自動化與電氣工程學院
電子技術課程設計報告
題目數字電壓表的製作
專業班級
學號學生姓名
指導教師
二○一三年七月
一、課程設計的目的與意義
1.課程設計的主要目的，是通過電子技術綜合設計，熟悉一般電子電路綜合設計過程、設計要求、完成的工作內容和具體的設計方法。
2.同時了解雙積分式a/d轉換器icl7107的效能及其引腳功能，熟悉積體電路icl7107構成直流數字電壓表的使用方法，並掌握其在電路中的工作原理。
3.通過設計也有助於複習和鞏固以往的模電、數電內容，達到靈活應用的目的。在完成設計後還要將設計的電路進行安、除錯以加強學生的動手能力。在此過過程中培養從事設計工作的整體觀念。
4.利用雙積分式a/d轉換器icl7107設計一數字電壓表，量程為-1.99—+1.99，通過七段數碼管顯示。
二、電路原理圖
數字電壓表原理圖
三、課程設計的元器件
1.課程設計所使用的元器件清單：
2.主要元器件介紹
（1）晶元icl7107：
icl7107的工作原理
雙積分型a/d轉換器icl7107是一種間接a/d轉換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然後利用脈衝時間間隔，進而得出相應的數字性輸出。
它的原理性框圖如圖所示，它包括積分器、比較器、計數器，控制邏輯和時鐘訊號源。積分器是a/d轉換器的心臟，在乙個測量週期內，積分器先後對輸入訊號電壓和基準電壓進行兩次積分。比較器將積分器的輸出訊號與零電平進行比較，比較的結果作為數位電路的控制信一號。
時鐘訊號源的標準週期tc 作為測量時間間隔的標準時間。它是由內部的兩個反向器以及外部的rc組成的。其振盪週期tc=2rcin1.
5=2.2rc。
icl7106a/d轉換器原理圖
計數器對反向積分過程的時鐘脈衝進行計數。控制邏輯包括分頻器、解碼器、相位驅動器、控制器和鎖存器。
分頻器用來對時鐘脈衝逐漸分頻，得到所需的計數脈衝fc和共陽極led數碼管公共電極所需的方波訊號fc。
解碼器為bcd-7段解碼器，將計數器的bcd碼譯成led數碼管七段筆畫組成數字的相應編碼。
驅動器是將解碼器輸出對應於共陽極數碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅動相應筆畫的方波。
控制器的作用有三個：第一，識別積分器的工作狀態，適時發出控制訊號，使各模擬開關接通或斷開，a/d轉換器能迴圈進行。第二，識別輸入電壓極性，控制led數碼管的負號顯示。
第二，當輸入電壓超量限時發出溢位訊號，使千位顯示「1" ，其餘碼全部熄滅。
釣鎖存器用來存放a/d轉換的結果，鎖存器的輸出經解碼器後驅動led 。它的每個測量週期自動調零（az）、訊號積分（int）和反向積分（de）三個階段。
第一階段：自動調零階段az
轉換開始前**換控制訊號vl=0) ，先將計時器清零，並接通開關s0 ，使積分電容c完全放電。
第二階段：訊號積分int
令開關s1合到輸入訊號v1一側，積分器對v1進行固定時間tl的積分，積分結果為：
上式說明，在tl固定條件下v0與vl成正比。
第三階段：反向積分de
令開關s1轉至參考電壓vref一側，積分器反向積分。如果積分器的輸出電壓上公升至必零時，所經過的積分時間t2則可得，
故可得到，
可見，反向積分到v0=0這段時間t2與vl成正比。令時鐘脈衝cd的週期為tc，計數扔器在t2時間內計數值為n得：t2=ntc
代入上式得：
分析可知：t1,tc，vref固定不變，計數值n僅與vin成正比，實現了模擬量到數字量的轉變。
下面介紹a/d轉化過程的時間分配。假設時鐘脈衝頻率為40khz，每個週期為4000tc,
如圖所示，每個測量週期中三個階段工作自動迴圈。
雙積分型a/d轉換器的電壓波形圖
各階段時間分配如下
①訊號積分時間tl用1000tc 。
②訊號反向積分時間t2用0一2000tc ，這段時間的長短是由vin的大小決定的。
③自動調零時間t0用1000－3000tc 。
從上面的分析可知，tl 是固定不變的，但t2隨vin的大小而改變。因為，
選基準電壓vrff= 100.0mv ,
由：得：vin=0.1n
滿量程時n=2000，同樣由上式可匯出滿量程時vin與基準電壓的關係為：vin=2vref。為了提高儀表的抗干擾能力，通常選定的取樣時間tl 為工頻週期的整數倍。
我國採用50hz交流電網，其週期為20ms，應選t1=n×20ms。n= l,2,3……n越大，對串模干擾的抑制能力越強，但n越大，a/d轉換的時間越長。因此，一般取tl=100ms，即f0＝40khz 。
由t0=2rc105=2.2rc，得
式中t0為振盪週期。
由上式可知，當f0=40khz時，阻容元件的選取並不唯一，只要滿足要求即可。
inc7107的結構電路圖
icl7107主要引數：
晶元inc7107各個引腳的功能和注意事項：
icl7107安裝電壓表頭時的一些要點：按照測量＝±199.9mv
1.辨認引腳：晶元的第一腳，是正放晶元，面對型號字元，然後，在晶元的左下方為第一腳。
也可以把晶元的缺口朝左放置，左下角也就是第一腳了。許多廠家會在第一腳旁邊打上乙個小圓點作為標記。知道了第一腳之後，按照反時針方向去走，依次是第2至第40引腳。
（1腳與40腳遙遙相對）。
2.牢記關鍵點的電壓：晶元第1腳是供電，正確電壓是dc5v。
第36腳是基準電壓，正確數值是100mv，第26引腳是負電源引腳，正確電壓數值是負的，在－3v至－5v都認為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。晶元第31引腳是訊號輸入引腳，可以輸入±199.9mv的電壓。
在一開始，可以把它接地，造成「0」訊號輸入，以方便測試。
3.注意晶元27,28,29引腳的元件數值，它們是0.22uf,47k,0.
47uf阻容網路，這三個元件屬於晶元工作的積分網路，不能使用磁片電容。晶元的33和34腳接的104電容也不能使用磁片電容。4.
注意接地引腳：晶元的電源地是21腳，模擬地是32腳，使用時一般與輸入訊號的負端以及基準電壓的負極相連。訊號地是30腳，基準地是35腳，通常使用情況下，這4個引腳都接地，在一些有特殊要求的應用中（例如測量電阻或者比例測量），30腳或35腳就可能不接地而是按照需要接到其他電壓上。
5、比例讀數：把31腳與36腳短路，就是把基準電壓作為訊號輸入到晶元的訊號端，觀察此時數碼管的讀數6、其他引腳的功能簡要說明：20引腳pm：
液晶顯示器背面公共電極的驅動端，簡稱背電極.a1-g1,a2-g2,a3-g3：分別為個位、十位、百位筆畫的驅動訊號，依次接個位、十位、百位led顯示器的相應筆畫電極19腳bc4：
千位筆畫驅動訊號。接千位leo顯示器的相應的筆畫電極。37腳test：
測試端，該端經過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱「邏輯地」或「數字地」。27腳int：27是乙個積分電容器，必須選擇溫度係數小不致使積分器的輸入電壓產生漂移現象的元件。
28腳buf：緩衝放大器輸出端，接積分電阻rint。其輸出級的無功電流(idlingcurrent)是100μa，而緩衝器與積分器能夠供給20μa的驅動電流，從此腳接乙個rint至積分電容器，其值在滿刻度200mv時選用47k，而2v滿刻度則使用470k。
az：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調零電容（29腳）caz。如果應用在200mv滿刻度的場合是使用0.
47μf，而2v滿刻度是0.047μf。
（2）電壓顯示電路：
設計中採用的是7段led數碼管來顯示電壓值。led具有耗電低、亮度高、視角大、線路簡單、耐震及壽命長等優點，它由8個發光二極體組成，其中7個按『8』字型排列，另乙個發光二極體為圓點形狀，位於右下角，常用於顯示小數點。把8個發光二極體連在一起，公共端接高電平，叫共陽極接法，相反，公共端接低電平的叫共陰極接法，我們採用共陰極接法。
當發光二極體導通時，相應的一段筆畫或點就發亮，從而形成不同的發光字元。其8段分別命名為dpgfedcba。例如，要顯示「0」，則dpgfedcba分別為：
00111111b；若要顯示多個數字，只要讓若干個數碼管的位碼迴圈為高電平就可以了。
七段數碼管結構圖
共陰極共陽極
7段數碼管驅動方法：
發光二極體（led是一種由磷化鎵（gap）等半導體材料製成的，能直接將電能轉變成光能的發光顯示器件。當其內部有一一電流通過時，它就會發光。
7段數碼管每段的驅動電流和其他單個led發光二極體一樣，一般為5～10ma；正向電壓隨發光材料不同表現為1.8~2.5v不等。
7段數碼管的顯示方法可分為靜態顯示與動態顯示，下面分別介紹。
（1） 靜態顯示
所謂靜態顯示，就是當顯示某一字元時，相應段的發光二極體恆定地尋能可截止。這種顯示方法為每一們都需要有乙個8位輸出口控制。對於51微控制器，可以在並行口上擴充套件多片鎖存74ls573作為靜態顯示器介面。
靜態顯示器的優點是顯示穩定，在發光二極體導通電注一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統在執行過程中，僅僅在需要更新顯示內容時，cpu才執行一次顯示更新子程式，這樣大大節省了cpu的時間，提高了cpu的工作效率；缺點是位數較多時，所需i/o口太多，硬體開銷太大，因此常採用另外一種顯示方式——動態顯示。
（2）動態顯示
所謂動態顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃瞄），對於顯示器的每一位而言，每隔一段時間點亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作（點亮），但利用人眼的視覺暫留效應和發光二極體熄滅時的餘輝效應，看到的卻是多個字元「同時」顯示。顯示器亮度既與點亮時的導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。
調整電流和時間參烽，可實現亮度較高較穩定的顯示。若顯示器的位數不大於8位，則控制顯示器公共極電位只需乙個8位i/o口（稱為掃瞄口或字位口），控制各位led顯示器所顯示的字形也需要乙個8位口（稱為資料口或字形口）。
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