数字式压力表设计

实习报告

课程名称：数字式电压表

学生姓名：

学号：

专业班级：

指导教师：

完成时间：

报告成绩：

评阅意见：

评阅教师日期

数字式压力表的设计

1.课程设计的目的

压力表是指以弹性元件为敏感元件，测量并指示高于环境压力的仪表，它几乎遍及所有的工业流程和科研领域。利用ICL7107构成数字式压力表。

2.课题要求

（1）测压范围：0—60Mpa，主要分为四个量程段：0.04—0.6Mpa；0.1—6Mpa；1—25Mpa；1—60Mpa；

（2）测量精度：1.0级。

（3）具有显示、变送、报警等功能，可同时两路输入；

（4）模拟输出：可同时提供两组4-20mA或0-10V输出。

3.设计原理

主要器件由芯片ICL7106和液晶显示器LCD组成

关键词：芯片ICL7106 液晶显示器LCD

图一为简易原理方框图。

由于7106是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模CMOS 集成电路，因此本方案主要有以下特点：（1）采用单电源供电，可使用9V迭层电池，有助于实现仪表的小型化。（2）芯片内部有异或门输出电路，能直接驱动LCD显示器。（3）功耗低。芯片本身消耗电流仅1。8mA，功耗约16mW。（4）输入阻抗极高，对输入信号无衰减作用。（5）能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性的功能。（6）噪声低，失调温标和增益温标均很小。具有良好的可靠性，使用寿命长（7）整机组装方便，无须外加有源器件，可以很方便地进行功能检查。

本文设计的电压表,电压值显示稳定，读数方便，能测量正、负电压且能自动切换量程，使用方便。系统框图（如图 1 所示）。本系统可分为测试电压转换、模拟电压通道、数据电压通道（A/D 转换及译码锁存）、数码显示、小数点

驱动电路5部分。

图1系统框图

4.设计思路

4.1工作原理

ICL7107 是双积型的A/D 转换器，还集成了A/D 转换器的模拟部分电路，如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少量的电阻、电容元件和显示器件，就可以完成模拟到数字量的转换，从而满足设计要求。显示稳定可读和测量反应速度快，是本设计的关键。ICL7107 的一个周期为用4000 个计数脉冲时间作为A/D 转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反积分（DE）3 个阶段。内部逻辑控制电路不断地重复产生AZ、INT、DE 3 个阶段的控制信号，适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作，使输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数数值T，即：VIN 的数值=T 的数值或

Vin=Vref(T/1000) 式中：1000 为积分时间（1000 个脉冲周期）；T 为反积分时间（满度时为2000）。

ICL7107的管脚排列：管脚1和26是ICL7107的正、负极。COM为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN－、UREF－端短接。TEST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，故亦称做数字地。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。UREF＋、UREF－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UREF值，亦可选外基准。CREF＋、CREF－是外接基准电容端。IN＋、IN－为模拟电压的正、负输入端。CAZ端接自动调零电容。BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。INT为积分器输出端，按积分电容CINT。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。

图2 7107管脚示意图

4.2 ICL7107的工作原理

ICL7107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。下面介绍各部分的工作原理。

（1）模拟电路

模拟电路由双积分式A/D转换器构成，电路如图3所示。主要包括2.8V 基准电压源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻

图3 ICL7107的模拟电路

挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模／数转换。每个转换周期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ…的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为TCP，每个测量周期共需4000TCP。其中，正向积分时间固定不变，T1＝1000TCP。仪表显示值, 将T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得

N＝10UIN 或UIN＝0.1N （1）

只要把小数点定在十位上，即可直读结果。满量程时N＝2000，此时UM＝2UREF＝200mV，仪表显示超量程符号“1”。

欲测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。积

分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。

为了提高仪表抗串模干扰的能力，正向积分时间（亦称采样时间）T1应是工频周期的整倍数。我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选 T1＝n·20（ms）（2）

式中，n＝1，2，3，…。例如取n＝2、4、5时，T1＝40ms、80ms、100ms，能有效地抑制50Hz干扰。这是因为积分过程有取平均的作用，只要干扰电压的平均值为零，就不影响积分器输出。但n值也不宜过大，以免测量速率太低。

图4 ICL7107外围电路图

图5 ICL7107的数字电路

（2）数字电路

数字电路如图5所示。主要包括8个单元：①时钟振荡器；②分频器；③计数器；④锁存器；⑤译码器；⑥异或门相位驱动器；⑦控制逻辑；⑧LCD显示器。时钟振荡器由ICL7106内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。若取R ＝120kΩ，C＝100PF，则f0＝40kHz。f0经过4分频后得到计数频率fCP＝10kHz，即TCP＝0.1ms。此时测量周期T＝16000T0＝4000TCP＝0.4s，测量速率为 2.5次／秒。f0还经过800分频，得到50Hz方波电压，接LCD的背电极BP。LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极a～g与背电极BP呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示。因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动该笔段显示。驱动电路采用异或门。其特点是当两个输入端的状态相异时（一个为高电平，另一个为低电平），输出为高电平；反之输出低电平。

4.3时钟脉冲发生器

由于双积分式的转换精度与时钟无关，所以7106不必采用晶体振荡器，只

要采用阻容多谐振荡器即可。振荡器是由芯片内的两个与非门外接R0C0组成的多谐震荡器。震荡频率为

0002.21

C R f （3） 为提高抗干扰能力，选R0C0使f0与电网频率成整倍数关系，一般f0=40Hz 时钟发生器输出40Hz 信号经四分频为10Hz 分三路输出：一路去电子计数器，作为计数脉冲，即为液晶显示器背电极驱动。当然时钟脉冲产生方式也可采用外部时钟或石英振荡器。若采用外部时钟，只要在芯片（40）脚加峰值5V 信号即可，经芯片两极反相器放大整形变为时钟；若用晶振作时钟，只要将晶体接在（39）

（40）脚即可。

4.4 电子计数器

包括计数、锁存、译码、七段输出、驱动。计数器采用“8421”编码，有个、

十、百三个二-十进制计数器，级联使用，每位计数器有四个触发器。另有千位计数器是“半位”，只能显示数字1，所以用一个触发器即可。锁存器亦采用触发器组成，受逻辑电路所存指令控制，所存指令到来，只接受代码而不输出。解锁指令到来才将代码送译码器。译码器完全是由门电路达成的组合逻辑电路，将BCD 译码成七段码笔划。译码输出的笔划信号和背电极的相位共同决定，异或门的输入端是段位信号和50Hz 方波相异或。

4.5 时序逻辑控制电路

时序逻辑控制电路接受比较器的过零脉冲和计数器的溢出脉冲，经处理后输

图6 时序逻辑电路

出四个指令：一是各模拟开关的控制信号，是模拟开关按规定时需切换；二是闸门信号，控制技术脉冲的个数；三是判断被测电压的极性，输出“+”、“-”号控制；四是超量程控制，超量称时，千位显示“1”，其余数码消隐。

4.6 LED显示器

数码显示是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用与多种数字设备中。目前，数码显示器正朝着小型、多位、多彩、平面化的方向发展。

（一）发光二极管

在各种显示器中，LCD的功耗最低，LED的发光响应时间最短，寿命最长。因此，目前的数字仪表大多采用LED或LCD显示器，它们都能由集成电路直接驱动。

发光二极管是采用半导体材料制成的，能将电信号转化成光信号的结型电压发光器件。它的特点是：

①低电压（1.5~2.2V）,小电流（5~30mA）的条件下工作，即可获得足够高的亮度。

②发光响应速度快，高频特性好，能显示脉冲信息，单色性好，寿命长。

③由于LED工作PN结正向导通状态，性能稳定，只要加以必要的先留措施，就可以长期使用。使寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。

④小型、防震、抗冲击性能好。

⑤使用灵活、可根据需要制成各种数码管、符号管、电平显示器、矩阵板、固体发光板。

（二）LED显示器

将条状发光二极管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组

成“8”字型发光二极管，另一级做笔画电极，就构成了LED 数码显示器。如7-1所示.只要按规定使某些笔画的发光二极管，就能组成0～9的一系列数字。 它具有重量轻、体积小、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应速度快、能在低电平条件下与数字集成电路匹配等优点可作为数字仪表，数控装置，计算

机等的数字显示器件。LED 显示器一般采用七段，既把七只LED 共阳极（或共阴极）连接，每段具有单只LED 的特性及驱动显示方法。如图7-2所示。

4.7 主要集成块

MC1403是高精度低温度漂移的基准电路，作为8-12位（二进制）数模转换的基准电压源而设计，为避免温度漂移所造成的7107的误差，通常采用具有温度补偿的外接基准稳压源，在这里采用MC1403作为基准稳压源供电，可以获得精密的电压基准。如图2-4所示。

输出电压误差：2.5V ±1%

输出电压温度系数：10ppm/（typ ）

输出电流：10mA

输出电压范围：4.5-40V

图7-1 图7-2

6 7 8 9 10

a

f b

e a

d

5 4 3 2 1

5 4 3 2 1

.dp g +

+

封装：8脚DIL 陶封（代码U ）；8脚DIL 塑封（代码DSM ）

图8 MC1403的管脚排列

图9 工作原理

5.心得体会

在这次课程设计当中我真正体会到什么叫做学以致用，第一次体会到用自己所学到的知识做出了个数据压力表，在以前想都不敢想。

在设计过程中碰到了很多难点，例如不知道用什么芯片，又是如何来实现实验目的等

NC

GND

V V out

in

NC

NC NC NC 1 2 3 4 5 6 7 8

通过解决这些难点，提高了我分析问题，解决问题的能力，以及动手能力，同时使我数字显示仪表的原理、器件的识别、以及绘图能力又了进一步提高，为以后有关课程的学习打下感性认识的基础。

21世纪是电子技术飞速发展的时期，而数字电子技术又是一门发展速度，实践性和应用性很强的技术基础课程。从这本书中，我们不仅学到了如何分析设计一个电路，使我们这些以前看见过它们，却不知如何去做的人大开眼界。看来，我们学习了这门课程以后，也可以根据它的基本原理来做出它的电路图，也可以实现它们的功能，得出我们想要设计的电路图。我觉得选择这门课程是我永远不后悔的事。因为它可以让我们更加深刻的证实自己的能力，证实自己是不是对这门课很认真，很努力。我觉得为我们所喜欢的事情去努力，是值得高兴的事，我们会继续的努力学习好这门课的。希望以后能有更多这样的机会，锻炼我的动手能力，使所学的知识能活学活用。

参考资料

[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社

[2]孙梅生,李美莺,徐振英.电子技术基础课程设计[M]. 北京:高等教育出版社

[3]梁宗善.电子技术基础课程设计[M]. 武汉:华中理工大学出版社

[4]张玉璞,李庆常.电子技术课程设计[M]. 北京:北京理工大学出版社

[5]谢自美.电子线路设计·实验·测试（第二版）[M].武汉:华中科技大学出版社