课程设计--数字电压表说明书

2
14位数字电压表
[摘要] 4 1/2数字电压表主要分为四部分：测量部分、显示部分、脉冲部分、供电部分。

本文介绍一种数字电压测量电路，该电路采用ICL7135高精度、AD 转换电路，将模拟量输入电压变换为数字量，通过芯片74LS47译码显示到数码管上。

ICL7135对模拟电压进行A/D 转换，输出BCD 码，并自动输出极性判断信号，同时ICL7135用动态扫描传送数据使数码管亮灭的时间间隔短，保证了测量结果的稳定显示。

整个设计利用反相器与555结合产生-5V 给ICL7135供电降低了电路的供电要求。

选用ICL7135使显示变得简单而又稳定.
这样，在几大模块的共同工作下，一个高精度的数字电压表就构成了。

[关键字]AD 转换;数字电压表 ; ICL7135
Four and a half digital voltmeter
[Abstract]1
4
2digital voltmeter measurement are mainly divided into four parts: part,
that part, pulse, power supply. Thi s article describes a digital voltage measuring circuit, the circuit ICL7135 precision This AD conversion circuit, the analog input voltage is converted to digital, digital tube through the chip 74LS47 decoding show.ICL7135 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.The whole design using inverter and bined to produce 555-5V circuit ICL7135 power supply decreased. ICL7135 choose to display bee simple and stable.
Thus, the joint work of several modules, a high-precision digital voltmeter constitutes. [Key words]AD conversion;The digital voltmeter ; ICL7135
目录
第1章前言1
1.1 数字电压表的特点及发展趋势1
1.1.1数字电压表的特点1
1.1.2数字电压表的发展趋势2
1.2 设计要求及方案选择3
1.2.1设计要求3
1.2.2方案选择3
第2章数字电压表单元电路设计4
2.1 A/D转换单元电路设计5
2.1.1A/D转换器ICL7135的功能介绍5
2.1.2A/D转换电路设计7
2.2 时钟产生单元电路设计8
2.2.1ICM7556功能介绍8
2.2.2ICM7556组成的多谐振荡器8
2.3 驱动及译码显示单元电路8
2.3.1驱动电路设计9
2.3.2译码电路设计9
2.3.3显示电路设计11
2.4 电源单元电路设计12
2.4.1正电源电路设计12
2.4.2负电源电路设计12
第3章调试要点及测试方法13
3.1 调试要点及测试方法13
3.2 故障及排除13
第4章设计总结13
4.1 设计总结14
4.2 设计心得14
第1章前言
1.1 数字电压表的特点及发展趋势
1.1.1数字电压表的特点
1．显示清晰直观，读数准确
传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。

数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。

新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号、为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种"数字/模拟条图"仪表业已问世。

"模拟图条"（Anal of Bargraph）有双重含义：第一，被测量为模拟量；第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。

这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM与模拟电压表之优点。

智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和打印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。

2．显示位数
显示位数通常为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种。

判定数字仪表的位数有两条原则：①能显示0～9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字
为分子，用满量程时最高数字作分母。

例如，某数字仪表的最大显示值为1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为31/2位，读作三位半。

3．准确度高
准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。

4．分辨率高
数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。

分辨力随显示位数的增加而提高。

分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。

例如31/2位DVM的分辨率为1/1999≈0.05％。

需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。

从测量角度看，分辨力是"虚"指标（与测量误差无关），准确度才是"实"指标（代表测量误差的大小）。

5．测量围宽
多量程DVM一般可测量0～1000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。

6．扩展能力强
在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。

7．测量速度快
数字电压表在每秒钟对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是"次/S"。

它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。

8．输入阻抗高
数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10MΩ～10000MΩ，最高可达1TΩ。

9．集成度高，微功耗
新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。

10．抗干扰能力强
51/2位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80～120dB。

高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。

1.1.2数字电压表的发展趋势
采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。

1．广泛采用新技术，不断开发新产品
2．模块化的发展方向
新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。

预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。

表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMD）将获得普遍应用。

这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。

所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（SMIC）和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。

3．多重显示仪表
为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，"数字/模拟条图"双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。

模拟条图大致分成三类：①液晶（LCD）条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适于电池供电的小型化仪表。

②等离子体（PDP）光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大。

③LED光柱，它是由多只发光二极管排列而成。

这种显示器的亮度高，成本低，但象素尺寸较大，功耗高，驱动电路复杂。

4．安全性
仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。

一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准（例如美国UL认证，欧洲GS认证，ISO9001国际标准质量认证）；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警告指示。

仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。

以DMM为例，常见的误操作是用电流档或电阻档去测量电压。

5．操作简单化
本次课程设计我们仅选数字电压表中的四位半数字电压表来进行设计。

1.2 设计要求及方案选择
1.2.1设计要求
1.设计数字电压表电路。

2.测量围：直流电压±1.9999V或±199.99mV
3.用199.99mV或1.9999V的模拟电压作为输入，校准电压表的读数。

4.在正常围允许有+/-1个自号跳到。

5.有自动调零的功能（5位全显示零）。

1.2.2方案选择
本系统所设计的四位半数字电压表由ICL7135（41/2位A/D转换器）、三极管9013
驱动阵列、74LS47BCD到七段锁存-译码-驱动器、共阳极LED发光数码管、基准电源、时钟及量程开关电路组成。

41/2位是指十进制00000~19999，只有4位完整显示位，其数字围为0~9，而其最高位只能显示0或1。

ICL7135对模拟电压进行A/D转换，输出BCD码，并自动输出极性判断信号，同时ICL7135用动态扫描传送数据使数码管亮灭的时间间隔短，保证了测量结果的稳定显示。

74LS47和共阳数码管是显示部分，74LS74译码器接收ICL7135的BCD码译码成控制信号去点亮数码管，从而显示出所测的模拟电压值。

用ICM7556配上合适的电阻电容组成多谐振荡器作为脉冲部分产生标准的137KHz频率提供ICL7135工作时针信号。

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用，使该位的小数点点亮的目的。

外接+5V和74HC04产生的-5V是供电部分给整个电路供电。

第2章数字电压表单元电路设计
2.1 A/D转换单元电路设计
2.1.1A/D转换器ICL7135的功能介绍
1. ICL7135工作原理
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2.1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2.1 1CL7135时序图
2. ICL7135引脚功能及含义
ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图2.2所示
图2.2 1CL7135芯片引脚图ICL7135引脚功能及含义如下:
(1)与供电及电源相关的引脚(共7脚) .-V:ICL7135负电源引入端,典型值-5V,极限值-9V;
.+V:ICL7135正电源引入端,典型值+5V,极限值+6V;
.DGND:数字地,ICL7135正,负电源的低电平基准;
.REF:参考电压输入,REF的地为AGND引脚,典型值1V,输出数字量
=10000×(VIN/VREF);
.AC:模拟地,典型应用中,与DGND(数字地)"一点接地";
.INHI:模拟输入正;
.INLO:模拟输入负,当模拟信号输入为单端对地时,直接与AC相连.
(2)与控制和状态相关的引脚(共12脚)
.CLKIN:时钟信号输入.当T=80ms时,fcp=125kHz,对50Hz工频干扰有较大抑制能力,此时转换速度为3次/s.极限值fcp=1MHz时,转换速度为25次/s.
.REFC+:外接参考电容正,典型值1μF.
.REFC-:外接参考电容负.
.BUFFO:缓冲放大器输出端,典型外接积分电阻.
.INTO:积分器输出端,典型外接积分电容.
.AZIN:自校零端.
.LOW: 欠量程信号输出端,当输入信号小于量程围的10%时,该端输出高电平.
.HIGH:过量程信号输出端,当输入信号超过计数围(20001)时,该端输出高电平.
.STOR:数据输出选通信号(负脉冲),宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次A/D转换
结束时,该端输出5个负脉冲,分别选通由高到低的BCD码数据(5位),该端用于将
转换结果打到并行I/O接口.
.R/H:自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时;每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转换;当输入为低电平时,转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲,才能启动下一次转换.
.POL:极性信号输出,高电平表示极性为正.
.BUSY:忙信号输出,高电平有效.正向积分开始时自动变高,反向积分结束时自动变低.
(3)与选通和数据输出相关的引脚(共9脚)
.B8～B1:BCD码输出.B8为高位,对应BCD码;
.D5:万位选通;
.D4～D1:千,百,十,个位选通.
3. ICL7135主要参数
ICL7135主要参数如表2.1所示。

2.1.2A/D转换电路设计
A/D转换器是数字电压表、数字多用表及测量系统的"心脏"。

ICL7135为全MOS工艺4位半双积分式A/D转换器。

在单极性基准电压(VREF+=1V)供给之下,能对双积分极性输入的模拟电压进行A/D转换,并自动输出极性判断信号,它采用了自校零技术,可保证零点在常温下的长期稳定性,零点的温度系数<2mv/℃,模拟输入可以差动信号,输入阻抗极高输入端零点漏电流<10PA。

2.2 时钟产生单元电路设计
2.2.1ICM7556功能介绍
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≈137KHz,从而为A/D转换提供时钟信号。

时钟振荡器产生的时钟脉冲的频率直接影响A/D转换器的采样速度和抗干扰的能力。

由ICM7556集成定时器构成的振荡电路，易实现抗干扰能力强，其相当于双555定时器构成。

下图为ICM7556芯片引脚排列
ICM7556引脚含义及功能如下：
DISCHARGE：放电TRIGGER：触发
THRESHOLD：门限OUTPUT：输出
CONTROL：控制电压RESET：复位
RESET：复位（低电平有效）CONTROL：控制电压
OUTPUT：输出THRESHOLD门限
TRIGGER：触发（低电平有效）DISCHARGE：放电
GND：地VDD：电源电压Vcc
2.2.2ICM7556组成的多谐振荡器
多谐振荡器也称为无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加触发脉冲，
就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡），A/D转换器ICL7135提供工作时钟信号，图7所示为又集成555定时器组成的多谐振荡器电路及工作波形图。

电
阻R1，R2和电容C构成RC定时电路。

电容C在间周而复始进行充放电过程，在输出端就得到一系列矩形脉冲信号。

进而分析可知，第一个暂稳态的脉冲宽度，即Vc从充电上升到所需时间为
第二个暂稳态的脉冲宽度，即从放电下降到所需时间为
=0.7 c
振荡周期T和振荡频率f分别为
T=+0.7(R1+R2)c
f=1/T1/[0.7(R1+R2)c]
2.3 驱动及译码显示单元电路
2.3.1驱动电路设计
为了使A/D输出能点亮发光数码管，所以中间需要驱动器，用5个NPN型三极管驱动。

BCD码七段译码驱动器有共阳和共阴两类，型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CC4511（共阴）等。

2.3.2译码电路设计
74LS47译码器，它是二—十进制译码，转换成七段显示信号。

下图为74LS47芯片管脚排列图
74LS47各管脚功能及含义如下：
A0–A3：BCD码输入
：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=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。

：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=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。

：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。

=0时。

不论和输入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。

：灭零输出，它和灭灯输入共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。

–：段输出(低电平有效）
该器件输入信号为BCD码，输出端为OA，OB，OC，OD，OE，OF，OG分别对应的,,,,,共7线，令有3条控制线,，/。

端为测试端。

在
端接如高电平的条件下，当=0时，无论输入端A，B，C，D为和值，～输出全为低电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。

端为清零输入端。

=1，=1的条件下，当输入ABCD=0000时，输出～全为高电平，可使共阳LED显示熄灭。

而且在输入A，B，C，D不全为零时，仍能译码输出，使显示器正常显示。

端为消隐输入端。

该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入为何值，输出端~均为高电平，这可使共阳显示器熄灭。

另外，该端还有第二个功能——清零信号输出端，记为。

当该位输入的ABCD=0000且=0时，此时输出低电平；若该输入的A，B，C，D不等于零，则输出高电平。

若与配合使用，很容易实现多位数码显示时的清零控制。

例如对整数古部分，将最高位的接地，这样当最高位为零时“清零”，同时该位输出低电平，使下一位的为低电平，古也具有“清零”功能；而对与小数部分，应将最低位的接地，个位的端悬空或接高电平，低为的接至高位的。

74LS47功能表如下所示：
2.3.3显示电路设计
数码显示器是用来显示数的，用发光二极管组成，亮度较亮，采用共阳极(与74LS47相匹配)接法，当某段外接低电平时，该段被点亮。

下图为译码显示电路：
2.4 电源单元电路设计
2.4.1正电源电路设计
正电源为外接+5V电压
2.4.2负电源电路设计
ICL7135所需的“-5V”电源由74HC04的反相器并联为电源逆变电路，以提供其所需要的-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ａ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e→d→b,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。

第3章调试要点及测试方
3.1 调试要点及测试方法
（1）接通电源电压，ICL7135、ICM7556、74HC04、74LS47的电源端与地端之间的电压为+5V，ICL7135的1脚电压为-5V。

（2）用示波器观察555多谐振荡器是否起振，测量5脚与地端电压为2.7V左右。

（3）采用稳压电源，使其输出电压为199.99mV或1.9999V作模拟量出入信号，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。

将正输入端与短接，读数应为1000.01。

（5）检查自动调零功能。

将输入端短路，既没有输入信号时，LED显示器应该显示00000。

（6）检查超量程溢出功能。

调节输入电压值，当超出测量围时观察LED数码管是否有闪烁警告所用。

（7）测试线性误差。

将输入模拟电压信号从0V增达到1.9999V，用标准数字电压表监测输出，通过与LED显示值相比较，其最大偏差即为线性误差。

3.2 故障及排除
测试时电压正常。

但是在进行模拟电压测量时，示数比真实值要高。

随后调整基准电压的电位器，经过多次调整之后读数正常。

第4章设计总结
4.1 设计总结
在经过一学期的模拟电路和数字电路的学习后，在加上电路的基础知识和平时实验课对芯片及操作的熟悉。

圆满地完成了本学期制作“四位半数字电压表”的课程设计。

无论是在进行焊制电路板之前还是在作品完成之后，大家都充分利用这次机会来锻炼一下自己的动手能力，以及对图纸的理解。

在焊制的同时也离不开老师的耐心讲解与鼓励。

总之，此次设计是圆满的，是个方面共同协作的成果。

4.2 设计心得
此次课程设计让我熟悉了集成电路ICL7135、ICM7556、74HC04、74LS47的使用，并掌握其工作原理。

在掌握这些理论的同时，也更是获得了之外的东西。

在设计的这段时间里，同学都是认真努力的去完成，虽然当我们检查交电路板的时候，我们的结果不是那么的理想，然而，我们还是学到了很多！在这次设计中，考验的不仅是我们的动手能力，同时也锻炼了我们每个人的耐心，心越细的人结果会更好！看到老师在旁耐心的等待，我们每个人又怎么好意思不去认真的做呢！当验收时看到很多人脸上露着笑容，也有人似乎很低落，当然跟他们的平时努力有很大关系，所以这不仅仅看动手能力，也看到每个人的付出能力！
我们也要感老师，不辞辛苦的每天跑，耐心指导，教会了我们很多，让我懂得怎样动手方便简洁，告诉我们连接用网线会更快，我用了老师的方法，果然快了很多！我们应该多动手才会做的更好！。