基于ICL7107器件的量程自切換數(shù)字電壓表的設(shè)計與實現(xiàn)

1、引言

在模數(shù)混合系統(tǒng)的設(shè)計中，對模擬信號的采樣一般是使用專用的A/D轉(zhuǎn)換器，再加上專門的譯碼和鎖存電路把模擬信號轉(zhuǎn)換成合適的數(shù)字信號。但這樣使系統(tǒng)的設(shè)計電路較復(fù)雜，用到的集成芯片較多，給設(shè)計帶來不便。為了克服以上設(shè)計中的缺點，在本系統(tǒng)的設(shè)計中采用了高集成度芯片ICL7107作為對模擬信號的采樣模塊，使得電路設(shè)計更加簡單，可靠性大大提高。

2、系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的電壓表是一個3/2位直流電壓測量的數(shù)字式電壓表，測量范圍為直流0~199mV、0~1.99V、0~19.99V、0~199.9V、0~1999V，共5個量程。電壓值顯示穩(wěn)定，讀數(shù)方便，能測量正、負(fù)電壓且能自動切換量程，使用方便。系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)可分為測試電壓轉(zhuǎn)換、模擬電壓通道、A/D轉(zhuǎn)換及譯碼鎖存、顯示、超欠量程識別和量程切換及小數(shù)點驅(qū)動6部分。

3、系統(tǒng)各模塊電路實現(xiàn)

3.1、A/D轉(zhuǎn)換及鎖存和譯碼模塊

選用ICL7107。ICL7107是雙積型的A/D轉(zhuǎn)換器，

還集成了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、正負(fù)電壓參考源和模擬開關(guān)，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(shè)計要求。顯示穩(wěn)定可讀和測量反應(yīng)速度快，是本設(shè)計的關(guān)鍵。ICL7107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(fù)產(chǎn)生AZ、INT、DＥ3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(yīng)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

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）。

芯片的外部元件參數(shù)設(shè)定及電路如圖2所示。

圖2 ?ICL7107電路連接圖

3．2、待測電壓轉(zhuǎn)換模塊

待測電壓作為電壓表的測量對象，必須滿足下一級電路的輸入要求，設(shè)計要求為0￣1999V，而A／D轉(zhuǎn)換器的滿度值為200ｍV，故本模塊相當(dāng)重要。電路如圖3所示。該分壓電路保證了輸給A／D的值VIN＜200ｍV。3．3模擬電壓通道模塊。

該模塊的主要作用是將分壓后的待測電壓輸送給A／D，能根據(jù)不同待測電壓選擇最適當(dāng)?shù)姆謮褐禉n位，采用模擬開關(guān)作為選通通道，其體積小，工作穩(wěn)定，開關(guān)通道較多。

3．4、超、欠量程識別模塊

ICL7107設(shè)計有超、欠量程的功能，當(dāng)超量程時，A／D轉(zhuǎn)換器呈溢出狀態(tài)，這時最高位顯示為1，其他低位不顯示，取出次高位的ｂ、H兩位若都為高電平即表示超量程；當(dāng)欠量程時，最高位和次高位顯示的數(shù)為0。最高位Aｂｋ為1時，該位不顯示；百位數(shù)為零時顯示0。分析筆段狀態(tài)可知，只要取出Aｂｋ和百位的ｅ、ｇ段就可以判斷為欠量程了。將超量程和欠量程信號合為一個信號，當(dāng)有兩情況之一，則將量程選用大一級量程，如此循環(huán)直至切換到適當(dāng)量程。若以Y1表示超量程，則Y1＝ｂH×ｇH，以Y2表示欠量程，則Y2＝Aｂｋ×ｇH×ｅH，故超欠量程輸出表示為：

Y＝Y(jié)1＋Y2＝ｂH×ｇH＋Aｂｋ×ｇH×ｅH

電路如圖4所示，電壓比較器的作用是讓其轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的高低電平，且用比較器Ｕ2C實現(xiàn)對ｅH取反則：

綜上可知，當(dāng)有超欠量程情況時，Y輸出為“0”。