数字电压表课程设计

数字电压表课程设计

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4位数字电压表

[摘要]4?位数字电压表是数字表的一种，它的精度比普通常用的三位半要高出一个等级，它最高显示到19999，也就是万分之一。它是由ICL7135芯片、三极管（晶体管）9013驱动阵列、74LS47BCD到七段锁存-译码-驱动器、共阳极LED数码管﹑基准电源、时钟及量程开关电路组成。经过用高精度基准调整的四位半电压表拥有更加高精度的测量值，更加方便直观的测出用电器电压的工作情况。

[关键词]A/D转换器数码显示管高精度译码器驱动器

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4? Digital Voltage

[Abstract]4 ? a digital voltmeter is a digital watch, the accuracy of it than ordinary commonly used three and a half to a higher level, it shows the highest to 19999, also is one over ten thousand. It is by the ICL7135 chip, transistor (transistor) 9013, 74 LS47BCD drive array to these seven latch-decoding-drive, LED digital tube of anode, benchmark power supply, clock and the scale setting switch of circuit.

After the adjustment of high precision benchmark with four half a meter high accuracy measuring values have more, more convenience for intuitive measure voltage appliances work.

[Keywords]A/D converter Digital display High-precision Decoder Driver

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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 (3)

1.2 设计要求及方案选择 (4)

1.2.1设计要求 (4)

1.2.2方案选择 (4)

第2章数字电压表单元电路设计 (5)

2.1 A/D转换单元电路设计 (5)

2.1.1 A/D转换器ICL7135的功能介绍 (5)

2.1.2 A/D转换电路设计 (8)

2.2 时钟产生单元电路设计 (8)

2.2.1 ICM7556功能介绍 (8)

2.2.2 ICM7556组成的多谐振荡器 (9)

2.3 驱动及译码显示单元电路 (10)

2.3.2译码电路设计 (10)

2.3.3显示电路设计 (11)

2.4 电源单元电路设计 (11)

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 (14)

3.1 调试要点及测试方法： (14)

3.2 故障及排除 (14)

第4章设计总结 (15)

4.1 设计总结 (15)

4.2 设计心得 (15)

参考文献 (16)

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第1章前言

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。

1.1 数字电压表的特点及发展趋势

数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如：温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等)，几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。

数字电压表简称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。

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，

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊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．测量范围宽

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内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。

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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

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5．操作简单化

本次课程设计我们仅选数字电压表中的

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1

4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).测量范围：-1.9999V～+1.9999V。

(2).测量范围内准确度为±1个字。

(3).能够自动调零，0V输入时读数为“0000”，最高位自动消隐。

(4).超量程显示：正超量程“0000”闪；负超量程“-0000”闪。

(5) 组装并调试四位半数字电压表。

(6) 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。

1.2.2方案选择

1．电子技术课程设计是学习电子技术十分重要的环节之一，是对学习电子技术知识的综合性实践训练。对于巩固所学的电子技术理论知识，培养解决实际问题的能力，加强基本的技能训练具有明显的积极作用。

2. 理论与实践相结合设计四位半数字电压表。

3. 掌握数字电压表的设计原理，组装、焊接与调试方法。

4. 熟悉集成电路ICL7135、ICM7556、74HC04、74LS47的使用方法，并掌握其工作原理。

5. 熟练使用万用表的各个功能

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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

2.1.1 A/D转换器ICL7135的功能介绍

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

（1）ICL7135的内部电路结构介绍

ICL7135的模拟电路部分主要外接器件是参考电压存储电容C

R

(C

4

)，积分电

阻R

INT

(R

2

)和积分电容C

INT

(C

2

)和校零存储电容C

AZ

(C

2

),其典型值为

C

INT

=0.47uF,R

INT

=100KΩ,电源电压为双电源±5V。

ICL7135的数字部分分布图如图2所示，与5G14433的逻辑控制部分相似，主要功能包括：判别回积阶段比较器的过零检测，自动极性判别，各模拟开关的定时逻辑控制，为了减少引出级数量，ICL7135也采用了位动态扫描BCD码输出方式，即万位、千位、百位、十位的BCD码轮流地在B8、B4、B2、B1出现，

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊并在D5~D1各端同步出现字位选通端脉冲，另外，电路中还设置了一些辅助逻辑电路，如过量程欠量程判别电路，串行字位同步脉冲电路的形式，启/停控制电路等，不仅提高了器件的启动性能，也简化了外部接口电路。电路如图5

图2 ICL7135的数字部分分布图

长春大学课程设计纸

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V-(引脚1)：负电源输入端。极限值-7V，通常取-5V。

V REF(引脚2)：基准电压输入端。一般取VREF+=1V，其精度和准确度将直接影响转换精度。

AGND(引脚3)：模拟地。

INTOUT(引脚4)：积分器输出端。

AZIN(引脚5)：自调零输入端。

BUFOUT(引脚6)：缓冲放大器输出端。

REFCAP+(引脚8)：外接基准电容引脚。

INLO-(引脚9)：信号输入端(低端)。

INHI+(引脚10)：信号输出端(高端)。

V+(引脚11)：正电源输入端。极限值为+6V，通常取+5V。

D5～D1(引脚12、17～20)：BCD码数据的位选通信号输出端。分别选通万、千、百、十、个位。

B1、B2、B4、B8(引脚13～16)：BCD码数据输出端。

BUSY(引脚21)：转换状态标志输出端。积分器在积分过程中BUSY输出高电

平，积分器在反向积分过零后输出低电平(本次设计悬空)。

CLK(引脚22)：时钟脉冲输入端。工作于双极性。

POL(引脚23)：极性输出端。当输入信号为正时，POL极性输出为高电平，输入信号为负时，POL极性输出为低电平。

DGND(引脚24)：数字地。

RIH-(引脚25)：启动转换/保持控制端。接高电平时，ICL7135自动连续转换，每隔40002个时钟完成一次A/D转换，接低电平时，A/D转换结束后保持转

换结果，输入一个正脉冲后(大于300ms)，重新启动ICT7135开始下一次转换。

ST-(引脚26)：数据输出选通脉冲输出端。其脉冲宽度为时钟脉冲宽度的一半一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD数据

输出端，可利用该信号把数据打入并行接口中供CPU读取，这一点在和机接口

时非常重要。

OVERRANGE(引脚27)：过量程标志输出端。当输入信号读数超过转换器计

数范围时，该引脚输出高电平。

UNDER(引脚28)：欠量程标志输出端。当输入信号读取小于9%或更小时，该端输出高电平。

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┊┊┊┊线┊2.1.2 A/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(V

REF

+=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

141312111098

1234567

VDD

ISCHARGE

THRESHO LD

CON

RESET

OUPUT

TRIGGE R

DISCHA RGE

THRESHO LD

CON

RESET

OUT POT

TRIGGE R

GND

ICM7556

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图5 时钟振荡器电路图

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，V CC通过R5、R6对电容进行充电，电路进入暂稳态过程，V C电位不断提高，当，与非门输出低电平，电路发生下一次转重复电容的充放电过程，从而形成多谐振荡，输出连续的时钟脉冲信号。

2.2.2 ICM7556组成的多谐振荡器

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。

555组成的多谐振荡电路：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R A，R B和电容C构成RC定时电路。电容C在V

v

V CC

C

CC3

2

3

1

≤

≤

间周而复始进行冲放电过程，在输出端就得到一系列矩形脉冲信号。

进行分析可知，第一个暂稳态的脉冲宽度，即v C从V CC

3

1

充电上升到

V CC

3

2

所需的时间为

()C

R

R

B

A

PH

t+

=7.0

第二个暂稳态的脉冲宽度，即u C从V CC

3

2

放电下降到V CC

3

1

所需的时间为

t PH C

R

B

7.0

=

振荡周期T和振荡频率f分别为

()C

R

R

T

B

A

PL

PH t

t2

7.0+

≈

+

=

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[]C

R

R

T

f

B

A

)

2

(7.0

1

1+

≈

=

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。

2.3.2译码电路设计

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。74LS47译码器，它是二—十进制译码，转换成七段显示信号。

74LS47原理，其管脚排列如图6所示。

图6 74LS47芯片顶视图

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a，b，c，d，e，f，g共7线，令有3条控制线LE，RBI，BI/RBO。LE端为测试端。在BI端接如高电平的条件下，当LE=0时，无论输入端A，B，C，D为和值，a~g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。RBI端为清零输入端。LE=1，BI=1的条件下，当输入ABCD=0000时，输出a~g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。BI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a~g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RBO。当该位输入的ABCD=0000且RBI=0时，此时RBO输出低电平；若该输入的A，B，C，D不等于零，则RBO

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊输出高电平。若RBO与RBI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RBI接地，这样当最高位为零时“清零”，同时该位RBO输出低电平，使下一位的RBI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RBI接地，个位的RBI端悬空或接高电平，低为的RBO接至高位的RBI。

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1

2.3.3显示电路设计

数码显示器是用来显示示数的，用发光二极管组成，亮度较亮，采用共阳极(与74LS47相匹配)。

2.4 电源单元电路设计

2

1

4数字电压表是由外接5V电源，还有74HC04芯片和极性电容，二极管等产生的-5V电源内部供应的。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊2.4.1正电源电路设计

外部电源引到ICL7135芯片的11脚，ICM7556芯片的4脚、14脚，74HC04芯片的14脚，74LS47芯片的14脚，给整个电路提供5V电源，带动电路工作。

2.4.2负电源电路设计

在+5V电源对整个电路的供电前提下，74HC04芯片和极性电容，二极管等电路元件会形成的-5V电源，此电源提供ICL7135芯片1脚-5V电压，从而形成电路内部直接-5V供电。下面对74HC04进行介绍。

1. 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2~6V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3~15V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774HC04内部功能图

2. 74HC04管脚说明

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图8 74HC04管脚分布1A----6A为输入端。

1Y-----6Y为输出端

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第3章调试要点及测试方法

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，当超出测量范围时观察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

终于焊完了，开始找老师检查了一下，查出一点错误，然后回去修改了一下，满自信的，结果再找老师还是有错误，回来后自己慢慢的检查，慢慢的修改，安上灯之后发现每个灯都闪，不能测量，通过与同学的交流，自己慢慢的发现错误，把所有的焊点都焊了一遍，再去接点测试，这次是等候亮了，但是负号总是亮的，经过老师的检查，发现有一个管脚接错了，回来继续修改，总算皇天不负有心人，这次所有结果都合格，可以正常使用，完美的电压表。

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第4章设计总结

4.1 设计总结

一周的电工课程设计，最终完成了规定的焊接任务，4位半电压表，经过反复的调试与修改，经过老师的知道和与同学的交流，皇天不负有心人，最终结果完美，可以使用，真是开心。一周的时间，最开始还觉得一个设计需要一周挺夸张的，但当自己真的开始的时候才发现，这件事没有自己想像的那么容易。自己先试着焊几下，经过不断的研究才摸出其中的门道。最后焊的技术自己还算满意，在这次实践中，我们不仅收获了知识，还收获了阅历，收获了成熟。总之经过了这次设计，我学到了很多。

4.2 设计心得

虽然不是第一次焊电路板，自己在家也动手焊过，但是这次感觉焊电路仍然不是一个轻松的事情。焊电路板是对人耐性的一个考验，只有当自己的心静下来时，才能焊接出理想的电路板。为了电路板焊接成功，我多次在旧板上练习，从老师给的网站上查到了很多电器原件的作用，熟悉了集成电路ICL7135、ICM7556、74HC04、74LS47的使用方法，并掌握了它们的工作原理，我想实践出真知，只有理论与实践相结合才能真正的收获到我们需要的。其实学习和生活一样，要拿出同样认真的态度对待，相信努力过后定有收获！

我会在今后的学习生活中更加努力，争取在下一次实践中做到更好，收获更多……

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参考文献

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