數(shù)字電壓表的設(shè)計(共14頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字電壓表的設(shè)計劉 英電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 學(xué)號：指導(dǎo)老師：熊中朝摘 要：數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心擴(kuò)展成的各種數(shù)字化儀表幾乎覆蓋了電子電工測量、工業(yè)測量、自動化系統(tǒng)等各個領(lǐng)域。本設(shè)計采用CMOSS集成電路芯片CC7106來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，屬于雙積分型直流數(shù)字電壓表。該數(shù)字電壓表采用LCD顯示，除具有一般數(shù)字電壓表讀數(shù)直觀準(zhǔn)確、測量速度快、輸入阻抗大、測量范圍寬之外，還具有讀數(shù)保持的功能。電路特點(diǎn)是成本低，簡單，體積小，安全性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：數(shù)字電壓表；位；A/D轉(zhuǎn)換；液晶顯示目 錄摘要11引言32 數(shù)字電壓表原理框圖43 單

2、元電路設(shè)計43.1 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器CC710643.2 輸入電路83.3 CC7106外圍電路93.3.1振蕩電路93.3.2 基準(zhǔn)電壓電路 103.3.3 積分電路 113.4 顯示部分 113.4.1 位液晶顯示器123.4.2 小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動電路 123.5 讀數(shù)保持功能電路 134 總電路圖 135 總結(jié) 15參考文獻(xiàn) 151 引言 數(shù)字電壓表簡稱DVM，是采用數(shù)字化測量的電壓儀表。數(shù)字電壓表與模擬電壓表相比，具有讀數(shù)直觀、準(zhǔn)確，顯示范圍寬、分辨力高，輸入阻抗大，集成度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在電壓測量、電壓校準(zhǔn)中有著廣泛的應(yīng)用。數(shù)字電壓表也是諸多數(shù)字化儀表

3、的核心與基礎(chǔ)。以數(shù)字電壓表為核心擴(kuò)展成的各種數(shù)字化儀表幾乎覆蓋了電子電工測量、工業(yè)測量、自動化系統(tǒng)等各個領(lǐng)域。數(shù)字電壓表按測量功能可分為直流數(shù)字電壓表和交流數(shù)字電壓表。數(shù)字電壓表一般由模擬部分和數(shù)字部分組成，模擬部分主要功能是獲取電壓并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，數(shù)字部分完成邏輯控制、譯碼和顯示等功能。數(shù)字電壓表的核心是A/D轉(zhuǎn)換器，由A/D轉(zhuǎn)換器工作原理的不同，數(shù)字電壓表又可分為逐次比較型和雙積分型。電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)：l 測量范圍 數(shù)字電壓表的測量范圍通常以基本量程為基礎(chǔ)，借助于衰減器擴(kuò)展量程。l 輸入阻抗 數(shù)字電壓表的輸入阻抗主要由衰減器的阻抗決定。l 顯示位數(shù) 數(shù)字電壓表的顯示位數(shù)是指完

4、整顯示位，既能夠顯示09十個數(shù)字的那些位。l 測量速度 測量速度是指每秒對被測電壓的測量次數(shù)，或一次測量過程所需的時間，它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。l 分辨率 分辨率是數(shù)字電壓表能夠顯示被測電壓的最小變化值，即顯示器末位跳一個數(shù)字所需的最小輸入電壓值。當(dāng)今，數(shù)字電壓表正進(jìn)入一個蓬勃發(fā)展的新時期，一方面它開拓了電子測量領(lǐng)域的先河，另一方面它本身正朝著高準(zhǔn)確度、智能化、低成本的方向發(fā)展。此外，數(shù)字電壓表在安裝工藝、外觀設(shè)計、安全性、可靠性等方面也在不斷改進(jìn)，日臻完善。本設(shè)計采用CMOS大規(guī)模集成電路芯片CC7106來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，屬于雙積分型直流數(shù)字電壓表。該數(shù)字電壓表采用LCD顯示，除

5、具有一般數(shù)字電壓表讀數(shù)直觀準(zhǔn)確、測量速度快（2.5次/s）、輸入阻抗大（10M）、測量范圍寬（分5個量程擋，分別為200mV、2V、20V、200V、1000V）之外，還具有讀數(shù)保持的功能。電路特點(diǎn)是成本低，簡單，體積小，安全性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)（只需加上各種轉(zhuǎn)換器就可構(gòu)成萬用表）。2 數(shù)字電壓表原理框圖一般數(shù)字電壓表的組成框圖如圖（1）所示。輸入電路一般由分壓電路、具有高輸入阻抗的源極跟隨器和放大電路組成，其作用是對量程進(jìn)行擴(kuò)展和阻抗變換等；A/D轉(zhuǎn)換器將被測電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的數(shù)字量；計數(shù)器完成對數(shù)字量的累計；顯示電路作用是對計數(shù)結(jié)果進(jìn)行寄存、譯碼并驅(qū)動顯示器顯示測量結(jié)果。隨著集成電路技術(shù)的

6、發(fā)展，現(xiàn)在已有多種專用的A/D轉(zhuǎn)換芯片，如本設(shè)計中采用的CC7106，這些集成芯片往往具有A/D轉(zhuǎn)換、計數(shù)、邏輯控制等多項功能，因此只需少量的外圍電路即可構(gòu)成數(shù)字電壓表。 圖（1）3 單元電路設(shè)計3.1 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器CC7106（1）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的基本原理所謂雙積分就是在一個測量周期內(nèi)要進(jìn)行兩次積分：首先，對被測電壓進(jìn)行定時積分，然后對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行定值積分。通過兩次積分比較，將變換成與之成正比的時間間隔；然后，在這個時間間隔內(nèi)對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果正比于被測電壓的數(shù)字量。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的組成框圖和積分電路的波形如圖（2）所示。 （a） (b) 圖（2）兩次積分

7、的過程如下：1）對被測電壓定時積分設(shè)t=時，開關(guān)接通被測電壓，積分器對進(jìn)行正向積分其輸出電壓線性上升，一旦0，則過零比較器翻轉(zhuǎn)，輸出從低電平跳到高電平，打開閘門，時鐘脈沖進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)，經(jīng)過預(yù)定時間或達(dá)到計數(shù)器預(yù)置的數(shù)后，在計數(shù)器溢出（即t=）時，產(chǎn)生溢出脈沖，該溢出脈沖通過邏輯控制電路使開關(guān)接通基準(zhǔn)電壓，則定時積分階段結(jié)束。定時積分結(jié)束時積分器的輸出電壓 （1） 式中，為計數(shù)脈沖的頻率，為計數(shù)器的預(yù)置數(shù)。2）對基準(zhǔn)電壓定值積分設(shè)t=時，開關(guān)接通基準(zhǔn)電壓。積分器對做反向積分，其輸出電壓線性下降。當(dāng)下降到0（即t=）時，過零比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出從高電平跳到低電平，閘門關(guān)閉，停止計數(shù)，邏輯控制電路

8、是開關(guān)閉合，積分電容C快速放電，積分器恢復(fù)到零狀態(tài)，則定值積分階段結(jié)束。定值積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為 （2） 式中，為定值積分的時間，可以通過計數(shù)器累計的時鐘脈沖來計算，即 =/ （3）將其代入式（2）得 （4）由式（1）和式（4）得 （5） 可見，只要適當(dāng)選擇/的比值，被測電壓的值就可直接以計數(shù)值來表示。（2）CC7106芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能 CC7106是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，它將模擬電路與數(shù)字電路集成在一個有40個功能端的電路內(nèi)，所以只需外接少量元器件就可組成一個31/2位數(shù)字電壓表。若接上各種轉(zhuǎn)換器就可構(gòu)成各種數(shù)字式測量儀表。 CC7106的原理圖及功能引腳功能如圖3所示。

9、圖中，驅(qū)動電路由多個異或門構(gòu)成，可直接驅(qū)動液晶顯示器；a1g1、a2g2、a3g3分別為個位、十位和百位的筆段驅(qū)動端；bc4接千位“1”字的b、c段；PM為負(fù)極行指示輸出，接千位的g段，當(dāng)PM為負(fù)值時，顯示負(fù)號；BP端輸出50Hz方波信號，驅(qū)動液晶顯示器的背面公共電極；、為基準(zhǔn)電壓輸入端；為基準(zhǔn)電容端；COM為模擬信號公共端；INT為積分輸出端，接積分電容；BUF為緩沖器輸出端，接積分電阻；AZ為積分器和比較器的反向輸入端，接自校零電容；TEST為數(shù)字邏輯地端，此外，還用來測試顯示器的筆段。、為電源正負(fù)極，單電源供電，通常接+9V。 為模擬信號輸入端。為時鐘振蕩器的引出端，主振頻率由外接的值決

10、定，即 =0.45/ （6）CC7106計數(shù)器的時鐘脈沖是主振頻率經(jīng)4分頻得到的，由式（6）可得 （7）設(shè)CC7106一次A/D轉(zhuǎn)換所需時鐘脈沖的總數(shù)為N，則一次轉(zhuǎn)換所需時間 T=N/=4N/ （8）圖（3）-a CC7106的引腳圖 圖（3）-b CC7106的原理圖3.2 輸入電路一般電子電壓表中，輸入電路采用高輸入阻抗的場效應(yīng)管跟隨器或三極管陰極跟隨器以提高電壓表輸入阻抗，后接放大器以提高電壓表靈敏度。測量高直流電壓時，輸入端接入由電阻網(wǎng)絡(luò)組成的分壓電路。由于本設(shè)計采用了CC7106來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，且CC7106輸入阻抗很大，所以輸入電路部分不需采用源極跟隨器來提高輸入阻抗，電壓表的輸

11、入阻抗將由電阻衰減網(wǎng)絡(luò)決定。輸入電路部分原理圖如圖（4）所示組成的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)及開關(guān)實(shí)現(xiàn)量程的手動轉(zhuǎn)換，各擋量程分別為200mV、2V、20V、200V和1000V，其中200mV為基本量程，電壓表的輸入阻抗。CC7106輸入端的最大允許輸入電壓不得大于電源電壓（9V），否則芯片很容易被損壞。為了防止用低壓擋去測高壓的誤動作，分壓電路后還需增加過壓保護(hù)電路。本設(shè)計采取了雙重保護(hù)措施。圖中為限流電阻。熔斷絲起過載保護(hù)作用。兩只二極管與電容起過壓保護(hù)作用。3.3 CC7106外圍電路3.3.1 振蕩電路CC7106的振蕩電路有三種設(shè)計方案：（1） 在38、39、40腳之間接入RC網(wǎng)絡(luò)。如圖（5）-

12、a所示。其特點(diǎn)外圍電路成本低，頻率穩(wěn)定度較差。（2） 在39腳與40腳之間外接入一只石英晶體JT，構(gòu)成晶振電路，如圖（5）-b所示，其特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度都很高，但電路成本高，一般用于精密測量。 （3） 將外部時鐘頻率接至 第40腳，可選1648kHz、幅度為5的方波。在使用多片CC7106時，采用外時鐘輸入方式，不僅可以簡化總體設(shè)計，還能實(shí)現(xiàn)同步。電路如圖（5）-c所示。圖（5）-a 圖（5）-b 圖（5）-c 本設(shè)計采用第一種方案，即振蕩器由CC7106內(nèi)部的兩個反相器與外部的阻容元件R、C構(gòu)成。設(shè)CC7106進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時鐘脈沖總數(shù)為4000，而測量速率為2.5次/s（即

13、一次轉(zhuǎn)換所需時間T=0.4s），則時鐘脈沖頻率由式（8）可得 由式（7）可得主振頻率 則由式（6）可計算出R、C的值。取表1列出了幾種常用的振蕩器阻容元件的選擇方案。 測量速率（次/s）R(k)C(pF)(s)5621207.4153100100104820.82.51201001240255622015605128.61662.5 表1 時鐘振蕩器阻容元件的選擇 3.3.2 基準(zhǔn)電壓電路 CC7106內(nèi)部有一個簡易基準(zhǔn)電壓源，可提供一個左右的基準(zhǔn)電壓源。利用分壓電阻可從中獲取基準(zhǔn)電壓，電路如圖（6）所示，其中，RP為精密多圈電位器，通過對它的調(diào)節(jié)可獲得準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓值。數(shù)字電壓表的基本量程為

14、200mV，所以多圈電位器選用。若需將基本量程改裝成2V，應(yīng)改變基準(zhǔn)電壓分壓電阻RP、自動調(diào)零電容和積分電阻的值2。 圖（6）當(dāng)對基準(zhǔn)電壓精確度和穩(wěn)定度要求較高時，可采用外部基準(zhǔn)電壓源2。3.3.3 積分電路部分積分元器件、及自動校零電容的取值分別為。3.4 顯示部分3.4.1 位液晶顯示器液晶顯示器是上世紀(jì)60年代末出現(xiàn)的一種顯示器件。其主要特點(diǎn)是本身不發(fā)光，只能反射或透射外界光線，亮暗對比度可達(dá)100：1；驅(qū)動電壓低（一般為36V），驅(qū)動電流低（幾微安），功耗極低（幾至幾十微瓦），可用CMOS、TTL電路直接驅(qū)動；必須采用交流電壓驅(qū)動，頻率為30100Hz.目前，本設(shè)計采用向列型液晶顯示器

15、，并且通過導(dǎo)電橡膠條與驅(qū)動電路相連。當(dāng)液晶顯示器的筆段電極（ag）與背電極（BP）呈等電位時，液晶不顯示（消隱）；當(dāng)二者存在一定的電位差時，液晶就顯示。通常是把兩個頻率與幅度相同而相位相反、占空比為50%的方波電壓，分別加至某個筆段引出端與BP端之間，利用二者的電位差來驅(qū)動該筆段發(fā)光。CC7106內(nèi)部采用異或門來驅(qū)動LCD。電壓的數(shù)字量經(jīng)譯碼后作為異或門的一個輸入，BP端的信號作為另一個輸入，同時BP還與LCD背電極相連。這樣譯碼信號就可控制異或門驅(qū)動器輸出方波的相位，在LCD某筆段電極與背電極之間加上兩個頻率與幅度相同而相位相反、占空比為50%的方波電壓，從而在液晶顯示器上顯示所要顯示的數(shù)字

16、。 3.4.2 小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動電路CC7106內(nèi)部有異或門電路，可以直接驅(qū)動位LCD數(shù)字顯示器。但LCD上的小數(shù)點(diǎn)（）的顯示需另加異或門驅(qū)動電路，如圖（7）所示。開關(guān)與量程選擇開關(guān)相連，以控制所要顯示的小數(shù)點(diǎn)。驅(qū)動顯示原理同液晶顯示器上的數(shù)字顯示。 圖（7）3.5 讀數(shù)保持功能電路 CC7106的時鐘振蕩器是由兩個反相器、與外部阻容元件構(gòu)成的。CC7106的第40 引腳（）接反相器的輸入端，如果在測量過程中用一根導(dǎo)線將40腳與第37腳（測試端TEST）短路，那么的輸入端就接上了固定的電平數(shù)字地，振蕩器立刻停振，進(jìn)而使分頻器、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器全部停止工作。顯然，分頻器停止工作后，液晶顯示器背電極

17、（BP）上的方波電壓隨之消失。此外，由于不再產(chǎn)生新的計數(shù)脈沖，計數(shù)器則保持原計數(shù)狀態(tài)不變。因此，每個筆段譯碼器所輸出的電平也保持不變，即短路之前為高電平的仍為高電平。再經(jīng)過異或門驅(qū)動器，所顯示的筆段以及構(gòu)成的字形也不變。也就是說，即使被測電壓仍加在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，也不會改變原來的顯示值。這樣，就可使數(shù)字電壓表具有讀數(shù)保持功能。電路圖如圖（8）所示。 圖（8）4 總電路圖 基于以上的分析，可得由CC7106構(gòu)成的位數(shù)字電壓表總電路圖：5 總結(jié) 本設(shè)計采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器CC7106來設(shè)計數(shù)字電壓表，外圍電路簡單，除具有一般數(shù)字電壓表的優(yōu)點(diǎn)外，還具有讀數(shù)保持的功能，并且該電路可擴(kuò)展性強(qiáng)，只需加上各種轉(zhuǎn)換器即可構(gòu)成數(shù)字萬用表。但本文所述的模塊功能中，還存在著有待改進(jìn)和完善的地