DCV智能测量电路设计

10128学校代码:学 号:题 目：DCV智能测量电路设计 学生姓名：学 院：班 级：指导教师：杨建省二OO年七月日内蒙古工业大学课程设计任务书课程名称：数字电子技术课程设计 学院： 班级：学生姓名： 学号：指导教师：一、题目DCV智能测量电路设计二、目的与意义巩固和加深所学课程的基本理论知识，培养学生综合运用所学知识并解决实际问题的能力，树立严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风和创新意识。2、课程设计应完成以下基本能力的培养：（1）资料、信息的获取及分析、综合的能力。（2）方案论证、分析比较的能力。（3）实验、设计、使用网络和计算机（包括索取信息、计算机绘图、数据处理、 基本应用等）的能力。（4）撰写科技论文（报告）的能力。三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）1、设计要求（1）测量范围：20mV 50V。（2）主要集成芯片：CD40674097、ICL7107、LM324或用其它替代产品。2、技术参数20 mV档的测量误差0.01mV ； 200mV档的测量误差0.1mV； 2V档的测量误差1mV;20V档的测量误差10mV;200V档测量误差0.1V,能实现无档测量。3、其它要求：完成整机电路设计、用计算机绘制电路原理图、写出课程设计报告。四、工作内容、进度安排一周内完成上述设计、绘制电路原理图、写出课程设计报告。五、主要参考文献1、MAXIM.新产品数据手册.ICL7129/MAX7129： 4T/2 Digisingle Chip A/DConverter with LCD driver.19922、李东炜数字万用表使用维修手册中国计量出版社，19953、杨建省.DCA准智能测量电路设计.电子测量技术.2001第4期审核意见系（教研室）主任（签字）指导教师下达时间20011年7月11日指导教师签字：摘要一般的电压表测量电压时要进行切换档位以进行不同量程的测量，使用 时很不方便，且读数时会有较大误差。为了能够方便测量，提高效率和减小误差， 设计的DCV智能测量电路能实现无档测量且读数较精确。DCV智能测量电路设计在使用时用电子开关自动切换档位，并且能够进 行多量程的电压测量，这个设计的测量范围是测量范围：20mV 50V,并设计有 通过电子开关控制的20 mV档，200mV档，2V档，20V档，200V档五个档位。它 是利用智能控制小数点的亮灭来实现这一功能的。DCV智能测量电路设计到了 LM324、CC4097、ICL7107、放大器、发光二极管显示的数码管、同步计数器74160、 窗口比较器。关键词：电压表，电子开关，放大器，计数器，发光二极管显示的数码管，比 较器，CMOS集成电路。AbstractThe general voltmeter to measure the voltage switch gear for different measuring range, when using, it is not convenient, and will have larger error reading. In order to be able to convenient measured, improve efficiency and reduce the error, the design of DCV intelligent measurement circuit can realize no gear measurement and more accurate reading.DCV intelligent measurement circuit design when use with electronic automatic switch gear, and can be more range voltage measurement, the design of the measuringrange is measuring scope: 20 mV-50 V, anddesign have through the electronic switch control 20 mV files, 200 mV files, 2 V files, 20 V gear, 200 V gear five gear. It is by using intelligent control of the decimal point kill bright to fulfill upon this function. DCV intelligent measurement circuit design to LM324,CC4097,ICL7107,amplifiers, led display of digital tube, synchronous counter 74160, window comparators.Keywords： the voltmeter, electronic switch, amplifiers, counter, led display, digital tube comparison, CMOS integrated circuit.目录一、设计任务概述1二、设计方案论证及方框图1三、集成芯片介绍2四、电路图10五、仿真测试12六、设计所需仪器元件清单12七、结论13八、参考文献13一、设计任务概述DCV智能测量电路设计使用电子开关自动切换档位，应用范围广比较有发展 前景。其特点是能实现无档测量，使用方便，读数比较精确，该测量电路具有以 下功能特点：1、测量范围:20mV 50V。2、技术参数20 mV档的测量误差0.01mV ； 200mV档的测量误差0.1mV； 2V档的测量误差1mV; 20V档的测量误差10mV;200V档测量误差0.1V,能实现无档测量。二、设计方案方框图及论证电压分别由电阻链分压产生，此电压经过同相放大后，作为代码产生。产生的代 码与ICL7107相连接，从而驱动半导体发光二极管显示器。CD4097是双八路电 子模拟开关，其中八路受同一组地址码控制，从而接入小数点来控制各位小数点 的消隐，以达到不同的档位实现不同的读数显示，无须手动的操作。电压电阻链分压产生所对应的代码值控制CD4097上的开关Ki,因为是双八 路开关，对应的X、Y组的Ki都导通。X组的Ki导通，通过ICL7107显示到数 码管上。Y组的Ki导通实现对小数点的控制，所以通过各个芯片的共同作用， 无需切换档位即可正常显示电压数字，达到了无档测量的目的。三、集成芯片的介绍3.1、同相比例运算电路同相比例运算电路，如图1.2所示。Q UF IIF图1.2同相比例运算电路图图1.2电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。 即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达1090以上。(12)根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即u 二 u 二 uPIN说明集成运放有共模输入电压。净输入电流为零，得上式表明u与u同相且u大于u。O IOI应当指出，虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但 因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集 成运放。从另一角度看，在对电路进行误差分析时，应特别注意共模信号的影响。3.2、CC4097 介绍模拟开关是一种三态电路，即CMOS传输门。它可以根据控制端的电平，决 定输人端与输出端的状态。当处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状 态；当控制端处于不工作状态时，则不管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。 模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功 耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系 统和计算机中得到了广泛应用据电路的特性和集成度的不同，MOS模拟开关集成电路可分为很多种类。常用的模拟开关集成电路的型号、名称及特性见表1.2。 表1.2常用的模拟开关类别型号名称特点模拟开关CD4066四双向模拟开关四组独立开关，双向传输多路模拟开关CD40518选1模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4052双4选1模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4053三路2组双向模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4067单16通道模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4097双8通道电路模拟开关电平位移，双向传输，地址选择CD4529双四路或单八路模拟开 关电平位移，双向传输，地址选择CC4097是双八路电子模拟开关，它可以通过C、B、A端的高低电平控制K0K模拟电子开关的状态。其中C端为最高位，B端次之，A端为最低位。其内部7含有两个KK模拟电子开关，故为双八路模拟电子开关，其引出端功能如图071.6所示。K(OUT/IN)K(IN/OUT)LOVSS123456789432109876543 oy- -VDD012345YfOUT/IN) JY(IN/OUT)CINH8选1译码器.X(DUT/IN)图1.7 CC4097逻辑图图1.6 CD4097双八路模拟开关的逻辑图逻辑图如图1.7所示。禁止INH 地址二”0x(in/outJ 1 ” QrYCDUT/IN)Y(IN/nUT)J IrII表 1.4 CC4097 电参数表（T =251）A符号测试条件参数单位VIVVSSVVDDV最小值最大值静态电流Inn01010pA导通电阻R010400O导通电阻路差ONARON01010 （典型值）输入电流I0/18180.1pA开关断开时泄露电流IZ180.1pA输入低电平 电压VIL经1 kO电阻接VDDR =1 kO接地LI 2 卩 AZ103V输入高电平 电压VIH107V平均传输延迟时间tpdC =50 pFL010270ns输入电容CI0107.5pF3.3、ICL7107的特点和功能双积分A/D转换器转换精度高、抗干扰能力强，特别适合测量仪表数字化的1要求。ICL7107是3-位双积分A/D转换器大规模集成电路，由于已将模拟与数21字电路集成在单片内，只需外接少量元件就可组成3-位数字电压表，使用极为2方便；若再接各种转换器，就可组成数字万用表、数字温度、压力表等。ICL7107输出级为大电流反相器，适合驱动半导体发光二极管数码显示器。ICL7107的模拟电路如图1.8所示；逻辑电路如图1.9所示。引出端功能图如图1.10所示。电路引出端为40线，现将它们的功能介绍如下:ag为个位数笔段驱动输出；ag为十位数笔段驱动输出；aguuTTHH为百位数笔段驱动输出；ab为千位数笔段驱动输出。以上数字笔段输出分别和K显示器对应的笔段ag相接。由于计数满量程为“ 1999”，ab输出接千位数K“1”字的b和c笔段。基淮+ gEFGref丄自校零积分电容积分V+电阻LI2ZAK图1.8 ICL7107模拟电路图PM为负极性指示输出，接千位显示数的g笔段（或另行设置是负极性笔 段）。当PM为负值时，负号显示；为正值时，负号不予显示。这两种情况为一 19.99 和 19.99。第21引出端符号是GND（地），接正、负电源的公共地端。LED1.9 IC 译码器异107IT译码器图锁存器模开关一至比较器11/4逻辑控制TESTGNDSC1QOSGsII时$!产生OSCOSC。为产生时钟的振荡器的引出端，外接规定的阻容元件。13V 和V 为基准正负电压端。基准电压由电源分压得到。REF+REF-C 为基准电容端，它被充电的电压在反相积分时成为基准电压。实用线 REF路中接0.1 pF电容。COM为模拟信号公共端，一般与输入信号负端、负基准电压端相接。IN和IN为模拟量输入端。模拟量输入高阻抗CMOS运算放大器，可以忽+ -略注入电流值，所以可通过1MG电阻和0.01 pF电容组成的滤波电路输入。TEST为逻辑线路地端，当A/D转换器和外部逻辑电路结合时，外部逻辑地 端必须接TEST端。BUF为输入缓冲放大器输出端，接积分电阻47kG。AZ为积分器和比较器的反相输入端，接自校零电容0.47pF。INT为积分器输出端，接积分电容0.22 pF。V和V为电源端。ICL7107用双电源，对第21端“地”而言，V接+ 5V+ - +电源，V接一5V电源+5V电源同时和LED公共端相接。ICL7107具备许多优越功能。如电路内部含自校零线路，保证零信号时读数 为零值，整机经调整后使用时无需调零，可自动显示极性；电路内部设有基准电 压，并用运算放大器作精密稳定；有时钟脉冲产生线路和全部切换开关。11162.24V+ dusCuhuSCi SC2 SC3+582ioauFu9Ueu；di、匚Tbi显示笔段r位TEST Vref+ Vref-Cref匚尺EFCOMIN+IN4D吕9 ICiOK辽逻辑地ioof3635基堆3433323130基淮电客模 拟公共端1ML1314151617181920WarfiETdHbHfH汁位EH,O.kiK千位PMBUFINTV- 十位9T 百位匕QHND +输入0.47u2726252423积分-5VICL7107作为CMOS集成电路，也具有独特的性能。转换器输入阻抗高达108 o , 对信号无分流影响；内部运放输入阻抗高，无失调电流引起的误差；转换器功耗 较低，作为驱动LED的ICL7107电路，为制作便携式数字仪表创造了条件。设A/D转换器满量程位1999，双积分工作方式则以计4000个时钟脉冲时 间为一个转换周期。现结合逻辑框图说明其工作原理。双积分A/D转换器可分 为采样，积分和休止三个阶段。1. 采样过程在前个休止阶段结束时，输入信号和公共模拟端短接，积分器和比较器的输 出为零。这些都是控制开关起的作用。K 、K 、K和K等所有开关控制信 az INT +-号都是高电平有效（开关导通）。2. 积分时间由于在休止阶段基准电容被充电（v = V |），在积分阶段一开始，对输入CREFREF电压作极性判断后，基准电容便接入缓冲放大器，以使积分器反向积分。3休止阶段K 控制信号为“ 1”电平，输入信号短路；基准电容充电。积分器与比较 AZ器反馈回路接通，他们输出都为零。由以上三个工作阶段可知，逻辑控制单元产生的控制信号决定了各模拟开关 的导通、截止状态，又产生信号控制计数器、锁存器和显示译码器表1.5 ICL7107的参数表参数名称符号测试条件参数值单位最小典型最大电源电压V+V+6-9VV+V静态电流IDDV =0V, V V =9V,不i+-包括显示器消耗电流0.81.8mA输入电流IIV =9VI110pA零伏输入读 出V =0V，I满标度200 mV-0.0000.000+0.000读数比例读出V = V200 mV1-REF1999999 /999读数1000翻转误差V =+ V 200mVII-10.2+1数线性误差ERD最大值200 mV 2.000V-10.2+1数输出噪声电压VNOV =0V，满标度I200 mV15w零读数温漂aERZV =0V，I0CVT V70CA0.21RV /C共模电压VIC公共模拟端与电源正端之间接25kQ电阻2.42.83.2V输出低电平IODV V =5V,+ -每笔段电压为3V58mA3.4、LED显示器的基本结构和原理LED显示器采用发光二极管显示字段，经常采用的是八段显示器，即LED显 示器中有8个发光二极管，代表“a. b. c. d. e. f. g”七个字段和一个小数 点“dp。LED显示器的结构如图1.11所示。图1.11 LED显示器的结构图LED数码显示器有两种连接方法：(1) 共阳极接法。把发光二极管的阳机连在一起构成公共阳极，使用时公共 阳极接+5V,每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电 平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮，其电路接线如图 1.12所示。+5VR+8图1.12二极管共阳极接法R*8图1.13二极管共阴极接法(2) 共阴极接法。把发光二极管的阴极相连在一起构成公共阴极，使用时公 共阴极接地，每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极段输入高电 平时，段发光二极管导通点亮。而输入低电平时则不点亮，其电路接线如图1.13 所示。使用LED数码显示器时要注意区分这两种不同的接法，在器件出厂时其内部 的公共端已连接好，用户可根据自己的需要正确选用共阳极接法或共阴极接法。使用LED显示器时，工作电流一般为5-lOmA/段,对应电压降约1.82.4V。 这样当数码管处于全亮状态时，共需工作电流约40-80mA左右。LED显示器的 亮度除与工作电流有关外，还与LED的型号有关。LED数码管的显示有静态和动态两种方式。静态显示方式中，多个LED显示 器中的每一个段代码都与一个独立的8位并行口连接，公共端则根据LED的种类 洪阴或共阳)连接到“地”或“Vcc”上。图2是一个四位静态LED显示电路， 每个LED的段代码都由独立的并行8位I/O 口线控制，可以在同一时间内显示不 同的字符。静态LED显示方式的优点是编程容易，但功耗大，占用CPU I/O 口线 较多，成本较高。所谓动态显示，实质上就是各个不同的LED显示器按照一定的 顺序轮流显示。它利用了人眼的“视觉暂留现象”只要多个LED显示器的选通 扫描速率足够快，人眼就觉察不到数码管的闪烁现象。动态扫描方式的所有LED 段选线并联在一起，只由一个8位的I/O 口控制，而各个LED的位选线则由另外 一组I/O 口控制。动态LED显示方式的优点是功耗较低，占用CUP I/O线少，外 围接口简单，但程序编制较之动态显示方式则略显复杂。ICL7107的输入端信号U ，送入ICL7107来驱动数码管来显示数字，本设1计中3-LED显示器显示数字的原理为：2N = x 103(2-1)UREF其中N表示显示器显示的数字，U为输入电压，U 为基准电压，其值为IREF100 mV。因U RE詐常数，且最高位仅显示1或不显示，故最大输入电压为199.9 mV。四、电路图IU1U2U3VGC5V191615V?N1199C261d叫1729d o 1 3 4 5 Y 6 n- c K K K K K K K 的 gn 6 s 4 2 1 o kkkkkkkkabv142114V+ 0SC1 du 0SC2 cu 0SC3 bu TEST au gF+ fu注F gu Cref eu Cref dt CCM ct IK+ bt Di- at AZ ft BUF et IXT dk V- bh g fk ch eh ah abk gh FM GXDICL7O1727 ipC1 390nFU11A 7405N生vcc5Va77TOVCC凰U9IL-LOAD -CLRCLKGKDVCCQAQBQCQDRCO74LS16OD五、仿真测试由于有些元器件在软件中无法使用，所以只能进行局部仿真，将局部电路进行仿 真测试，得到的仿真截图如下：U51*VCC5VvccDCD HEX BLUEIi I4 AECDEKT-LOADCLK74LS160D7U4A740 3N六、设计所需仪器设备及元器件清单序号名称型号及使用参数数量备注可调直流稳压电源DICE-DG1台5V实验板一块74160门电路1片ICL7017门电路1片CD4097门电路1片LED显示器4片发光二极管1个同相比例运算放 大器3个反相比例运算放 大器2个电阻若干电容若干七、结论：一. 在此次课程设计中完成了下述工作：1. 进行了设计任务的需求分析，完成了总体结构图的设计，进行了经济性 和技术性比较并确定了最终方案。2 根据最终方案绘制整机电路图。二. 课程设计中下述工作没能完成：没有 CD4097、ICL7107.三本设计可以在下述方面进行功能扩展，但是因为时间关系未能完成设计：1、安装2、测试方案3、调试过程4、调试中发现的问题及解决措施5、整体电路功能测试八、参考文献1 MAXIM.新产品数据手册.ICL7129/MAX7129: 4-1/2Digitsingle Chip A/DConverter with LCD Driver,19922 赵保经，蒋建飞大规模集成电路设计原理北京：科学出版社.20053 杨建省全量程无档型欧姆测量系统.电子测量技术.2000(4)4 阎石主编.清华大学电子学教研组编.数字电子技术基础.北京.高等教育 出版社.1998： 457-4595 谢自美主编电子线路设计实验测试武昌华中理工大学出版社.19946 王永兰主编，数字式频率课程设计7 房建东、荀延龙、王艳荣等电子技术M.呼和浩特：内蒙古的业大学出版 社.2004