不计。积分电阻必须足够大，以使在整个输入信号的积分电流都落在这个线性度很好的区间。同时积分电流又必须大到印刷版上的漏电流可以忽略。对于2V的满量程，470K是最优的，满量

14、程为200m V时，可选47k。 2积分电容 积分电容的选择必须使得最大电压摆幅不达到积分器输出电压的最大饱和摆幅，当ICL7107的模拟公共端用作参考点时，积分器输出满量程标称为2V时最佳，当ICL7107用+5V电源供电，模拟公共端接地时，3.5至+4V的标称输出摆幅为最好。 选择积分电容的另一个要求是其漏电要小，以减少反转误差。较合适的电容式聚丙烯电容，它的漏电几乎可完全忽略，而成本又低。3.自动校零电容 自动校零电容的大小对系统的噪声会有些影响。在200m V满量程时，噪声显的很重要。这里使用的是0.047u F电容，这样，噪声的合理的范围内，同时，也加快了过载的恢复速度。4.参考电容

15、 在绝大多数使用场合下，0.1u F的电容效果最好。然而，当存在较大的共模电压和使用200m V的满量程时，可选用较大的电容，一防止产生反转误差。5.震荡器元件 在所有的频率范围内，使用的是100K的震荡电阻，震荡电容的值用下式进行推算f=0.45/RC。在48KHz震荡频率时，C=100p F.6.ICL7107的电源供应 ICL7107设计工作于5V的电源电压，如果负电压源没有时，可利用时钟输出信号，外接2只二极管、2只电容和一块廉价的集成电路来产生这个负电源。三 系统组合及程序流程3.1简易数字电压表基本组成部分 简易数字电压表主要是由电源电路、复位电路 、时钟电路 、 下载电路、显示电

16、路，转换电路这几部分组成。本次设计介绍了用ICL7107集成电压转换芯片制作的数字直流电压表。在测量仪器中，电压表是必须的，而且电压表的好坏直接影响到测量精度。具有一个精度高、转换速度快、性能稳定的电压表才能符合测量的要求。为此，我们设计了数字电压表，此作品主要由ICL7107转换器构成，A/D转换器在单片机的控制下完成对模拟信号的采集和转换功能，最后由数码管显示采集的电压值。待添加的隐藏文字内容2 3.1.1基本电路图 图5 基本电路图注意事项：1. 芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。2. 芯片第一脚是供电

17、，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值需要用可调电阻调整成是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在3V 至5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。3. 芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用瓷片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用瓷片电容。4. 芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号

18、地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中，30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。5. ICL7107 也经常使用在 1.999V 量程，这时候，芯片 27,28,29 引脚的元件数值，更换为 0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络，并且把 36 脚基准调整到 1.000V 就可以使用在1.999V 量程了。6. ICL7107输出的千位数、百位数、十位数、个位数这段驱动信号直接连接到四个共阳极LED数码管，其中千位数码管LED4之：“b”段和 “c”段都由ICL7107的PIN19“bc4”驱动；“g段”

19、由ICL7107的pin20极性显示端POL驱动，用来显示负号。 3.1.2软件程序流程图U转入 电路A/D转换计数器译码驱动数字显示电源基准电源逻辑控制 图5 图6四 组装焊接及调试4.1组装焊接 设计工具及耗材： 电烙铁、焊锡、松香、导线、螺丝刀、 元件表数字电压表.Sch名称符号单位量 X数量数字电压表.SchICL7107 X 1数字电压表.Sch电容C1100pF X 1数字电压表.Sch电容C210uF X 1数字电压表.Sch电容C30.1uF/104 X 1数字电压表.Sch电容C4/103 X 1数字电压表.Sch电容C50.47uF/474 X 1数字电压表.Sch电容C6

20、0.22uF/224 X 1数字电压表.Sch电阻R11K X 5数字电压表.Sch电阻R220K X 2数字电压表.Sch电阻R3100K X 2数字电压表.Sch电阻R41M X 1数字电压表.Sch电阻R547 X 1数字电压表.Sch电阻R6240 X 2数字电压表.Sch可变电阻RWF2K X 1数字电压表.Sch二极管1N4148 X 1数字电压表.Sch三极管N3904 X 1数字电压表.SchTL431 X 1数字电压表.Sch电感L2.2m HL X 1数字电压表.Sch4U7 X 2数字电压表.Sch显示LED X 4数字电压表.SchPCB15*15 X 14.2 调试结

21、果分析 因为此数字电压表是简易数字直流电压表，由于设备的原因，用的是函数信号发生器，输出信号的频率尽管很低，在实验观察中发现显示在数码管上的数值很不稳定，误差也很大，在02V测量时有60mV左右的误差，在2V5V范围内测量时有80mV左右的误差。五 总结致谢 本次简易直流数字电压表的设计，我非常感谢指导这次课题研究的李世明老师，以及给予我帮助的蒋鹏坤、侯永峰同学。在此次数字电压表的设计中，正是他们耐心的讲解和热心的帮助才使我顺利完成了这个课题的设计，借此机会我想向他们表示衷心的感谢，谢谢你们在这次课题研究中帮助了我，让我找到了我存在的错误和不足之处，协助我解决了面临的困难、提供了技术上支持。在此真心的感谢你们！此致敬礼参考文献1 陈明荧.ICL7107单片机课程设计实训教材 北京:清华大学出版社，2004年2 张志良.单片机原理与控制技术M.北京：机械工业出版社， 2005年第二版3 唐俊翟.单片机原理及应用M.北京:冶金工业出版社,2003年4 张迎新.单片机初级教程M.北京：北京航天航空大学出版社，2000年附录实物图片