一款3位半直流數(shù)字電壓電流表的設(shè)計(jì)與制作

湯德榮，劉蘇英

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

一款3位半直流數(shù)字電壓電流表的設(shè)計(jì)與制作

湯德榮，劉蘇英

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

本文所闡述的3位半直流數(shù)字電壓電流表表頭單獨(dú)設(shè)計(jì)，主芯片使用ICL7107，其他部分采用分壓分流電阻及直鍵開關(guān)的巧妙組合實(shí)現(xiàn).采用純硬件電路設(shè)計(jì)，具有性能穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是很多實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置所普遍選用的一款電壓電流表.

表頭；直鍵；電壓電流表

直流數(shù)字電壓電流表是一位電子愛好者學(xué)習(xí)和工作所必須使用的工具之一，也是很多教學(xué)儀器上所必須加載的儀表之一.因而要求它一定要性能穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、使用方便.本款直流數(shù)字電壓電流表就具備這些特點(diǎn)，它在我院使用中每年要面對(duì)成百上千的學(xué)生，使用9年，一次不壞，仍然精確.可見這款數(shù)字電壓電流表的設(shè)計(jì)有多么的成熟、完美.

該3位半直流數(shù)字電壓電流表主要有表頭、主電路和電源電路三部分組成.表頭部分主要由A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，用4位共陽(yáng)極數(shù)碼管進(jìn)行顯示.主電路部分主要由高精度的固定電阻和微調(diào)電阻來(lái)進(jìn)行分壓分流，并負(fù)責(zé)測(cè)量電流時(shí)把電流轉(zhuǎn)換為電壓，電壓電流切換和量程切換由直鍵開關(guān)來(lái)控制.電源主要由變壓器變壓、二極管整流、電容濾波和三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓四部分組成.整個(gè)電路設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，容易制作.

1 電路原理分析

1.1 表頭電路

表頭電路原理如圖1所示.ICL7107是一塊雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，能直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示器，通過(guò)內(nèi)部的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)極性顯示，應(yīng)用非常廣泛.

ICL7107最大顯示值為±1999，最小分辨率為0.1mV.采用士5V雙電源供電.第36、35腳為基準(zhǔn)電壓（Uref），通常有100mV和1V/0.8V兩種基準(zhǔn)，對(duì)100mV基準(zhǔn)：R1=11.3 KΩ，R2=953Ω，R3=47KΩ，W1=100Ω，C1=0.47μF，對(duì)1V/ 0.8V基準(zhǔn)：R1=3.6KΩ/10KΩ，R2=19.1KΩ，R3=470KΩ，W1=2KΩ，對(duì)1V/0.8V基準(zhǔn)：R1=3.6KΩ/10KΩ，R2=19.1 KΩ，R3=470KΩ，W1=2KΩ，C1=0.047μF，圖中穩(wěn)壓管使用LM385，穩(wěn)壓值為1.25V；第31、30腳為待轉(zhuǎn)換的模擬電壓（Uin），要求在直流2V以下；第37腳為測(cè)試端，當(dāng)其短接到V+時(shí)，表頭顯示‘—1888’，可用于對(duì)線路及數(shù)碼管好壞的檢查；第27、28、29腳分別接數(shù)值為0.22μF、47KΩ、 0.47μF的阻容元件構(gòu)成阻容網(wǎng)絡(luò)，這三個(gè)元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡(luò)，不能使用磁片電容.第33、34腳接0.1μF基準(zhǔn)電容，該電容也不能使用磁片電容.第38、39、40是芯片時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容元件構(gòu)成振蕩器，第38腳至第40腳電容量的選擇可根據(jù)公式Fosl=0.45/RC來(lái)確定，該電容也不能使用磁片電容，本電路選擇R=110KΩ，C=100pF,若此處不正常，表頭會(huì)顯示‘1666’.這部分電路中的基準(zhǔn)電容（Cref）、積分網(wǎng)絡(luò)所用電（CINT）在滿足電容值的前提下要求不漏電，此處電容不好通常表現(xiàn)為顯示線性不好（CINT）或跳字.

圖1 3位半數(shù)字電壓表頭電路原理圖

轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示數(shù)值為（Uin/Uref）*1000，其中最高位負(fù)責(zé)千位的顯示，只能顯示0和1兩位數(shù)字，其余三位都能從0顯示到9.它們對(duì)應(yīng)的筆畫可直接接ICL7107對(duì)應(yīng)輸出引腳上，公共端陽(yáng)極經(jīng)30Ω限流電阻接+5V電源上.芯片不驅(qū)動(dòng)小數(shù)點(diǎn)，常將三個(gè)小數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管負(fù)極（數(shù)碼管h段）和公共端（430Ω電阻一端）引出做成插座，點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)則只需將公共端與某一個(gè)小數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管負(fù)極短接即可點(diǎn)亮.具體小數(shù)點(diǎn)切換電路在直流數(shù)字電壓電流表電路中，主要靠開關(guān)控制.

1.2 電壓電流板主板電路

電壓電流表主板電路如圖2所示.

圖2 直流數(shù)字電壓電流表主板電路原理圖

圖2中電源部分主要產(chǎn)生兩路電源：一路是±5V電源，為整個(gè)電壓電流表電路供電；一路是+5V電源，為表頭電路供電，這一路電源雖然放在電壓電流表電路中，卻跟整個(gè)電壓電流表電路沒(méi)有關(guān)系，只是為表頭供電.所以在接線時(shí)，千萬(wàn)不能把兩路電源的“地”端GND1和GND2直接連在一起.

圖2中電壓部分和電流部分主要采用電阻和電位器組成分壓電路，再結(jié)合一些開關(guān)進(jìn)行電壓表和電流表的量程擴(kuò)展和選擇.

圖2中控制部分主要是利用直鍵開關(guān)進(jìn)行電壓和電流之間的切換及不同量程的切換.

主要包括直鍵開關(guān)、集成運(yùn)放ICL7650、繼電器、二極管和一些阻容元件.其中ICL7650是第四代斬波穩(wěn)零運(yùn)放，當(dāng)測(cè)量電流且選擇2mA量程時(shí)，繼電器線圈得電，常開開關(guān)閉合，ICL7650的反相輸入端接通電路中的A點(diǎn)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)A點(diǎn)電位的高低，使測(cè)量更準(zhǔn)確.其他時(shí)候ICL7650的反相輸入端懸空，運(yùn)放作為跟隨器用.二級(jí)管VD9主要起保護(hù)作用，發(fā)光二極管D1和D2分別是測(cè)量電壓和電流的指示燈，當(dāng)直鍵K1彈起，測(cè)量電壓，D1亮，當(dāng)直鍵K1被按下，測(cè)量電流，D2亮.

另外圖中還有七個(gè)插座，其中J3接電源變壓器，J4是±5V直流電源輸出端，J5是+5V直流電源輸出端，J2有表頭電源引出端、運(yùn)放輸出端（接表頭輸入）、3個(gè)小數(shù)點(diǎn)端和1個(gè)小數(shù)點(diǎn)公共端8個(gè)端子，用排線接表頭電路上對(duì)應(yīng)的插座J8，J1是電壓電流輸入端，引出接被測(cè)電壓和電流，J6 是電壓電流表主板電路部分電源，在±5V直流電源調(diào)試好之后，用排線把J6和J4連接起來(lái)，J7表頭電源插座，在+5V直流電源調(diào)試好之后，用排線把J7和J5連接起來(lái).

2 電路制作

2.13 位半數(shù)字電壓表頭的裝配與調(diào)試（按照測(cè)量＝± 199.9mV來(lái)說(shuō)明）

(1)確保ICL7107芯片沒(méi)有裝反，各元件沒(méi)有裝錯(cuò).

(2)測(cè)量時(shí)注意接地引腳：芯片的電源地是21腳，模擬地是32腳，信號(hào)地是30腳，基準(zhǔn)地是35腳.

(3)測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)電壓：芯片第1腳是正電源引腳，正確電壓是5V.第26引腳是負(fù)電源引腳，正確電壓數(shù)值是負(fù)值.第36腳是基準(zhǔn)電壓，正確數(shù)值是100mV.

(4)將第37腳短接到V+，看表頭是否顯示‘—1888’，檢查線路及數(shù)碼管的好壞.

(5)如果表頭只顯示‘1666’，檢查第38、39、40腳上的振蕩元件.

(6)芯片的第31引腳是信號(hào)輸入引腳，可以輸入± 199.9mV的電壓.在一開始，可以把它接地，造成“0”信號(hào)輸入，以方便測(cè)試.

(7)如果電路連接和電壓數(shù)值都是正常的，也沒(méi)有“短路”或者“開路”故障，那么，電路就應(yīng)該可以正常工作了.調(diào)出非常準(zhǔn)確的50mV,100mV,190mV三個(gè)電壓，依次輸入到ICL7107的第31腳和30腳之間，數(shù)碼管應(yīng)顯示50.0,100.0, 190.0，允許有2－3個(gè)字的誤差.如果差別太大，可以微調(diào)一下36腳的電壓.

(8)檢查比例讀數(shù)：把31腳與36腳短接，數(shù)碼管應(yīng)顯示100.0，通常在99.7－100.3之間，越接近100.0越好.

2.2 直流數(shù)字電壓電流表主板電路的裝配與調(diào)試

(1)裝調(diào)電源電路.

(2)裝配其他部分電路，完畢后用萬(wàn)用表初步檢查電路通斷，尤其是直鍵開關(guān)的通斷.

2.3 綜合調(diào)試

將主板電路和表頭電路對(duì)接起來(lái)，尤其注意連接排線不能接反.調(diào)出多組電壓值，使其分布在電壓表的四個(gè)量程中，檢查調(diào)試電壓表電路；調(diào)出多組電流值，使其分布在電流表的四個(gè)量程中，檢查調(diào)試電流表電路.在每次測(cè)量時(shí)，用數(shù)字萬(wàn)用表同步測(cè)量一遍，把自制電壓電流表測(cè)量結(jié)果和數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，看結(jié)果是否相同.

至此，一塊3位半直流數(shù)字電壓電流表就制作完成了，該表表頭使用ICL7107芯片，單獨(dú)設(shè)計(jì)，其他部分采用分壓分流電阻及直鍵開關(guān)的巧妙組合實(shí)現(xiàn)，采用純硬件電路設(shè)計(jì).具有多重保護(hù)電路，按200mV/2mA、2V/20mA、20V/200 mA、200V/2A分檔，測(cè)量準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用及其廣泛.

〔1〕劉蘇英.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

TM933.22

A

1673-260X（2014）03-0070-02