[摘要] 4 1/2数字电压表主要分为四部分：测量部分、显示部分、脉冲部分、供电部分。测量部分是通过4位半双积分式A/D转换器ICL7135芯片实现。ICL7135对模拟电压进行A/D转换，输出BCD码，并自动输出极性判断信号，同时ICL7135用动态扫描传送数据使数码管亮灭的时间间隔短，保证了测量结果的稳定显示。74LS47和共阳数码管是显示部分，74LS74译码器接收ICL7135的BCD码译码成控制信号去点亮数码管，从而显示出所测的模拟电压值。用ICM7556配上合适的电阻电容组成多谐振荡器作为脉冲部分产生标准的137KHz频率提供ICL7135工作时针信号。外接+5V和74HC04产生的-5V是供电部分给整个电路供电。整个设计利用反相器与555结合产生-5V给ICL7135供电降低了电路的供电要求。选用ICL7135使显示变得简单而又稳定。

[关键词] 数字电压表  A/D转换  数码管

Four And A Half Digital Voltmeter

[Abstract] 4 1/2 digital voltmeter measurement are mainly divided into four parts: part, that part, pulse, power supply. Measurement part is through four half A/D converter ICL7135 chip. ICL7135 to simulate A/D conversion voltage output, and automatic BCD output signal, and ICL7135 polarity judgment with dynamic scanning GuanLiang digital data transmission to destroy the time interval is short, guarantee the stability of measurement results. 74LS47 and Yang digital display 74LS74 part, is receiving the decoder ICL135 BCD decoding into the control signal to light, which showed that the simulation test voltage values. ICM7556 with matching appropriate resistance composed many harmonic oscillator as capacitance have standard 137KHz pulse frequency signal. ICL7135 provide working hour External + 5V and 74HC04 produces - for the part is 5V circuit power supply. The whole design using inverter and combined to produce 555-5V circuit ICL7135 power supply decreased. ICL7135 choose to display become simple and stable.

[Keywords]  The digital voltmeter  A/D conversion  Digital tube

附图Ⅰ 四位半数字电压表电路原理图

1前言

随着电子科学技术、传感技术、自动控制技术和计算机的发展，电阻、电压、电流等数值的测量变得越来越常见，其中电压的测量最为常见。传统的指针式电压表应经无法满足如今高精度的要求，数字电压表的诞生很好地解决了这一问题。

  数字电压表(Digital Voltmeter)简称DVM,它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。且数字电压表精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，集成方便,读数方便。

目前由各种A/D转换器构成的数字电压表,已被广泛应用于电子及电工测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测试领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到站新水平。综上所述，数字电压表在现在及将来都会有广大的应用。

这次课程设计的题目是4½数字电压表（digital voltmeter）的设计与调试。它是采用数字化测量技术把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。通过4½数字电压表设计，很巧妙的把数字电子技术结合到一起。实现了知识的扩展和实际应用，加深了数字电子技术知识的掌握，锻炼了实际动手操作的能力，为以后的工作打下了良好的基础，以便尽快适应社会的发展和技术的更新。

本设计为自制4½数字电压表，此设计的内容主要分三部分，第一部分是设计的内容及要求，第二部分是基本单元的电路设计，第三部分是安装与调试。

1.1数字电压表的特点及发展趋势

    数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如：温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等)，几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。

数字电压表（digital voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续的、离散是数字形式并加以显示的仪表如图2.1所示，本系统所设计的4 1/2数字电压表由ICL7135-4 1/2位A/D转换器、三极管9013驱动阵列、74LS47BCD到七段锁存-译码-驱动器、共阳极LED发光数码管、基准电源、时钟及量程开关电路组成。4 1/2位是指十进制数00 000~19 999，只有4位完整显示位，其数字范围为0~9，而其最高位只能显示0或1，故称为半位。

图1 总体框图

1.1.1 数字电压表的特点

   1．显示清晰直观，读数准确

　　传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。

　　新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号、为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种"数字/模拟条图"仪表业已问世。"模拟图条"（Anal of Bargraph）有双重含义：第一，被测量为模拟量；第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM与模拟电压表之优点。智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和打印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。

2．显示位数

　　显示位数通常为31/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9种。判定数字仪表的位数有两条原则：①能显示0～9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字

为分子，用满量程时最高数字作分母。例如，某数字仪表的最大显示值为1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为31/2位，读作三位半。 

    3．准确度高

准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。

    4．分辨率高

　　数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。例如31/2位DVM的分辨率为1/1999≈0.05％。需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。从测量角度看，分辨力是"虚"指标（与测量误差无关），准确度才是"实"指标（代表测量误差的大小）。

    5．测量范围宽

    多量程DVM一般可测量0～1000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。

    6．扩展能力强

　　在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。

    7．测量速度快

　　数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是"次/S"。它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。

    8．输入阻抗高

　  数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10MΩ～10000MΩ，最高可达1TΩ。

    9．集成度高，微功耗

　  新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。

    10．抗干扰能力强

　  51/2位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80～120dB。高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。

1.1.2 数字仪表的发展趋势

采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场，也开创了现代电子测量技术的先河。

    1．广泛采用新技术，不断开发新产品

    2．模块化的发展方向

　  新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。

　　表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMD）将获得普遍应用。这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路（SMIC）和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。

 3．多重显示仪表

　　为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，"数字/模拟条图"双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。

　　模拟条图大致分成三类：①液晶（LCD）条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适于电池供电的小型化仪表。②等离子体（PDP）光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大。③LED光柱，它是由多只发光二极管排列而成。这种显示器的亮度高，成本低，但象素尺寸较大，功耗高，驱动电路复杂。

4．安全性    

　　仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准（例如美国UL认证，欧洲GS认证，ISO9001国际标准质量认证）；另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警告指示。仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而造成的危害。以DMM为例，常见的误操作是用电流档或电阻档去测量电压。

    5．操作简单化  

本次课程设计我们仅选数字电压表中的数字电压表来进行设计。

1.2总体方案设计论证

1.2.1设计要求

1. 设计数字电压表电路。

2. 测量范围：直流电压0~199.99mV,0~1.9999V,0~19.999V,0~199.99V。

3.用199.99mV或1.9999V的模拟电压作为输入，校准电压表的读数。

4. 选做内容：自动量程切换。

1.2.2设计目的

1．电子技术课程设计是学习电子技术十分重要的环节之一，是对学习电子技术知识的综合性实践训练。对于巩固所学的电子技术理论知识，培养解决实际问题的能力，加强基本的技能训练具有明显的积极作用。

2. 掌握数字电压表的设计原理，组装、焊接与调试方法。

3. 熟悉集成电路ICL7135、ICM7556、74HC04、74LS47的使用方法，并掌握其工作原理。 

2  数字电压表的基本组成原理及电路设计

2.1数字电压表基本原理及系统框图

数字电压表的基本原理：数字电压表(digital voltmeter)简称DVM,它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。如图1所示，本系统所设计的4 1/2电压表由ICL7135-4 1/2位A/D转换器、三极管9013驱动阵列、74LS47BCD到七段锁存-译码-驱动器、共阳极LED发光管、基准电源、时钟及量程开关电路组成。4 1/2位是指十进制00000~19999，只有4位完整显示位，其数字范围为0~9，而其最高位只能显示0或1，故称为半位。

它是按照普通运用电路而组合而成的最基本的数字表头，主要使用了其2.0000的直接测量的功能。电器采用74HC04组成-5V电压产生电路，以及ICL7135需要的时钟信号电路，只需要给表头供电+5V就可以正常使用，小数点选择电路是通过一个NPN型三极管，利用它的驱动源是选择哪一位数码管的位扫描驱动信号来达到对应使用，使该位的小数点点亮的目的。

基本质量的快速判别：送入+5V直流稳压电源，屏幕上面应该显示随机数字，用金属短接两个输入端口，屏幕上应该显示“0000”，利用指针万用表的X1电阻档，输入到表头的信号输入端口，屏幕上应该显示电池的数字。交换输入信号的极性，应该有负号出现。经过这样一轮的测试，如果都没有问题，表头就可以准备使用了。

校准测量精度：可以使用最简单的方法校准，就是使用一只数字万用表监视着芯片第二引脚的电压，微调多圈电位器，使读数等于1.0000V，然后输入一个信号电压，用数字万用表监视读数是否一致，如果不一致，再仔细微调多圈电位器令其达到一致。

图2 数字电压表系统框图

2.2 输入滤波电路及负电源组成原理

在ICL7135的信号输入端，即“INLO-”“INHI+”两个管脚(3、4)与被测电压VX之间接100和0.1uF的RC滤波器，以提高整体抗干扰能力，也有利于增加整体的过载能力。ICL7135所需的“-5V”电源由74HC04的反相器并联为电源逆变电路，以提供其所需要的-5V电压要求。

   6个非门并联相当于一个非门，当输入脉冲为高电平时，经过非门反相器输出为低电平，当反相器输出高电平时，形成如图3所示电路，由点a向C6充电至+5V止，这时D2反相截止，当反相器输出低电平时，形成如图4所示回路，点a相当于地，C6上的压降相当于+5V，b点相当于-5V，C点为地，D3截止，D2导通。电流方向edb,输出一个-5V电压，满足一个电源供两种极性的要求，同时，选用稳定电压为3V的标准稳压二极管，并且用一个分压电阻与电位器串联，微调提供基准电压VREF+=1，基准电压的精度和准稳定性将直接影响转换的精度。

图3  电容充电电路                   图4  电容放电电路 

2．3四位半A/D转换器ICL7135的功能介绍

A/D转换器是数字电压表、数字多用表及测量系统的"心脏"。ICL7135为全MOS工艺四位半双积分式A/D转换器。在单极性基准电压(VREF+=1V)供给之下,能对双积分极性输入的模拟电压进行A/D转换,并自动输出极性判断信号,它采用了自校零技术,可保证零点在常温下的长期稳定性,零点的温度系数<2mv/℃,模拟输入可以差动信号,输入阻抗极高输入端零点漏电流<10PA。

2.3.1 ICL7135的内部电路结构

ICL7135的模拟电路部分主要外接器件是参考电压存储电容CR(C4)，积分电阻RINT(R2)和积分电容CINT(C2)和校零存储电容CAZ(C2),其典型值为CINT=0.47uF,RINT=100KΩ,电源电压为双电源±5V。

ICL7135的数字部分分布图如图2所示，与5G14433的逻辑控制部分相似，主要功能包括：判别回积阶段比较器的过零检测，自动极性判别，各模拟开关的定时逻辑控制，为了减少引出级数量，ICL7135也采用了位动态扫描BCD码输出方式，即万位、千位、百位、十位的BCD码轮流地在B8、B4、B2、B1出现，并在D5~D1各端同步出现字位选通端脉冲，另外，电路中还设置了一些辅助逻辑电路，如过量程欠量程判别电路，串行字位同步脉冲电路的形式，启/停控制电路等，不仅提高了器件的启动性能，也简化了外部接口电路，如图5。

图5  ICL7135的数字部分分布图

2.3.2 ICL7135的引脚功能介绍

图6  ICL7135芯片顶视图

ICL7135芯片如图6，其功能介绍如下：

V-(引脚1)：负电源输入端。极限值-7V，通常取-5V

VREF(引脚2)：基准电压输入端。一般取VREF+=1V，其精度和准确度将直接影响转换精度

AGND(引脚3)：模拟地

INTOUT(引脚4)：积分器输出端

AZIN(引脚5)：自调零输入端

BUFOUT(引脚6)：缓冲放大器输出端

REFCAP+(引脚8)：外接基准电容引脚

INLO-(引脚9)：信号输入端(低端)

INHI+(引脚10)：信号输出端(高端)

V+(引脚11)：正电源输入端。极限值为+6V，通常取+5V

D5～D1(引脚12、17～20)：BCD码数据的位选通信号输出端。分别选通万、千、百、十、个位

B1、B2、B4、B8(引脚13～16)：BCD码数据输出端 

BUSY(引脚21)：转换状态标志输出端。积分器在积分过程中BUSY输出高

电平，积分器在反向积分过零后输出低电平(本次设计悬空)  

CLK(引脚22)：时钟脉冲输入端。工作于双极性POL(引脚23)：极性输出

端。当输入信号为正时，POL极性输出为高电平，输入信号为负时，POL极性输出为低电平。

DGND(引脚24)：数字地RIH-(引脚25)： 启动转换/保持控制端。接高电

平时，ICL7135自动连续转换，每隔40002个时钟完成一次A/D转换，接低电平

时，A/D转换结束后保持转换结果，输入一个正脉冲后(大于300ms)，重新启

动ICT7135开始下一次转换。

ST-(引脚26)：数据输出选通脉冲输出端。其脉冲宽度为时钟脉冲宽度的

一半一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD数据输出端，可利用该信号把数据打入并行接口中供CPU读取，这一点在和机接口时非常重要。

OVERRANGE(引脚27)：过量程标志输出端。当输入信号读数超过转换器计

数范围时，该引脚输出高电平。

UNDER(引脚28)：欠量程标志输出端。当输入信号读取小于9%或更小时，该端输出高电平。

2.4 ICM7556时钟振荡器

时钟振荡器产生的时钟脉冲的频率直接影响A/D转换器的采样速度和抗干扰的能力。由ICM7556集成定时器构成的振荡电路，易实现抗干扰能力强，其相当于双555定时器构成。

              图7  NE555集成电路构成多谐振荡器电路及波形图

2.4.1 555组成的多谐振荡电路

多谐振荡器也称为无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡），A/D转换器ICL7135提供工作时钟信号，图7所示为又集成555定时器组成的多谐振荡器电路及工作波形图。

电阻RA，RB和电容C构成RC定时电路。电容在间周而复始进行冲放电过程，在输出端就得到一系列矩形脉冲信号。

进行分析可知，第一个暂稳态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的时间为

                                          （1）

第二个暂稳态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间为

                                               （2）

振荡周期和振荡频率分别为

                （3）

                （4）

2.4.2 ICM7556引脚分布

 集成电路外接电阻R5、R6和电容C5，由它们三个决定工作频率，可得出f≈137KHz,从而为A/D转换提供时钟信号。

图8 ICM7556引脚分布图

电路原理图如图9：

图9  时钟振荡器电路图

接通电源以后，VCC通过R5、R6对电容进行充电，电路进入暂稳态过程，VC电位不断提高，当VC大于等于2/3 VCC时，比较器输出低电平，通过与非门后为高电平，电路发生一次翻转，当TD三极管导通，电容开始放电，当VC小于等于1/3 VCC时，比较器输出为高电平，与非门输出低电平，电路发生下一次转重复电容的充放电过程，从而形成多谐振荡，输出连续的时钟脉冲信号。

2.5 驱动器、译码器、数码显示器

为了使A/D输出能点亮发光数码管，所以中间需要驱动器，用5个NPN型三极管驱动。

    BCD码七段译码驱动器有共阳和共阴两类，型号有74LS47（共阳），74LS48（共阴），CC4511（共阴）等。74LS47译码器，它是二—十进制译码，转换成七段显示信号。数码显示器是用来显示示数的，用发光二极管组成，亮度较亮，采用共阳极(与74LS47相匹配)。

    下面有74LS47为例，其管脚排列如图10所示。

图10  74LS47芯片顶视图

该器件输入信号为BCD码，输出端为OA，OB，OC，OD，OE，OF，OG分别对应的，，，，，，共7线，令有3条控制线，， /。端为测试端。在端接如高电平的条件下，当=0时，无论输入端A，B，C，D为和值， ~输出全为低电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。端为清零输入端。=1， =1的条件下，当输入ABCD=0000时，输出~全为高电平，可使共阳LED显示熄灭。而且在输入A，B，C，D不全为零时，仍能译码输出，使显示器正常显示。端为消隐输入端。该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入为何值，输出端~均为高电平，这可使共阳显示器熄灭。另外，该端还有第二个功能——清零信号输出端，记为。当该位输入的ABCD=0000且=0时，此时输出低电平；若该输入的A，B，C，D不等于零，则输出高电平。若与配合使用，很容易实现多位数码显示时的清零控制。例如对整数古部分，将最高位的接地，这样当最高位为零时“清零”，同时该位输出低电平，使下一位的为低电平，古也具有“清零”功能；而对与小数部分，应将最低位的接地，个位的端悬空或接高电平，低为的接至高位的。其功能见表1 

2.6 并行BCD码的输出

ICL7135是动态扫描传送的，由最高位(万位)到最低位(个位)，D5~D1在正常的情况下扫描是按顺序的。

ICL7135极性输出端POL外接9012接在显示器高位上，当输入为正时，POL极性输出高电平，9012截止为0，LED的G端为0，输出不显示极性为正；反之，当POL极性输出低电平时，9012导通，LED的G端为1，点亮G，输出为负。

3  调试要点及测试方法

3.1调试要点及测试方法

（1）接通电源电压，V=  +5V , V-= -5V。

（2）用示波器观察555多谐振荡器是否起振，测量5脚与地端电压为2.7V左右。

（3）采用稳压电源，使其输出电压为199.99mV或1.9999V作模拟量出入信号，调整基准电压的电位器，使LED数码管显示值与输入模拟电压值相等。

（4）基准电压测量。将正输入端与短接，读数应为1000.05。

（5）检查自动调零功能。将输入端短路，既没有输入信号时，LED显示器应该显示00000。

（6）检查超量程溢出功能。调节输入电压值，当超出测量范围时观察LED数码管是否有闪烁警告所用。

（7）测试线性误差。将输入模拟电压信号从0V增达到1.9999V，用标准数字电压表监测输出，通过与LED显示值相比较，其最大偏差即为线性误差。

（8）选择不同范围的电压值，检查各量程是否正确。

3.2故障排除

第一次通电时，发现数码管正常亮，心里真的很高兴。但显示数值与真实数值始终有误差，心情马上跌落到低谷，但是心中暗暗的告诉自己：一定要静下心来检查，猜想自己的焊接可能出现了问题，但是经过自己的反复排查终于找到了两处错误，虚焊一处，忘接一根地线。改正玩错误后，终于数码管正常显示了，的完成了我的作品。

4  设计心得与体会

通过这次对四位半数字电压表的设计，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于电压表的原理与设计理念。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。除了学会了许多专业知识外，在遇到困难时，积极地去请教我的指导老师，在老师的辛勤指导下，终于柔韧而解。下载本文