ICL7106數(shù)字萬用表設(shè)計

1、ICL7106設(shè)計題目： 專業(yè)： 班級： 姓名： 學(xué)號： 分數(shù)： 2013年12月15摘要：數(shù)字萬用表是由數(shù)字電壓表配上相應(yīng)的功能轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的，它可對交、直流電壓，交、直流電流，電阻，電容以及頻率等多種參數(shù)進行直接測量。本文主要通過對現(xiàn)有通用數(shù)字萬用表的測量理論和實現(xiàn)電路的研究，詳細分析了直流電壓、直流電流、交流電壓、直流電阻的測量理論和實現(xiàn)電路，研究了模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的誤差問題，詳細闡述了現(xiàn)有通用數(shù)字萬用表測電壓的誤差問題，設(shè)計出1種數(shù)字萬用表的測量電路由ICL7106構(gòu)成的3 1/2位自動量程數(shù)字萬用表電路。此電路量程廣，并且具有手動/自動量程兩種模式和讀數(shù)保持、相對值測量、蜂鳴器驅(qū)動

2、等功能，能顯示超量程、負極性、低電壓指示符以及各種標志符（含單位符號），并且功耗小。關(guān)鍵字：數(shù)字萬用表；模擬量；數(shù)字量；A/D 轉(zhuǎn)換目錄摘要：2第1章 緒論41.1數(shù)字萬用表的主要特點51.2萬用表發(fā)展趨勢7第2章數(shù)字萬用表總體設(shè)計方案82.1數(shù)字萬用表的基本原理82.2 系統(tǒng)設(shè)計方案92.3 ICL7106介紹92.3.1 ICL7106簡介92.3.2 ICL7106管腳排列102.3.3 ICL7106數(shù)字電路10第3章 智能型數(shù)字式多用表硬件設(shè)計113.1 A/D轉(zhuǎn)換電路113.2 ICL7106各測量電路123.2.1直流電壓測量電路123.2.2交流電壓測量電路133.2.3直流電

3、流測量電路143.2.4電阻測量電路153.2.5二極管測試電路153.3數(shù)字萬用表原理圖16第4章 用數(shù)字萬用表的檢測164.1測量電壓164.2測電流174.3測電阻184.4測二極管184.5注意事項19第1章 緒論隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，單片機的功能集成化，智能儀器也發(fā)展到了一個新的階段。現(xiàn)在，單片機外圍電路正朝著單片集成化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能、微功耗、高可靠性的方向發(fā)展。單片機與單片系統(tǒng)、智能傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信等高新技術(shù)的融合，必將成為21世紀新的經(jīng)濟增長點。計算機技術(shù)及微電子器件在測量技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，使智能儀器在測量的準確度、靈敏度、可靠性、自動化程度、運用功能方面或

4、在解決測量技術(shù)問題的深度及廣度方面有了巨大的發(fā)展。本設(shè)計是基于MAXIM公司生產(chǎn)的數(shù)字萬用表專控芯片MAX134設(shè)計的智能43/4位數(shù)字萬用表。數(shù)字萬用表亦稱數(shù)字多用表（DMM），其主要特點是顯示直觀、讀數(shù)準確、準確度高、分辨力強、功能完善、性能穩(wěn)定、過載能力強、耗電省、體積小、易于攜帶。近年來，數(shù)字萬用表迅速發(fā)展，無論是便攜式，還是臺式萬用表在精度、功能和性能上都有較大的提高。現(xiàn)在33/4位便攜式數(shù)字萬用表和41/2位便攜式數(shù)字萬用表已經(jīng)成為主流；臺式萬用表的發(fā)展速度更快，已經(jīng)有幾家公司推出單片集成方案，使臺式萬用表的性能更高、功能更強，價格更加合理。近年來，我國對智能儀器的研究，無論在生產(chǎn)

5、、科研等方面都取得了很大的進展，但是由于我國發(fā)展起步晚，我國現(xiàn)在所用的測量工具都基本上是31/2位的數(shù)字表 。1.1數(shù)字萬用表的主要特點數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。智能化數(shù)字萬用表則是大規(guī)模集成電路(LSI)、數(shù)顯技術(shù)、計算機技術(shù)及自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。通過對DVM的擴展，即可形成數(shù)字多用表DDMDMM(DigitalMultimeter)。因此，數(shù)字萬用表的功能是電壓表上的擴展。數(shù)字萬用表主要有一下特點：1顯示清晰，直觀，讀數(shù)準確傳統(tǒng)的模擬式萬用表必須借助于指針和刻度來進行讀數(shù)，在讀數(shù)過程中不可避免地會引入認為的

6、測量誤差(例如視差)，并且還容易造成視覺疲勞。數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)顯技術(shù)，使顯示結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳數(shù)現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的。不僅保證了讀數(shù)的客觀性與準確性，還符合人們的讀數(shù)習(xí)慣，能夠縮短讀數(shù)和記錄的時間。新型數(shù)字萬用表在數(shù)顯的基礎(chǔ)上增加了顯示各種標志符的功能，便于讀數(shù)，又對操作人員給予明顯提示。2顯示位數(shù)顯示位數(shù)通常為21/2位81/2位.具體講，有21/2位、3位、31/2位、32/3位、33/4位、4位、41/2位、43/4位、5位、51/2位、6位、61/2位、71/2位、81/2位共14種。國外最近還推出了83/4位和101/2位數(shù)字儀表。定數(shù)字儀表的位數(shù)有兩條原則：

7、能顯示從09所有數(shù)字的位是整數(shù)位；分數(shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字位分子，用滿量程時最高位數(shù)字為分母.例如，某數(shù)字儀表的最大顯示值為19999，滿量程計數(shù)值為20000,這表明該儀表有4個整數(shù)位，而分數(shù)位的分子為1，分母為2，故為41/2位，讀作四位半，其最高位只能顯示0或1。3準確度高字電壓表的準確度是測量中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。它表示測量結(jié)果與真值的一致程度，也反映測量誤差的大小。一般講準確度愈高，測量誤差愈小，反之亦然。準確度的公式有三種表述方式：準確度（a%RDG+b%FS）準確度（aRDG+n個字）準確度（a%RDG+bFS+n個字）式中，RDG為讀數(shù)值（即顯示值），F(xiàn)S表

8、示滿度值。括號中前一項代表A/D轉(zhuǎn)換器和功能轉(zhuǎn)換器的綜合誤差，后一項是由于數(shù)字化處理而帶來的誤差。式中，n是量化誤差，反映在末位數(shù)字上的變化量。若把n個字的誤差折合成滿量程的百分數(shù)，即變成式，式比較特殊，應(yīng)用面較窄。43/4位萬用表將使用式來表示準確度。4分辨力高數(shù)字萬用表在最低電壓量程末位1個字所對應(yīng)的電壓值，稱作儀表的分辨力。它反映出儀表靈敏度的高低。43/4位的DVM的最高分辨力為10V1.2萬用表發(fā)展趨勢90年代以來，數(shù)字萬用表正處于蓬勃發(fā)展的新時期,突出表現(xiàn)在新技術(shù)不斷涌現(xiàn),新工藝被廣泛采用,新產(chǎn)品層出不窮。1廣泛采用新技術(shù)，不斷開發(fā)新產(chǎn)品電子技術(shù)的進步，往往預(yù)示著數(shù)字萬用表研制水平

9、的新突破，近年來，各項新技術(shù)愈來愈普遍采用，并且迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。2廣泛采用新工藝新一代的數(shù)字萬用表正朝著標準模塊化的方向發(fā)展。電子模塊又稱為電子功能組件，簡稱模塊。它是采用微電子技術(shù)和微型電子元器件，按插件組裝成一體，能完成某一種特定的功能的商品化部件。現(xiàn)在，數(shù)字萬用表的單元電路已基本上被標準化，通用化，系統(tǒng)化的模塊取代。3單片大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的采用1）帶微處理器的單片51/2位A/D轉(zhuǎn)換器2）專配微處理器的43/4位DMM集成電路3）ASIC產(chǎn)品的應(yīng)用AX133/134是美國最大集成電路公司最新研制的專配微處理器的DMM芯片。它們配上4位或8位或16位微處理器,即可構(gòu)成具有高性價比

10、的43/4位或33/4位智能數(shù)字萬用表。4計算機模塊化儀器與虛擬儀器的發(fā)展5安全性能的提高第2章數(shù)字萬用表總體設(shè)計方案2.1數(shù)字萬用表的基本原理原理：該系統(tǒng)采用ICL7106、四個共陰極LED數(shù)碼管，ICL7106內(nèi)部包括模擬電路（即雙積分A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)字電路兩大部分。輸入電壓經(jīng)量程轉(zhuǎn)換進入ICL7106進行A/D轉(zhuǎn)換，通過單片機在數(shù)碼器上顯示。ICL7106只有液晶筆段及背電極驅(qū)動，沒有小數(shù)點驅(qū)動端。為顯示小 數(shù)點，需另加外圍電路。原理框圖：2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案首先以A/D轉(zhuǎn)換器(ICL7106)為核心，設(shè)計一個多檔的直流電壓測量電路，再在此基礎(chǔ)上對電路進行擴展,使其能多量程的測量交流電

11、壓、直流電流和電阻的測量電路。然后通過單片機編程對各個主要模塊的進行智能控制和數(shù)據(jù)處理，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；手動和自動量程轉(zhuǎn)換等功能,并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人們?nèi)粘Ａ?xí)慣的十進制數(shù)字形式顯示在LED顯示器上。所以本設(shè)計可以分為直流電壓測量電路；交流/直流轉(zhuǎn)換電路；電流/電壓轉(zhuǎn)換電路；電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路；功能控制和數(shù)據(jù)顯示電路這五個的主要電路模塊。2.3 ICL7106介紹 2.3.1 ICL7106簡介 ICL7106是高性能，低功耗的三位半A/D轉(zhuǎn)換器電路。它包含有七段譯碼管、顯示驅(qū)動器、參考源和時鐘系統(tǒng)。ICL7106含有一背電極驅(qū)動線，適用于液晶顯示（LCD）

12、。ICL7106將高精度，通用性和真正的低成本很好地結(jié)合在一起，它有地獄10V的自動校零功能，零小于1v/C，地獄10PA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個字。真正的差動輸入和差動參考源在各種系統(tǒng)中很有用。2.3.2 ICL7106管腳排列2.3.3 ICL7106數(shù)字電路第3章 智能型數(shù)字式多用表硬件設(shè)計3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對測量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測量電路性能。所以我依據(jù)設(shè)計性能指標要求，并綜合A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標和價格選擇了ICL7106和MC14433這兩個A/D轉(zhuǎn)換器作為候選芯片。ICL7106的輸入阻抗為1010，轉(zhuǎn)換速率為0.1-15次/s，轉(zhuǎn)換

13、準確度為0.05%1個字；MC14433的輸入阻抗為109，轉(zhuǎn)換速率為3-10次/s，轉(zhuǎn)換準確度為0.05%1個字，因此這兩塊芯片的性能指標大大超過設(shè)計要求的性能指標。采用ICL7106。ICL7106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件就可組成一個3 1/2位數(shù)字電壓表。但是ICL7106是以靜態(tài)方式驅(qū)動LCD轉(zhuǎn)換器，無BCD碼輸出端，因此不能直接獲得降量程信號。AD轉(zhuǎn)換原理圖：A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字萬用表的關(guān)鍵電路，從根本上決定了數(shù)字萬用表的整體性能。A/D轉(zhuǎn)換器基本工作原理是把一個數(shù)量上連續(xù)變換的模擬量轉(zhuǎn)換為一個數(shù)量上離散

14、變換的數(shù)字量。數(shù)字萬用表中通常采用雙積分式的A/D轉(zhuǎn)換器，它把輸入模擬電壓與參考電壓作比較，通過兩次積分過程轉(zhuǎn)換為兩個時間間隔的比較，由此將模擬電壓轉(zhuǎn)換為與其平均值成正比的時間間隔，然后用時鐘脈沖計數(shù)器測量這一時間間隔，所得的計數(shù)值即為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.2 ICL7106各測量電路3.2.1直流電壓測量電路直流電壓的測量：將萬用表的一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于交、直流電壓擋，另一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于直流電壓的合適量程上，且“+”表筆（紅表筆）接到高電位處，“-”表筆（黑表筆）接到低電位處，即讓電流從“+”表筆流入，從“-”表筆流出。若表筆接反，表頭指針會反方向偏轉(zhuǎn)，容易撞彎指針.3.2.2交流電壓測量電路電路

15、主要包括兩部分：電阻分壓器、AC/DC轉(zhuǎn)換器。為降低成本，與DCV檔共用一套分壓電阻。AC/DC轉(zhuǎn)換器具有平均值響應(yīng)，利用雙運放TL062其中的一組運放和二極管D7、D8構(gòu)成線性半波整流器。C1是輸入耦合電容，D5、D6、D11、D12作運放輸入端過壓保護，C5和C2為隔直電容。R23是運放的負反饋電阻，用以穩(wěn)定工作點。C4為頻率補償電容。D8是半波整流二極管，D7為保護二極管，給反向電流提供通路。其工作原理是：在輸入信號的正半周時，D8導(dǎo)通，D7截止，IC2a輸出電流流向為IC2aC5D8R25R27RP4COM（模擬地）；負半周時流向為COMRP4RP27R24D7C5IC2a 。從原理上

16、講，這屬于半波整流電路。由R25、R27、RP4構(gòu)成分壓電路，調(diào)整RP4可改變輸出電壓，供校準交流電壓檔用。R26和C6為平滑濾波器，獲得平均值電壓V0 。該電路有三個特點：第一，當輸入交流電壓為零時，V0亦等于零；第二，IC接成同相放大器使用，以提高其輸入阻抗；第三，由于IC2a的放大作用，即使輸入信號較弱，也能保證D8在較強信號下工作，從而避免了二極管在小信號檢波時引時的非線性失真。3.2.3直流電流測量電路根據(jù)歐姆定理，用合適的取樣電阻把待測電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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=IiR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

17、程為I0，則該檔的取樣電阻（也稱分流電阻）為R=U0/I03.2.4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(guān)系：URFE/UIN =R0/R x即R x=(UIN /URFE)/R0 3.2.5二極管測試電路3.3數(shù)字萬用表原理圖第4章 用數(shù)字萬用表的檢測4.1測量電壓1. 測量電壓(或電流)時要選擇好量程，如果用小量程去測量大電壓，則會有燒表的危險；如果用大量程去測量小電壓，那么指針偏轉(zhuǎn)太小，無法讀數(shù)。量程的選擇應(yīng)盡量使指針偏轉(zhuǎn)到滿

18、刻度的2/3左右。如果事先不清楚被測電壓的大小時，應(yīng)先選擇最高量程擋，然后逐漸減小到合適的量程。2. 交流電壓的測量：將萬用表的一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于交、直流電壓擋，另一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于交流電壓的合適量程上，萬用表兩表筆和被測電路或負載并聯(lián)即可。3. 直流電壓的測量：將萬用表的一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于交、直流電壓擋，另一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于直流電壓的合適量程上，且“+”表筆(紅表筆)接到高電位處，“-”表筆(黑表筆)接到低電位處，即讓電流從“+”表筆流入，從“-”表筆流出。若表筆接反，表頭指針會反方向偏轉(zhuǎn)，容易撞彎指針。4.2測電流測量直流電流時，將萬用表的一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于直流電流擋，另一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于50uA到5

19、00mA的合適量程上，電流的量程選擇和讀數(shù)方法與電壓一樣。測量時必須先斷開電路，然后按照電流從“+”到“-”的方向，將萬用表串聯(lián)到被測電路中，即電流從紅表筆流入，從黑表筆流出。如果誤將萬用表與負載并聯(lián)，則因表頭的內(nèi)阻很小，會造成短路燒毀儀表。其讀數(shù)方法如下：實際值指示值量程/滿偏4.3測電阻用萬用表測量電阻時，應(yīng)按下列方法*作：1. 機械調(diào)零。在使用之前，應(yīng)該先調(diào)節(jié)指針定位螺絲使電流示數(shù)為零，避免不必要的誤差。2. 選擇合適的倍率擋。萬用表歐姆擋的刻度線是不均勻的，所以倍率擋的選擇應(yīng)使指針停留在刻度線較稀的部分為宜，且指針越接近刻度尺的中間，讀數(shù)越準確。一般情況下，應(yīng)使指針指在刻度尺的1/32

20、/3間。3. 歐姆調(diào)零。測量電阻之前，應(yīng)將2個表筆短接，同時調(diào)節(jié)“歐姆(電氣)調(diào)零旋鈕”，使指針剛好指在歐姆刻度線右邊的零位。如果指針不能調(diào)到零位，說明電池電壓不足或儀表內(nèi)部有問題。并且每換一次倍率擋，都要再次進行歐姆調(diào)零，以保證測量準確。4. 讀數(shù)：表頭的讀數(shù)乘以倍率，就是所測電阻的電阻值。4.4測二極管1. 連接黑色測試棒到“COM”端。2. 連接紅色測試棒到“VmA”端。3. 如果被測二極管是連接在電路中，應(yīng)切斷被測電路中的電源并將所有電容放電。4. 設(shè)置量程開關(guān)到“”位置。5. 正向電壓測量，連接紅色測試棒到被測二極管正極，連接黑色測試棒到被測二極管負極，對于硅管，正向電壓應(yīng)在450750mV之間。6. 反向電壓測量，連接紅色測試棒到被測二極管負極，連接黑色測試棒到被測二極管正極，如果二極管是好的，應(yīng)顯示超量程，如果二極管是壞的，將顯示“000”或其它隨機數(shù)4.5 注意事項