数字电流表设计与仿真

船山学院

电子技术课程设计

题目设计并仿真一台数字电流表

专业名称电气工程及其自动化

指导教师徐祖华

职称副教授

班级船本08级01班

学号20089450114

学生姓名曾波

2011年1 月12 日

设计并仿真一台数字电流表

摘要

本课题实验主要采用CC7106双积分A/D变换器设计方案来完成一个简易的数字电流表，其实是一个电压表进行改装得到的，将电压表能够对输入的0～5 V的模拟直流电压进行测量，并通过一个4位一体的7段LED数码管进行显示，测量误差约为0.1 V。该电压表的测量电路主要由三个模块组成：A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D转换主要由芯片CC7106来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片CD331来完成，其负责把CC7106传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还控制着CC7106芯片的工作。显示模块主要由LCD液晶数码管及相应的驱动芯片)组成，显示测量到的电流值。

关键词

简易数字电流表、LCD液晶数码管、CC7106。

目录

引言 (1)

1工作原理 (1)

1.1数字电流表的工作原理 (1)

1.2 AD转换器及外围电路计 (1)

1.3量程开关电路设计 (2)

1.4直流稳压电流源设计 (3)

1.5 小数点驱动电路设计 (3)

2总体方案设计 (4)

2.1方案论证 (4)

2.2系统框图 (4)

2.3整体电路图 (5)

3元器件的介绍 (5)

3.1双积分式A/D转换器C C7106 (5)

3.2 液晶显示器EDS801 (6)

4仿真图 (7)

4.1量程电路仿真图 (7)

5结论 (9)

参考文献 (10)

附录 (11)

引言

传统的电网电流表一般都采用指针式表头，且都存在着测量范围小，稳定性差，精度低，表头指针指示不便于读数且误差大等缺点，已经不适应社会发展的需要。而随着智能化测控技术的迅速发展.以双积分AD转换器为核心的数字电表的优势已十分明显。智能综合仪表是基于智能化、数字化新一代智能仪表的设计理念，采用灵巧总线、工业网络、液晶显示、电子储存技术、调节仪表与记录仪表功能．具有高测量控制精度、高可靠性稳定性的特点。芯片负责采集数据，给出了一款性价比高、抗干扰能力强、测量精度很的电网电流表的设计方法。

1 工作原理

1.1数字电流表的工作原理

数字电流表是由数字电压表改装成的，由于通常所说的电流表是指灵敏电流计其量程太小，不能直接测量电流，仅用于检测有无电流和电流的方向，所以要想得到一个有多量程或量程较大的电流表需要将一个理想电压表改装而成。本设计是用一个内阻视为无穷大的电压表并联分流电阻而成的数字电流表。待测电流I随搬动开关K的位置而流过R1或R2...，因而本电流表的多个量程就取决于G的满量程电压和R1、R2的阻值，记G的满量程电压为Ug，根据欧姆定律Ug=RgIg，若Ug和Rg已知则Ig就是电流表的满量程电流。

图1.1数字电流表的基本原理

1.2AD转换器及外围电路设计

电路图如下图5.1所示。

图1.2 AD转换器及外围电路图

其中液晶显示采用EDS801，将其各数码的字段及公共端与ICL7106相应端接。OSC1、OSC2和OSC3是内部时钟的外接电阻和电容引脚；TEST是数字逻辑地端；VRH和VRL是参考电压的输入端，参考电压决定着AD转换器的灵敏度，它是由UDD分压而来，调节P R分压比可调节灵敏度（调满）；两个CR脚是基准电容的外接引脚；COM端是模拟信号公共端；AZ、BUF和INT分别是自动调零端缓控制端和积分器输出端；U+和U-为电源端；IN+和IN-为待测信号输入端。R1、C1分别为振荡电阻与振荡电容。R2与电位器RP构成基准电压分压器，RP宜采用精密多圈电位器，调整RP使UREF＝UM/2＝100.0mV，满量程即定为200mV，二者呈1∶2的关系。R3、C3为模拟输入端高频阻容式滤波器，以提高仪表的抗干扰能力。C2、C4分别为基准电容和自动调零电容。R4、C5依次为积分电阻和积分电容。仪表采用220V叠层电池供电，测量速率约50次／秒。IN-端、UREF －端与COM端互相短接。

对于CC7106，OSC1至OSC2为时钟振荡器的引出端，主振频率OSC f 由外接11R C

的值

决定，即11f 0.45

/OSC R C =，CC7106计数器的时钟脉冲CP f 是主振频率OSC f 经4÷分频后得到的，因此

11110.45f f 44CP OSC R C ==?

，设CC7106一次A/D 转换所需时钟脉冲总数N 为200，而一次转换所需时间T=1/50次=0.02s 。则时钟脉冲频率CP f 由T=N/CP f =4N/OSC f 式可得

CP f =N/T ≈10Khz ，因而主振频率为OSC f =4CP f =40Khz ，因此可以算出1R 、1C 的值。若取1C =100pF ，则1R =(50/1C

)OSC f ≈112.5k Ω，取标称值120k Ω。 积分元器件4R 、5C 及自动调零电容4C 的取值分别为4R =56k Ω5C =0.22F μ，4C =0.47F μ。2R 和RP 组成基准电压的分压电路。其中，RP 一般采用精密多圈电位器。改变RP 的值可以调节基准电压REF

V 的值。

3

R 、3C 为输入滤波电路。电源电压取+220V ，

2C 取0.1F μ。 1.3 量程开关电路设计

量程开关电路如图1.3所示。

图1.3量程开关电路图

由于基本量程U M ＝0.5mV ，按照下图配置一组分压电阻，组成电阻衰减网络通过手动就可以得到量程5mV 、50mV 、500mV 、5V 的多量程电压表。该表的输入阻抗i R =10M Ω，

各档衰减后的电压x V 与输入电压i V 的关系为x V

=i V (x R /i R )。 1.4 直流稳压电流源设计

此直流稳压电源由电源变压器T 、整流滤波电路及稳压电路所组成。220V 电压经过此电路后得到次数字电压表所需的9V 。稳态电压集成稳压器选用 L7812cv(1.5A,9V)及PJ7912(1.5A,-9V)，其输出电压范围为：Uo=9V 和-9V 。

1.5 小数点驱动电路设计 电路图如下图5.3所示。1

R 、

2

R 、

3

R 与异或门CC4070及开关等组成的电路用来驱

动和控制小数点。

图1.5小数点驱动电路

2 总体方案设计

2.1 方案论证

方案一：采用AT89S52单片机为核心、以AD0809数模转换芯片采样、以1602液晶屏显示制作具有电压测量功能的具有一定精度的数字电压表。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机；8位AD 转换器ADC0809，编程简单方便，价格便宜；采用液

晶1602做为显示电路，功能强大，适合做各类扩展。但该方案涉及的编程复杂，同时硬件电路也颇复杂。

方案二：采用ICL7106A/D转换器，液晶显示器EDS801A配以外围电路进行设计。ICL7106是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪，满幅输入电压一般取200mV 或2V。该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出可直接驱动LCD液晶数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数字仪表模块，硬件电路简单，而且精度高，完全可以实现要求。

综合分析，同时结合到软硬件实际，选择方案二，原理简单，仅涉及硬件电路。2.2系统框图

2.1 系统框图

2.3整体电路图

系统整体电路图见附录。

3 元器件的介绍

3.1双积分式A/D转换器CC7106

ICL7106是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪，满幅输入电压一般取200mV或2V。该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出可直接驱动LCD液晶数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数字仪表模块。其管脚排列图如下图3.1所示。

图3.1 ICL7106管脚图

ICL7106的管脚功能：

COM（32）为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN

－、U

REF－

端短接。TEST

（37）是测试端，该端经内部500Ω电阻接数字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故亦称作数字地。该端有两个功能：

①作测试指示，将它接U＋时LCD显示全部笔段1888、可检查显示器有无笔段残缺现象；

②作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。

a1～g1、a2～g2、a3～g3、bc4分别为个位、十位、百位、千位的笔段驱动端，接至LCD的相应笔段电极。千位b、c段在LCD内部连通。当计数值N＞1999时显示器溢出，仅千位显示“1”，其余位消隐，以此表示仪表超量程（过载溢出）。

POL为负极性指示的驱动端。BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。OSC1～

OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。U

REF＋、U

REF－

分

别为基准电压的正、负端，利用片内U

＋

－COM之间的＋2.8V基准电压源进行分压后，可

提供所需U

REF 值，亦可选外基准。C

REF＋

、C

REF－

是外接基准电容端。IN

＋

和IN

－

为模拟电压的

正、负输入端。C

AZ 端接自动调零电容。BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻R

INT

。INT

为积分器输出端，按积分电容C

INT

。

需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未引出，但可将测试端（TEST）视为数字地，该端电位近似等于电源电压的一半。

ICL7106的性能特点如下：

（1）＋7V～＋15V单电源供电，可选9V叠层电池，有助于实现仪表的小型化。低功耗（约16mW），一节9V叠层电池能连续工作200小时或间断使用半年左右。

（2）输入阻抗高（1010Ω）。内设时钟电路、＋2.8V基准电压源、异或门输出电路，

能直接驱动3?位LCD 显示器。

（3）属于双积分式A/D 转换器，A/D 转换准确度达±0.05％，转换速率通常选2次／秒～5次／秒。具有自动调零、自动判定极性等功能。通过对芯片的功能检查，可迅速判定其质量好坏。

（4）外围电路简单，仅需配5只电阻、5只电容和LCD 显示器，即可构成一块DVM 。其抗干扰能力强，可靠性高。

ICL7106内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D 转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。

3.2 液晶显示器EDS801

EDS801显示器电路简单，不需要对其进行编程，只需将其对应管脚与ICL7106的管脚相应的连接即可工作。其管脚图如下图3.2所示。

液晶

1＝1

＝1

＝?

?

?

??

?

?BP

DD

U 1

R 2R 3

R DPL3

DPL2

DPL1

1

2

56

8910

4070

1

234567891011121314

15

1617181920

21

22232425262728293031323334353637383940COM 4A DP33E 3D 3C DP22E 2D 2C DP11D 1E 1C 1B

COM 4AB <

3G 3F 3A 3B COL 2G 2F 2A 2B 1G 1F 1A

EDS801

?

?

1

S 2

S 3S 4

3

显示器LCD的驱动方式

液晶必须采用交流驱动方式。当液晶显示器的字符笔划电极与背电极（BP）呈等电位时，液晶不显示（消隐）；当二者存在电位差时，液晶方可显示。通常是把两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压分别加于笔画引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动该笔画字符发光。一般选择频率为50~60Hz，幅度为4~6V的方波电压。由于液晶的驱动要求是交流电压，所以小数点的驱动采用图2所示的异或门电路。异或门的一个脚为ICL7106输出的背板电极电压BP，此电压为一个方波电压。异或门的另一个脚为小数点的点亮逻辑DPL，当需要点亮小数点时，DPL为1，异或门的输出DP是背板电压的“非”逻辑，则DP与BP之间的电压为一交流方波电压，小数点被点亮。当不要小数点亮时，DPL 为0，异或门的输出与背板电压相同，则DP与BP之间的电压为0，小数点不亮。

4仿真图

4.1量程电路仿真图

图4.11档位为5A时量程电路图

图4.12档位为500mA时量程电路图

图4.13档位为50mA时量程电路图

图4.14档位为5mA时量程电路图

5 结论

本次设计所采用的方案中电路原理简单，硬件电路搭建容易，而且稳定，组装好的电流表可以对待测电压进行准确的测量，其测试结果与标准电压表（万用表）测试的结果相比相差无几，而且只要电路组装稳定，读数稳定易读。但本电路也存在问题，比如液晶显示器的读数有时不稳定，出现跳动现象，这不仅与电路元件参数有关，而且与搭接的连线等有关系。本次课题也可以采用单片机及合适的A/D转换器进行设计，经过正确的编程制作一个精度更高、更稳定的电压表，同时还可以实现量程的自动转换；同时对测试的结果可以采用数码管进行显示，没有必要用液晶显示器进行显示。如果需要，A/D转换器也可以换成功能更多的器件，比如MC14433等。但在仿真的时候发现，只能局部仿真，而不能整体进行仿真，设计电路的时候，芯片的引脚很多容易混淆他们的功能，故在99制作电路图接线时容易接错。经过本次课程设计发现，99制图和仿真软件运用得不够熟练，其次对涉及到的芯片不是很熟悉，课程设计后，对以前的不足之处有了新的补充和了解，但是还是存在知识面的极度缺乏。