數(shù)字式直流電壓表的設計與測試畢業(yè)論文.doc

目 錄 摘 要 abstract 前 言1、數(shù)字式直流電壓表現(xiàn)狀，研究目的以及意義 1.1課題背景及發(fā)展趨勢 1.2研究的意義和目的2、數(shù)字電壓表整體設計方案 2.1數(shù)字電壓表原理介紹 2.2數(shù)字電壓表設計方案綜述3、集成電路icl7106的理論綜述 3.1 icl7106概述 3.1.1 icl7106簡介 3.1.2 icl7106的特點介紹 3.2 icl7106管腳的功能特點 3.3 icl7106的內(nèi)部電路和工作原理 3.3.1 icl7106內(nèi)部模擬電路 3.3.2 icl7106內(nèi)部數(shù)字電路4、電路設計和分析 4.1由icl7106構(gòu)成的數(shù)字式直流電壓表表頭的分析 4.2小數(shù)點驅(qū)動電路 4.3各測量電路 4.3.1直流電壓測量電路 4.3.2交流電壓測量電路 4.3.3直流電流測量電路 4.3.4電阻測量電路 4.4使用注意事項5、數(shù)字萬用表的制作，調(diào)試和測試 5.1制作方法 5.2系統(tǒng)調(diào)試 5.3測量結(jié)果對比分析 結(jié)束語 參考文獻 致謝 數(shù)字式直流電壓表的設計與測試 摘 要 數(shù)字電壓表（digital voltmeter）簡稱dvm，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。本設計主要由集成芯片icl7106和四個共陰極led數(shù)碼管構(gòu)成，其中icl7106內(nèi)部包括模擬電路和數(shù)字電路兩大部分，模擬電路部分包括基準電壓源、模擬開關和a/d轉(zhuǎn)換器；數(shù)字電路部分包括時鐘振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器異或門構(gòu)成的驅(qū)動器、控制邏輯電路和鎖存器。其中，a/d轉(zhuǎn)換器是該系統(tǒng)的核心部分，它將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。在實際測量使用過程中，輸入電壓經(jīng)量程轉(zhuǎn)換進入icl7106進行a/d轉(zhuǎn)換，然后通過計數(shù)譯碼電路變換成筆段碼，最后再通過驅(qū)動lcd上的電池顯示符號來顯示數(shù)值。本文將對設計所用集成芯片icl7106各部分功能和電路以及其它擴展電路做詳細闡述。關鍵詞：數(shù)字電壓表；icl7106；a/d轉(zhuǎn)換器 digital dc voltmeters designing and testing abstract digital voltmeter (digital voltmeter) referred to as dvm, it is the use of digital measuring technology, the continuous analog (dc input voltage) into a non continuous, discrete digital form and the instrument display. this design mainly by the integrated chip icl7106 and four common cathode led digital tube, which is contained in the icl7106 analog circuit and digital circuit two parts, parts of analog circuit includes a reference voltage source, analog switches and a/d converter; digital circuit part comprises a clock oscillator, frequency divider, the counter, the decoder xor gate drive, control logic. circuit and a latch. among them, the a/d converter is the core part of the system, the analog it will enter into a digital output. in the actual measurement process, the input voltage range conversion into the icl7106 to a/d conversion, and then transform the counting decoding circuit into segments of code, and then through the drive lcd on the battery symbol to display the numerical display. in this paper, the design of the integrated chip icl7106, the function of each part and the circuit and other circuit done in detail. 前 言隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，電子測量中常用的指針式萬用表逐步地已被數(shù)字式萬用表所取代。數(shù)字萬用表的結(jié)構(gòu)基礎是數(shù)字電壓表。只要在數(shù)字電壓表的前面加上各種轉(zhuǎn)換電路，即可構(gòu)成數(shù)字式萬用表。數(shù)字式電壓表的出現(xiàn)，有兩方面的原因。一方面由于電子計算機的應用逐漸推廣到系統(tǒng)的自動控制信實驗研究的領域，提出了將各種被觀察量或被控制量轉(zhuǎn)換成數(shù)碼的要求，即為了滿足實時控制及數(shù)據(jù)處理的需要；另一方面，電子計算機的發(fā)展，帶動了脈沖數(shù)字電路技術(shù)的進步，為數(shù)字化儀表的出現(xiàn)提供了條件。世界上第一臺數(shù)字電壓表是美國nls公司制造的。我國是從1958年開始研制數(shù)字電壓表的。同計算機的發(fā)展過程類似，數(shù)字電壓表的發(fā)展過程也經(jīng)歷了電子管，晶體管，集成電路和大規(guī)模集成電路時代。數(shù)字電壓表的發(fā)展目前則早已進入智能化時代，高檔智能化數(shù)字萬用表均帶微處理器和標準接口，能配計算機與打印機進行數(shù)據(jù)處理及自動打印，構(gòu)成完整的測試系統(tǒng)。在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)字電壓表都是不可或缺的。本課題的目的就是基于icl7106芯片設計制作設計出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈活性好的數(shù)字電壓表。本文先闡述數(shù)字電壓表的發(fā)展歷程和趨勢，研究的目的和意義。然后進一步分析數(shù)字電壓表的工作原理，主要包括：集成芯片icl7106的特點，內(nèi)部電路，工作原理分析；數(shù)字萬用表表頭dt830b的電路原理，組裝與調(diào)試；擴展電路的分析。最后完成對數(shù)字式萬用表dt830b的組裝和調(diào)試，實驗測試數(shù)據(jù)并與實驗室標準萬用表測量數(shù)據(jù)進行比對，完成對實驗結(jié)果和可能造成實驗誤差的原因的分析。 一、數(shù)字式直流電壓表現(xiàn)狀，研究目的以及意義 1.1課題背景及發(fā)展趨勢出現(xiàn)于50年代初，在60年代末得到迅猛發(fā)展的數(shù)字電壓表，簡稱dvm，它的工作原理采用的是數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的數(shù)字量，加以數(shù)字處理然后再通過顯示器件顯示。數(shù)字式電壓表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計算機的發(fā)展是密不可分的；同時，為革新電子測量中的煩鎖和陳舊方式也催促了它的飛速發(fā)展，如今，它又成為向智能化儀表發(fā)展的必要橋梁。由于傳統(tǒng)的指針式電壓表存在功能單一、精度低等缺點，已經(jīng)不能滿足數(shù)字化時代的需求。同時采用集成芯片的數(shù)字式電壓表，由于其精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還可與pc進行實時通信等特點已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，顯示出強大的生命力。 數(shù)字電壓表在近五十年間得到發(fā)展迅猛，構(gòu)成數(shù)字電壓表的核心元器件也已從早期的中小規(guī)模電路發(fā)展到大規(guī)模asic(專用集成電路)階段。數(shù)字電壓表的應用范圍也從傳統(tǒng)的測量擴展至通信、傳感、自動控制等領域，由此可見，數(shù)字式電壓表具有極其廣闊的發(fā)展前景。 傳統(tǒng)電壓表主要有兩種設計思路：一種是用電流計和電阻利用歐姆定律構(gòu)成的電壓表；另外一種是利用中小規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成的電壓表。目前市場上較為流行的則是使用大規(guī)模asic(專用集成電路)構(gòu)成的電壓表。雖然設計思路不同，但各種電壓表各有優(yōu)劣，同時也為各種新穎的電壓表設計提供依據(jù)和基本設計思路。近期中國數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告從多方面介紹了世界數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時闡述了中國數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及其與外國同行業(yè)的差距，創(chuàng)新性地提出了“新型數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)” 和“替代品產(chǎn)業(yè)”兩個新概念，在此基礎上，從四個維度即“以人為本”、“科技創(chuàng)新”、“環(huán)境友好”和“面向未來”準確地界定了“新型數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)” 及替代產(chǎn)品的內(nèi)涵。根據(jù)“新型數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)” 及替代品的評價體系和量化指標體系，從各個角度對中國數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)和分析，并對數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)在中國行政劃分的四大都市圈的發(fā)展趨勢做了深刻的評估和預測。以下給出中國新型儀表產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的幾個趨勢：(1)普遍采用新技術(shù)，不斷開發(fā)創(chuàng)新，向模塊化發(fā)展隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮，儀器儀表產(chǎn)業(yè)也不斷地面臨著技術(shù)的革新。首先是20世紀90年代針對a/d轉(zhuǎn)換器的技術(shù)改革，如美國的四斜率a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)和余數(shù)再循環(huán)技術(shù)，英國的自動校準技術(shù)，荷蘭的智能化專用芯片80c51系列等，這些新技術(shù)讓數(shù)字電壓表想高穩(wěn)定性，高準確度，低成本方向發(fā)展。近年來，集成電路的發(fā)展使電壓表只需要在外圍加一個擴展電路和幾個簡單的元器件就可構(gòu)成智能化儀表，可以完成測量，控制，比較，存儲等多種功能。(2)標準化，規(guī)范化新型儀表正向著標準模塊化方向發(fā)展，這也是未來數(shù)字儀表的發(fā)展趨勢。未來的數(shù)字儀表將由各個標準化，規(guī)范化，通用化，系列化的模塊所構(gòu)成，這也將為儀器儀表的電路設計，維修檢測提供很大的方便。(3) 擴展能力強，測量速度快，抗干擾能力強數(shù)字電壓表在每秒鐘內(nèi)對被測電壓的測量次數(shù)，叫測量速率，單位是“次/s”。它主要取決于a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，其倒數(shù)是測量周期；5 位以下的dvm大多采用雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器，其串模抑制比、共模抑制比各別可達100db、80120db。高檔dvm還采用數(shù)字濾波、浮地保護等先進技術(shù)，進一步提高了抗干擾能力。(4)提高安全性儀器儀表的安全性在生產(chǎn)制造中至關重要，各個廠家都在盡力為儀表設計安全保護電路，并使其滿足國家標準。(5)集成度高，微功耗 新型數(shù)字電壓表的設計具有很高的輸入阻抗，可高達1t。另外，其越來越多地將采用cmos大規(guī)模集成電路，所以整機功率很低。 (6)操作簡單 新型數(shù)字儀表由于采用集成芯片加簡單的元器件即可構(gòu)成，按鍵少，操作簡單，實用。這也是數(shù)字式儀表向智能化發(fā)展的一個重要標志。1.2研究的意義和目的此次研究數(shù)字式直流電壓表的目的在于：通過此次畢業(yè)設計對數(shù)字直流電壓表的設計和測試綜合運用數(shù)字電路和模擬電路，鞏固所學知識；了解雙積分a/d轉(zhuǎn)換器的原理；掌握icl7107構(gòu)成數(shù)字直流電壓表的方法；了解數(shù)字顯示電路的擴展應用；了解產(chǎn)品設計的基本思路和方法；掌握常用電子元件的選擇方法和元件參數(shù)；加強計算機運用、查閱資料和獨立完成電路設計的能力。在此基礎之上，分析了解目前國內(nèi)國外數(shù)字電壓表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為以后的學習和行業(yè)研究打好基礎。眾所周知，在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中尤其以電壓量的測量最為普遍。數(shù)字電壓表作為最常用的測量儀表，以電壓表為核心，可以擴展成為各種通用數(shù)字儀表，專用數(shù)字儀表及各種非電量的數(shù)字化儀表（如：溫度計，濕度計，酸度計，重量，厚度儀等），幾乎覆蓋了電子電工測量，工業(yè)測量，自動化儀表等各個領域。另外，綜合近年來數(shù)字化儀表的發(fā)展趨勢所看，數(shù)字式電壓表具有比傳統(tǒng)電壓表讀數(shù)直觀、準確，顯示范圍寬、分辨力高，轉(zhuǎn)入阻抗高，功耗小、抗干擾強等優(yōu)點，值得人們?nèi)ヌ剿餮芯俊男袠I(yè)潛力來看，目前對于數(shù)字電壓表的研究和技術(shù)革新主要存在于硬件方面，軟件方面的作用遠遠沒有發(fā)揮出來。但未來的發(fā)展趨勢必然是智能儀表與人工智能結(jié)合起來開創(chuàng)的全新的智能儀器，所以說目前數(shù)字電壓表的智能化發(fā)展還處于“幼年期”，需要我們更加深入地去了解，研究和創(chuàng)新。 二、數(shù)字電壓表整體設計方案2.1數(shù)字電壓表原理介紹 dt830b是利用icl7106設計的一種簡易型數(shù)字萬用表。除了icl7106和lcd外，該表僅使用了24個電阻、6個電容和1個二極管，線路簡單，但測量功能仍有20項，且價格低廉，適合于學生練習電子設備的焊接、組裝與調(diào)試，也可做簡單的電子測量使用。該系統(tǒng)主要由集成電路icl7106和四個共陰極led數(shù)碼管構(gòu)成，其中icl7106內(nèi)部包括模擬電路（即雙積分a/d轉(zhuǎn)換器）和數(shù)字電路兩大部分。在實際測量使用過程中，輸入電壓經(jīng)量程轉(zhuǎn)換進入icl7106進行a/d轉(zhuǎn)換，然后再通過驅(qū)動lcd上的電池顯示符號來顯示數(shù)值。由于集成芯片icl7106只有液晶筆段及背電極驅(qū)動，沒有小數(shù)點驅(qū)動端，所以為顯示小數(shù)點，需另加外圍電路。2.2數(shù)字電壓表設計方案綜述 該數(shù)字式電壓表設計提供的電源是用電池提供的9v的電壓。量程開關則是由接入的電阻的大小來控制的。接入的電阻越大測量的量程就越小，反之接入的電阻越小它的量程也就越大。此電路的量程最大可以達到1000v。時鐘電路是由外接震蕩電路產(chǎn)生的。集成芯片icl7106提供a/d轉(zhuǎn)換電路，顯示部分則由icl7106管腳直接驅(qū)動lcd顯示.由于icl7106是把模擬電路與邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模cmos集成電路，芯片內(nèi)部有異或門輸出電路，因此可以直接驅(qū)動lcd顯示器，也無需外加模塊進行智能控制，即可實現(xiàn)對直流電壓、交流電壓、直流電流和電阻測量對象切換。下圖為數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu)框圖 在上圖所示結(jié)構(gòu)框圖中，除了lcd，rc濾波器，電容cref外，其余各功能部分，都被集成到一塊cmos大規(guī)模集成電路7106中，還有少數(shù)無法用集成電路技術(shù)制造的電阻，電容，則通過管腳和內(nèi)部電路連接，這使得7106的管腳多達40個。 三、集成電路icl7106的理論綜述3.1 icl7106概述3.1.1 icl7106簡介 icl7106是美國英特西爾（intersil）公司的產(chǎn)品，它是一塊高性能，低功耗應用非常廣泛的三位半a/d轉(zhuǎn)換器電路集成芯片。它包含3 1/2位數(shù)字a/d轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部設有參考電壓，模擬開關，邏輯控制，自動調(diào)零功能等。另外icl7106含有一背電極驅(qū)動線，適用于液晶顯示（lcd）。高集成度芯片icl7106擁有三個顯著的優(yōu)點：高精度，通用性，低成本。icl7106是一個系列產(chǎn)品，還有icl7107、icl7116、icl7117，icl7126、icl7136、icl7137等等，它們的功能和用途略有差別。國產(chǎn)的同型號產(chǎn)品是cc7106。3.1.2 icl7106的特點介紹 icl7106屬于大規(guī)模cmos集成電路，它將模擬電路和數(shù)字電路集成在同一塊芯片上。它有如下特點： （1）采用單電源供電，電源電壓范圍是715v，因此可以使用9v疊層電池供電，便于制造袖珍式測量儀表。 （2）功耗低，芯片本身的工作電流僅為1.8ma左右，功耗約為16mw，一節(jié)9v疊層電池能連續(xù)工作200小時左右，正常斷續(xù)使用，可使用半年以上。 （3）輸入阻抗極高，典型值為1010,對輸入信號沒有衰減作用。 （4）數(shù)字輸出部分為異或門輸出電路（又稱相位驅(qū)動電路）能直接驅(qū)動3 1/2位lcd。 （5）整機組裝方便，不需要外加有源器件，只需要配上幾個電阻和幾個電容及l(fā)cd，就可以構(gòu)成一個3 1/2位的直流電壓表，俗稱數(shù)字電壓表頭。在數(shù)字表頭的基礎上只需增加少量的轉(zhuǎn)換電路和量程擴展電路即可制成數(shù)字萬用表。 （6）芯片內(nèi)部設有時鐘電路的有源部分，設計者只要通過引腳外接阻容或石英晶體便可構(gòu)成時鐘振蕩電路，給設計者留有充分的選擇余地。 （7）能通過內(nèi)部的模擬開關實現(xiàn)自動調(diào)零，能自動判定被測電壓的極性。 （8）內(nèi)置基準電壓，使用方便。 （9）可以很方便地對芯片進行功能檢查，從而判斷芯片質(zhì)量的好壞。 （10）因為是coms集成電路，a/d轉(zhuǎn)換采用雙積分式工作原理，故抗干擾能力強，噪聲低，失調(diào)溫漂和增益溫漂均很小，且可靠性高，壽命長。 3.2 icl7106管腳的功能特點icl7106有兩種封裝形式，一種為雙列直插式塑料封裝，另一種則為陶瓷封裝，均為40個引出端，引出端俗稱管腳，管腳排列如下圖所示。各管腳功能分敘如下：（1）v+和v-（1,26腳）：分別接9v電源的正、負極。（2）com（32腳）：模擬信號的公共端，簡稱“模擬地”，使用時通常將該端與輸入信號的負端in-相連，在集成電路內(nèi)部則與基準電壓的負端相連。（3）test（37腳）：測試端，此端有兩個功能，一是做“測試指示”，將它與v+短接后，led顯示器顯示全部筆畫l888，據(jù)此可確定顯示器有無筆段殘缺現(xiàn)象；第二個功能是作為數(shù)字地供外部驅(qū)動器使用，構(gòu)成小數(shù)點、標志符顯示電路這是因為7106內(nèi)部沒有集成小數(shù)點驅(qū)動電路。（4）a1g1（5,4,3,2,8,6,7腳）：個位筆段驅(qū)動端，它們分別接至lcd個位相應筆段電極。（5）a2g2（12,11,10,9,14,13,25腳）:十位筆段驅(qū)動端，顯然，它們應分別接至lcd十位的相應筆段電極。（6）a3g3（23,16,24,15,18,17,22腳）：百位筆段驅(qū)動端，接至lcd百位的相應筆段電極。（7）b4c4（19腳）：千位(即最高位，也稱12位)筆段驅(qū)動端，接千位led的b、c段。當計數(shù)大于1999時，lcd發(fā)生溢出，僅千位顯示“1”，其余位均不顯示，以此表示儀器過載。（8）pol（20腳）：負極性指示輸出端，接千位led的g段，當pol端輸出的方波與背電極方波反相時，顯示出負號“”。（9）bp（21腳）：lcd背面公共電極的驅(qū)動端，簡稱“背電極”。（10）osc1-osc3（40,39,38腳）：時鐘振蕩器的外接元件端，通常是外接阻容元件，以便和內(nèi)部反相器構(gòu)成兩極反相式阻容振蕩器。 （11）vref+(36腳)：基準電壓的正端，簡稱“基準+”，利用內(nèi)部基準電壓源可獲得所需要的基準電壓，也可以采用外部更高性能的基準電壓源。（12）vref-（35腳）：基準電壓的負端，簡稱“基準-”。（13）cref+ 、cref-(34，33腳) ：外接基準電容端。（14）in+、in-（31,30腳）：模擬電壓的輸入端，分別接被測直流電壓vin的正負兩端。（15）caz（29腳）：外接自動調(diào)零電容端，該端在芯片內(nèi)部接至積分器和比較器的反相輸入端。（16）int（27腳）：積分器的輸出端，接積分電容cint 。（17）buf（28腳）：緩沖放大器輸出端，接積分電阻rint。 需要說明的是，由于icl7106的數(shù)字地（gdn）并未引出，而是通過內(nèi)部500電阻和test相連，但test和數(shù)字地呈等電位，故可將test視為數(shù)字地。3.3 icl7106的內(nèi)部電路和工作原理 icl7106的內(nèi)部電路分為模擬電路和數(shù)字電路兩大部分。其中集成了a/d 轉(zhuǎn)換器的模擬部分電路，如緩沖器、積分器、電壓比較器、基準電壓源和模擬開關，以及數(shù)字電路部分如振蕩源、計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、驅(qū)動器和控制邏輯電路等，使用時只需外接少量的電阻、電容元件和顯示器件，就可以完成模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，從而滿足設計要求。icl7106 的一個周期為用4000 個計數(shù)脈沖時間作為a/d 轉(zhuǎn)換的一個周期時間，每個周期分成自動穩(wěn)零（az）、信號積分（int）和反積分（de）3 個階段。內(nèi)部邏輯控制電路不斷地重復產(chǎn)生az、int、de 3 個階段的控制信號，適時地指揮計數(shù)器、鎖存器、譯碼器等協(xié)調(diào)工作，使輸出對應于輸入信號的數(shù)值。而輸入模擬量的數(shù)值在其內(nèi)部數(shù)值上等于計數(shù)數(shù)值t，即：vin 的數(shù)值=t 的數(shù)值或vin=vref(t/1000) 式中：1000 為積分時間（1000 個脈沖周期）；t 為反積分時間（滿度時為2000）。3.3.1 icl7106內(nèi)部模擬電路如下圖所示為icl7106內(nèi)部電路的模擬電路部分。 由上圖可以看出，模擬部分分別由以下各單元電路組成。（1） 基準電壓源，由穩(wěn)壓二極管dz，硅二極管d，電阻r1和r2組成。e0的允許范圍是2.4v3.2v。e0不僅給芯片提供基準電壓，還為設計萬用表的檔，二極管檔，hfe檔提供了方便。在普通數(shù)字萬用表中，均通過電阻分壓器從e0獲得vref。（2） 模擬開關，分別為saz,sint,sde。saz是自動調(diào)零開關，sint為正向積分開關，sde+和sde-是反向積分開關，但sde+和sde-每次只有一組工作，是被測電壓正負而定。（3） a/d 轉(zhuǎn)換器，由積分器a2，比較器a3和外接元件rint,cint組成雙積分a/d 轉(zhuǎn)換器。a/d 轉(zhuǎn)換器的每個測量周期分為三個階段，即：自動調(diào)零（az），正向積分（int），反向積分。第一階段：自動調(diào)零階段az 轉(zhuǎn)換開始前（轉(zhuǎn)換控制信號vl=0) ，先將計時器清零，并接通開關saz，使積分電容c完全放電。vref向cref充電，使cref的電壓被充到vref，為反向積分做好準備。第二階段：信號積分int 此階段中sint閉合，sde，saz斷開，切斷了自動調(diào)零電路，并去掉了a1+端和com的短路線，將in+，in-端分別與a1+端，a2+端接通，積分器a2，比較器a3，緩沖器a1都開始工作。當定時計數(shù)器滿1000個脈沖時，正向積分停止，轉(zhuǎn)為反向積分開始，此時積分器的輸出電壓為：正向積分結(jié)束時，被測電壓的極性即被判定。k為緩沖器a1的電壓放大倍數(shù)，約為1。第三階段：反向積分de 令開關sde轉(zhuǎn)至參考電壓vref一側(cè)，積分器反向積分。如果積分器的輸出電壓上升至必零時，所經(jīng)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vin成正比。令時鐘脈沖cd的周期為tc，計數(shù)扔器在t2時間內(nèi)計數(shù)值為n得：t2=ntcp代入上式得：由上式可知，t1，tcp,vref都是預先設計好固定不變的，所以計數(shù)值n僅與被測電壓vin成正比，從而實現(xiàn)了對模擬直流電壓vin的數(shù)字化測量。(4) a/d 轉(zhuǎn)換過程的時間分配在測量過程中7106能在控制邏輯電路的控制下自動完成下述循環(huán)：其中每個階段測量周期的測量速率為：測量周期選定之后，每個階段的時間分配如下：1，上次反向積分時間t2：從第0個t0到第2000個t0。由被測電壓vin決定，但最大不超過1999t0。2，自動調(diào)零時間：從t2結(jié)束開始到第3000個t0，開始的時間由t2的長短決定，但結(jié)束的時刻是確定的。3，正向積分時間t1：從第3000個t0開始到第4000個t0結(jié)束，t1有確定的時間長度，即t1=1000t0。又稱信號積分。4，反向積分時間t2：從第4000個t0(即第0個t0)到第2000個t0之前的某個時刻，又開始新的一個周期。為了提高萬用表抑制工頻干擾的能力，采樣時間t1應選為工頻周期20ms的整數(shù)倍。設計選擇t1= 1000tcp = 1000 * 0.1ms = 5 * 20ms，是工頻周期的5倍，符合原則。3.3.2 icl7106內(nèi)部數(shù)字電路 如下圖所示為icl7106內(nèi)部電路的數(shù)字電路部分。數(shù)字電路的顯著特征是，它采用一只穩(wěn)定電壓為6.2v的穩(wěn)壓管與一只mos場效應管源極跟隨器來產(chǎn)生內(nèi)部數(shù)字地（gnd或dgnd表示）。除此重要特征外，數(shù)字部分主要包括七個單元電路：時鐘振蕩器，分頻器，計數(shù)器，鎖存器，譯碼器，異或門構(gòu)成的驅(qū)動器，控制邏輯電路。下面將做詳細介紹：時鐘振蕩器時鐘振蕩器就是一個方波發(fā)生器，這里由非門f1，f2以及外接阻容元件r，c組成。其輸出方波之占空比為1:1，振蕩頻率與周期的估算公式分別為: 分頻器對時鐘振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行逐級分頻，即可獲得所需的計數(shù)頻率fcp和lcd背電極的方波電壓頻率fbp（50hz）。計數(shù)器利用四位二進制數(shù)表示十進制數(shù)n時，通常采用“8,4,2,1”bcd碼。cmos計數(shù)器的計數(shù)單元一般采用t型觸發(fā)器。譯碼器譯碼器的功能是將bcd碼譯成lcd七段顯示碼，供7段顯示用，從而將二進制的bcd碼譯成對應的十進制顯示出來。譯碼器屬于組合邏輯。異或門lcd的一個重要特點，就是必須采用交流驅(qū)動方式。實驗表明，交流驅(qū)動時液晶的壽命可達5000小時以上，而采用直流驅(qū)動壽命大約為500小時?？刂七壿嬰娐房刂七壿嬰娐穼儆跁r序電路，主要作用有三個：第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時發(fā)出控制信號，使各模擬開關接通或斷開，a/d轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進行。第二，判定輸入電壓極性，控制led數(shù)碼管的負極性顯示，相應的輸出管腳為pol（20號）。第三，當輸入電壓超量程時發(fā)出溢出信號，使千位顯示“1 ，其余數(shù)碼全部消隱。鎖存器用來存放a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動led 。 四，電路設計和分析4.1由icl7106構(gòu)成的數(shù)字式直流電壓表表頭的分析 在掌握了7106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工作原理，管腳功能以及l(fā)cd的結(jié)構(gòu)和工作原理之后，便可以進一步討論用一片icl7106和一片3 1/2位lcd以及幾個外接電阻，電容構(gòu)成的最小測試系統(tǒng)數(shù)字電壓表表頭。該系統(tǒng)設計原理圖如下圖所示： 如圖所示是一單量程的3 1/2位數(shù)字電壓表，在此電壓表的基礎上，再添加各種轉(zhuǎn)換電路便可以組成一個功能較齊全的數(shù)字萬用表，因此常將此具有基本量程的數(shù)字電壓表稱為數(shù)字表頭，該表頭的滿量程為200mv。電路主要的是由icl7106 組成它實現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換。r1、c1分別為振蕩電阻與振蕩電容。r2與電位器rp構(gòu)成基準電壓分壓器，rp宜采用精密多圈電位器，調(diào)整rp使urefum/2100.0mv，滿量程即定為200mv，二者呈12的關系。r3、c3為模擬輸入端高頻阻容式濾波器，以提高儀表的抗干擾能力。c2、c4分別為基準電容和自動調(diào)零電容。r4、c5依次為積分電阻和積分電容。儀表采用9v疊層電池供電，測量速率約2.5次秒。in端、uref端、com端互相短接。4.2小數(shù)點驅(qū)動電路小數(shù)點驅(qū)動電路采用四異或非門4077b，異或非門的真值表如下圖1所示。以圖1中十位小數(shù)點dp1的驅(qū)動為例來說明。異或門i的輸入端a接7106的21腳（即bp端），為固定的50hz方波，當輸入端b接高電位時，由真值表可知，異或非門的輸出端y的輸出ua，所以加到該小數(shù)點兩極板上的電壓uybp =0。但換擋開關的動片k1-6移到十位時，則b端和test接通，test是數(shù)字地，即ub =0，由真值表可知，uy變成與ua同頻反相的方波，結(jié)果dp1兩極板具有交換極性的方波，因此dp1顯示出來?？傊敭惢蚍情T的輸入端b位數(shù)字低電平時，對應的小數(shù)點便顯示，反之b為數(shù)字高電平時，對應小數(shù)點便消隱。 圖1 小數(shù)點與低電壓提示符驅(qū)動電路4.3各測量電路 4.3.1直流電壓測量電路 下圖為直流電壓測量電路 在數(shù)字電壓表頭的基礎上增加一個電阻鏈分壓電路和一個換檔開關，即可構(gòu)成各種量程的直流電壓測量電路。圖中斜線區(qū)域代表導電橡膠，用來連接7106和lcd。r7和w2表示一個由固定電阻r7和一個電位器w2組成的串聯(lián)可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)w2使r7+w2 = 9m。r6是限流保護電阻。k1是換擋的動片之一。由圖可知，被測電壓vx乘以分壓系數(shù)f等于數(shù)字電壓表頭的輸入電壓vin，即 vin = vx * f （4.3.1） 例如當動片k1移到量程200v檔時，分壓系數(shù)當表頭顯示值為1999時，表示表頭的輸入電壓vin為199.9mv，而電壓表的輸入端輸入的電壓，則由式4.3.1可求得:即代表此檔滿量程為200v。同理可算得其余各檔可由相同算法算出。如果配以小數(shù)點驅(qū)動電路，那么在各個量程時，lcd就會顯示出實際的測量值。具體在各檔時應驅(qū)動哪一位后面的小數(shù)點，也是由換檔開關來同步控制的。由式4.3.2可知，在200檔時，應該讓dp1總是顯示，這個工作由換檔開關的動片s1-6同步實現(xiàn)的。需要說明的是，電壓表在工作時，是和被測電阻并聯(lián)的，為了不影響被測電路的正常工作，電壓表的輸入電阻應越大越好，無窮大時最好。由直流電壓測量圖可以看出，dt830直流電壓表的量程共有五檔，分別是：200mv，2v，20v，200v和1000v。4.3.2交流電壓測量電路 下圖所示為交流電壓測量電路交流電壓測量電路只需要在直流電壓測量電路的基礎上，增加一級線性整流電路即可。具體做法是在分壓器和數(shù)字表頭之間串入線性整流電路。線性整流電路起到ad-dc變換的作用。如果僅用二極管整流，由于二級管有門檻電壓，所以當輸入信號小于門檻電壓時無法轉(zhuǎn)換，且二極管整流輸出具有非線性，這給校準帶來了困難，采用線性整流電路就克服了上述困難和缺點。圖中二極管d5、d6、d11、d12構(gòu)成了過壓保護電路，如因操作不當，在低檔量程時不慎加入了高電壓，則二極管d5和d11在正半周時導通，d6和d12在負半周時導通。保護了電路中的其它元件，不至于損壞。正常工作時，可視為開路。電容c1、c2、c3、c5在測量電壓頻率范圍45hz-500hz的限定內(nèi)，是交流耦合電容，對被測交流電壓可視為通路。r21和r22給運放a1a的同相輸入端提供直流偏置電路，r23提供反相輸入端的直流偏量，對交流信號而言均可視為開路。c4是為了消除高頻自激，分析工作原理時，可視為開路。4.3.3直流電流測量電路下圖所示為直流電流測量電路作在數(shù)字電壓表頭的基礎上，增加一個電流輸入插孔和電流-電壓轉(zhuǎn)換（i-v）電路，就可以構(gòu)成一個多量程的直流電壓表。根據(jù)歐姆定理，用合適的取樣電阻把待測電流轉(zhuǎn)換為相應的電壓，再進行測量。如圖，由于rr，取樣電阻r上的電壓降為ui=ii*r即被測電流ii=ui/r若數(shù)字表頭的電壓量程為u0，欲使電流檔量程為i0，則該檔的取樣電阻（也稱分流電阻）為r=u0/i04.3.4電阻測量電路 如下圖所示為電阻測量電路 由穩(wěn)壓管zd提供測量基準電壓，流過標準電阻 r0 和被測電阻r x的電流基本相等（數(shù)字表頭的輸入阻抗很高，其取用的電流可忽略不計）。所以a/d轉(zhuǎn)換器的參考電壓urfe和輸入電壓uin有如下關系：urfe/uin =r0/r x即r x=(uin /urfe)/r04.4使用注意事項1.在接電源時，注意電源的正負極2.通電后，觀察數(shù)碼管發(fā)光情況，并按下復位按鈕，使其恢復初始狀態(tài)3.在使用前，調(diào)節(jié)2k電位器校零4.在進行測試前，估猜被測電壓，選擇合適量程 五、數(shù)字萬用表的制作，調(diào)試和測試5.1制作方法 1，在安裝之前，仔細閱讀“dt830b數(shù)字萬用表實習指導書”，讀懂之后先進行試安裝。2，試安裝時，可先將電阻，電容等小的元器件焊上去。試安裝的目的主要是探索出一套快速可靠的安裝方法。通過摸索，會發(fā)現(xiàn)三極管插座的焊接面和其它電阻、電容的焊接面剛好是相反的，所以最好先別焊三極管插座，以免對后面的安裝工作產(chǎn)生較大的影響。3，dt830b共有37個元器件需要焊接，而焊點不超過70個，焊接工作量并不大。焊接關鍵在于元器件不要焊錯，焊點質(zhì)量要高，便于拆卸和重新安裝。4，在電路板焊接完成后就是組裝工作了，具體操作步驟可參考說明書，在這里不再贅述。5.2系統(tǒng)調(diào)試5.2.1 調(diào)試儀器可調(diào)直流電源，可調(diào)范圍：0200mv；萬用表，精度：0.1mv5.2.2 調(diào)試方法 數(shù)字萬用表的一般調(diào)試流程是先調(diào)零點，后調(diào)功能；先直流后交流；先電壓后電流；先低檔，后高檔；先基本檔，后附加檔。1. 零點檢驗 轉(zhuǎn)換開關置于dcv 200mv檔。當輸入開路時，顯示屏上可能有數(shù)字出現(xiàn)，這是外界感應電壓造成的，但顯示應在10個字以下，如用手觸摸表筆，顯示字應有變化。將兩表筆短接后顯示值應為“00.0”。否則不正常，應予以檢查，或判為不合格。2. 表頭滿量程（dc 200mv檔）的調(diào)試將dt-830b和標準直流電壓源按圖5.2.2連接。調(diào)節(jié)標準電壓源，使其輸出為100.0mv，找到dt-830b中的電位器w3，微調(diào)w3，使dt-830b顯示“100.0”；改變輸入為199.9mv，觀察dt-830b的顯示是否也為“199.9”，再將輸入分別改為20mv,-100.0mv,分別觀察dt-830b的顯示是否與輸入吻合，或誤差不超過0.1mv，否則要反復微調(diào)w3，使上述各情況都符合要求為止，否則要更換元器件或判定為次品。3. 直流電壓檔各檔的檢驗 依次將轉(zhuǎn)換開關轉(zhuǎn)至2v,20v,200v,1000v量程，接線圖仍如圖5.2.2所示，分別輸入1.000v，10.00v，100.0v，1000v的標準直流電壓，觀察dt-830b的顯示值，應在規(guī)定誤差之內(nèi)。5.3測量結(jié)果對比分析5.3.1測量結(jié)果電壓測量次數(shù)測量前檔位待測電壓值測量后檔位測量電壓值第一次11.5v21.455v第二次224v323.86v第三次5150mv10.1470v自動切換量程測試檔位本表測量值萬用表測量值10.099v100mv21.453v1.498v314.75v14.98v4118.4v120.5v5201.5v190.1v5.3.2誤差分析 由5.3.1測量結(jié)果可知，自己制作的dt830在測量結(jié)果上與標準萬用表存在一定誤差，誤差結(jié)果分析如下：1. 由于電壓表工作時與被測電路并聯(lián)，所以電壓表的輸入電阻越大越好，無窮大時最好。一般情況當內(nèi)阻達不到10000時就會產(chǎn)生誤差，而且使用的檔位越低誤差就會越大。 2.可能是由分壓電阻和模擬開關的導通電阻引起的。 3.由于內(nèi)部器件的老化腐蝕而使電阻電感產(chǎn)生變化影響結(jié)果。 結(jié)