课程设计报告 直流数字电压表设计

电子技术基础

课程设计

题目名称：直流数字电压表

指导教师：***

学生班级：

学号：

学生姓名：

评语：

成绩：

重庆大学电气工程学院

2015年7月3日

目录一、内容摘要

二．课程设计任务与要求

2.1设计目的

2.2设计求

三．设计思路和方案选择

3.1 设计思路

3.2 方案选择

四．工作原理

4.1 基本原理框图

4.2 ICL7107的工作原理

4.3原理图

五．电路设计与仿真

六、系统调试与结果分析

6.1调试方法

6.2测试结果分析

六．元器件清单

八、总结及心得体会

九、参考文献

内容摘要

伴随着电子技术科学的发展，电子测量技术已成为广大电子技术工作者必须掌握的一门科学技术，同时对测量的精度和功能的有着更高的要求。电压是电子测量的一个主要参数，由于电压测量在电子测量中的普遍性与重要性，因此对电压测量的研究与设计有着非常重要的意义。本次设计的主要设计内容为三档直流电压表。在设计过程中由于第一次接触这种芯片，对该芯片不是很熟悉，我们参阅了大量前人的设计，在此基础上，运用A / D转换器ICL7107构建了一个直流数字电压表。本设计首先简要介绍了设计电压表的主要方式，然后详细介绍了直流数字电压表的设计流程和芯片的工作原理，本设计中我们展示了两种方案，手动换挡的自动换挡，在各方案中也给出了两种方案的优缺点。同时也给出了硬件电路的设计细节，包括各部分电路的走向、芯片的选择以及方案的可行性分析等。

关键字：ICL7107芯片，数字电压表，A\D转换，比较器，CC4006双向模拟开关。

课程设计任务及要求

2.1设计目的

1、掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A/D转换器件的设计方法

2、掌握常用数字集成电路的功能和使用

2.2设计要求

1.设计直流数字电压表

2.直流电压测量范围：

0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V。

3.直流输入电阻大于100kΩ。

4.画出完整的设计电路图,写出总结报告。

5.选做内容：自动量程转换。

设计思路和方案选择

3.1设计思路

根据设计要求和功能，我们考虑了多种可行性方案。但是在设计过程中，小数点的点亮电路的设计遇到了很大的麻烦。

方案1：主要器件由芯片ICL7107和共阳极半导体数码管LED，其中换挡电路

用的是分压原理，将电阻串联起来，不同的电阻端就是不同的档位。小数点的点亮是直接吧小数点端直接接一个数字地，然后用三个开关分别来控制换挡时小数点的亮灭。

该方案特点：该方案小数点电路用的时直接接数字地的方法利用开关控制，换挡时也是通过手动控制来完成，这种方案电路简单、清楚易懂，同时测量的误差也很小，结果比较准确，但是电路实现起来比较复杂，开关过于繁琐，测量电路时不太方便。

方案2：考虑到直接使用直接吧小数点端链接到数字地上，使用开关来控制换

挡时点亮小数点这种方案开关过多、换挡是过与繁琐。在主要元器件没有变的前提下，采用比较器来从换挡端取信号比较后接到共阳极数码管的小数点端。但是该方案开始时，测量的电压误差明显的增大，又通过一系列的调整和修改，最终通过参数的修改调整将测量误差控制在理想范围内。

该方案特点：该方案测量时比上一个方便多了，小数点电路不用单独控制，实现了小数点根据档位的要求自动点亮，测量误差也比较小。当最终没有实现测量电路的自动换挡，要通过手动拨换档位。

方案三：选用了LM324运放和CC4066传输门，在通过方案二的修改后，小数

点的问题基本解决了，想通过进一步的改善实现自动换挡。电路能根据测量电压大小的不同，自动选择量程，点亮不同挡位时的小数点。其中换挡电路是通过COMS传输门和比较器来实现的，先通过比较器比较输出接到传输门的C端，当输出为高电平时传输门CC4066导通。

该方案特点：该方案很大程度提升了测量的方便性，实现了测量的自动化。自动换挡，不用人工去拨动开关。但该方案中，经过我们的反复调试和修改后，比起前两个方案这个方案的测量结果有点偏大。这次课程设计中我们吧方案二和方案三都做了，两个方案都展示了。

工作原理

4.1 工作原理

1）、基本原理框图

直流数字电压表测量电路、双积分模数转换电路电路、数码显示电路

和量程转换电路组成，原理框图如图1 所示。

图1直流数字电压表原理

框图

测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。

双积分模数转换器（ADC）是间接型ADC。它将取样电压转换为与之成正比的时间宽度，在此期间允许计数器对周期脉冲进行计数。计数器的二进制数就是取样电压对应的数字量。

图2是双积分ADC的电路原理图。电路主要由积分器、比较器、计数器、JK 触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS=0时，积分器对取样电压做定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压-VREF做定压积分。与-VREF电压极性相反，这里设取样电压为正，则-VREF为负。

2)、定时积分

在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。

启动信号S 输入负窄脉冲（S=0），使计数器、JK 触发器QS 清零，开关S1选择取样电压作积分器输入。同时开关S2闭合，使积分电容放电， =0。负脉冲消失后（S=1），开关S2断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降， ，比较器输出逻辑1。允许n 位二进制计数器对周期脉冲CP 计数。当进位C=1时，下一个CP 脉冲使计数器复零、JK 触发器QS=1，定时积分结束，定压积分开始。 取启动信号S 的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CP 的周期为TCP 。则对取样电压的积分时间T1为T 1=2n T CP

是确定不变的。积分器输出电压为

⎰-=+-=t

S I O S I O t RC nT v v d nT v RC t v 0)()0()(1)(τ 积分器输出电压与时间成线性关系，其斜率是负的，与取样电压 和积分器的时间常数RC 有关。 越大，负斜率也越大。定时积分的工作波形如图3所示，图中绘出了2个取样电压的情况。

定时积分结束时的积分器输出电压为

)(2)()(11S I CP n S I O nT v RC

T T RC nT v T v -=-= 与取样电压成正比。 3）、定压积分

在定时积分期间，当计数器的进位C=1时，下一个CP 脉冲使计数器复零和JK 触发器QS=1，开关S1选择基准电压-VREF ，积分器开始对基准电压-VREF 做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从0继续计数。与此同时，积分器输出电压上升

图2 双积分ADC 电路原理图 O 图3双积分ADC 工作波形