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基于ICL7107的数字电压表
摘 要
随着科学技术的发展，数字电压表的种类越来越多，功能越来越丰富，当然应用的领域也越来越广泛，给人们的工作和生活带来许多方便。本文主要介绍的是基于ICL7107数字电压表的设计的设计，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器位驱动器于一体的大规模集成电路，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统的一种31/2位A/D转换器，能够直接驱动共阳极数字显示器，够成数字电压表，此电路简洁完整，稍加改造就可以够成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器、位驱动器于一体的大规模集成电路，主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用，调频接口电路，它采用的是双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路设计。应用了ICL7107芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电，正确电压时DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口，从而可以在显示器上看到所需要的结果。在软件设计上，主要编写了实现计数频率的调节和单片机功能的相关程序，，最后把软件设计和硬件设计结合到一起，然后进行调试。本文阐述了硬件设计中具体的硬件结构和功能和软件设计中具体写入的程序还有相应的调试过程。
目 录
摘 要 2
第一章 绪论 3
1.1 数字电压表的概术 3
1.2 数字电压表的结构 4
1.3 数字电压表应用领域 4
1.4设计目的 4
第二章 课程设计方案、要求、任务实验原理 5
2.1方案选择 5
2.2 系统方框图 6
2.3设计要求 6
2.4设计任务 7
2.5实验原理 7
ICL7107 8
第一章 绪论
1.1 数字电压表的概术
电表是常用的电学测量仪器，有关电表的基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的，我们把数字电表基本原理和应用技术引入普通电学实验中，其原因是：
数字仪表应用日益广泛；
数字电表基本原理简单，它也是一种比较法，对电容器在待测电压Vx与参考电压下的充、放电时间关系进行比较。
了解了数字电表基本原理及常用模数转换芯片外围元件的作用、参量选择原则后可在万用表设计中灵活应用数字电表的模数转换芯片。
随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，下面介绍一下数字电压表的组成和应用领域。
1.2 数字电压表的结构
数字电压表有以下几个个组成部分：
ICL7107芯片LED数字显示器三位半驱动段驱动位驱动
数字电压具有以下九大特点：
1.显示数据直观，度数准确。
2.准确度高。
3.分辨率高。
4.测量范围宽。
5.扩展能力强。
6.测量速率高。
7.输入阻抗高。
8.集成度高，微功耗。
9.抗干扰能力强。
1.3 数字电压表应用领域
数字电压表通常被应用以下任务：
1.对一些工程上的测量；
2.完成大规模集成电路的转换；
3.应用于大规模的数字测量；
4.实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用；
本文主要是研究基于ICL7107芯片、数字显计数器的应用。
1.4设计目的
1.综合运用数字电路和模拟电路，巩固所学知识。
2.了解双积分A/D转换器的工作原理。
3.掌握ICL7107构成数字直流电压表的方法。
4.了解数字显示电路的扩展应用。
5.了解产品设计的基本思路和方法。
6.掌握常用电子元件的选择方法和元件参数的。
7.加强计算机运用、查阅资料和独立完成电路设计的能力。
第二章 课程设计方案、要求、任务实验原理
2.1方案选择
本次设计主要芯片有ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。
本方案的主要特点是：
1. 能够直接驱动共阳极的LED显示器，不需要外加驱动原件，使整机线路简化。
2. 采用+5V和-5V两组电源供电。
3. LED属于电池控制原件，芯片本身功耗较小。
4. 显示亮度较高。
2.2 系统方框图
本文的电压表是一个3位半直流电压测量的数字式电压表。设计量程为20.0V，并能显示负电压。电压值显示稳定，读数方便。
2.3设计要求
1. 利用芯片ICL7107来实现电路功能；
2. 选择合适的电阻、电容、液晶显示器等器件；
3. 完成全电路理论设计、制作、调试，并画出电路原理图；
4. 撰写设计报告；
5. 上交制作产品一件。
2.4设计任务
1. 设计一个数字电压表电路；
2. 通过设计，可以实现数字测量；。
3. 测量范围：直流电压0V-20V，可显示负电压。
4. 组装调试数字电压表。
5. 画出数字电压表电路原理图，写出实验报告。
2.5实验原理
下面阐述它的引脚功能和外围元件参数的选择。ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择。
图2.5-2 ICL7107芯片引脚图
ICL7107芯片的引脚图如图2.5-2所示，它与外围器件的连接图如4所示。图4中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的，所以不加详述。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第34脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端； Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（因为测量周期总保持4000个Tcp不变）以及测量的精度。
图4 - 电压表原理图
由原理图设计的PCB板如下所示：
图5 – PCB图
1.3 LED显示屏
采用2个共阳级二位数码管进行显示，芯片ICL7107可以直接驱动共阳型数码管，不需要驱动电路。最高位只起到显示‘1’和‘-’的作用，第二位可以显示小数点。
调试工作单
一、 仪器，仪表准备
1. 双路直流稳压电源 （一台）。
2. 4位半数字万用表 （一台）。
二、 调试内容及步骤
1、接+5V供电电源，将37脚（TEST）接+5V，数码管各段及百位小数点均点亮，说明显示正常。
2、调电位器使36脚（Vref+）为100mV，再将两测试输入端外接应显示00.0。（注：调基准电压100mV 时，最好接432稳压电源来调试，这样防止直流稳压源电压波动影响调试结果）
3、将4位半数字表拨至20V档作为标准表并与本表两端输入端并联，用不同直流电压记录两表显示值（见表1）。
三、 误差原因分析及改进建议
1、在调基准电压100mV时，由于50Hz纹波影响，无法调到精确值而对最终显示电压产生影响，对于后两位数值跳动问题，通过在输入电源处并联一个0.1uF和一个470uF电容，可抑制跳动，同时应增大接地线的截面积。
2、在扩程电路中，采用的是10K与1M的电阻，分压比例为1:101，达不到1:100的精确度从而使结果有误差，本数字表误差为1-3mV，应严格采用比例电阻，使用高度精确的电阻来减少误差。
表1
测试电压（V）0.10.51510151820-5
4位半值数字表 （V）--1.065.0699.99414.96---
本设计数字表 （V）--1.055.049.9614.9---
调试人：
***
指导老师：***
2014.8.8
数字电压表使用说明书
（一）、概述
该仪表是一种性能稳定、用+5V电源驱动的高可靠性数字电压表。仪表采用两个共阳型LED数码管组成三位半数字显示0～19.9V、读数清晰、方便使用。
该仪表专门用来测量直流电压，是实验室，维修工人的理想工具。是一台性能优越的仪表。
（二）、安全事项
该仪表在设计上符合IEC1010条款（国际电工委员会颁布的安全标准），在使用之前，请先阅读安全注意事项。
1． 测量电压时，请勿输入超过直流20V的极限电压。
2． 测量前要检查表笔是否可靠接触，是否正确连接、是否绝缘良好等。
3． 电压表的电源供电端子，不能反接，否则会烧毁电压表，电压表供电电压不能低于或高于 +5V。
4． 电位器的调试端不能随意调动，否则会影响测试准确度。
（三）、操作面说明
（四）、特性
1. 显示方式：LED数码管显示。
2. 最大显示：19.9V电压，输入负电压自动极性显示。
（五）、使用方法
1. 将电压表供电端子按其极性接+5V的电压。
2. 将测试线跨接在被测电路上，蓝色线所接的该点电压与极性显示在屏幕上。
注意：
1. 电压表供电电压极性，切勿反接或低于或高于+5V否则会烧毁电压表，或不能测试。
2. 输入电压切勿超过20V，否则会烧毁电压表。
（六）、仪表的保养
该仪表是一台精密仪器，使用者不要随意更改电路。
附：
元件清单
名称符号参数封装
电解电容C1，C2，C3，C4C103，C224，C473，C103CC3216-1206
（贴片）
电容C5C100PCC3216-1206
（贴片）
电阻R1+R2，R3+R4，R5，R6，R7，R810K，100K， 1M，470K，100K，510ΩCC3216-1206
（贴片）
插座P1，P2 Header 2
（直插）
电位器RP1K电位器
（自制直插）
数码管U1，U2共阳DIP18二位数码管
（自制直插）
芯片ILC7107 DIP40
（直插）
附：
元件清单
摘 要
随着科学技术的发展，数字电压表的种类越来越多，功能越来越丰富，当然应用的领域也越来越广泛，给人们的工作和生活带来许多方便。本文主要介绍的是基于ICL7107数字电压表的设计的设计，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器位驱动器于一体的大规模集成电路，ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统的一种31/2位A/D转换器，能够直接驱动共阳极数字显示器，够成数字电压表，此电路简洁完整，稍加改造就可以够成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统是一种集三位半转换器段驱动器、位驱动器于一体的大规模集成电路，主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用，调频接口电路，它采用的是双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路设计。应用了ICL7107芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电，正确电压时DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口，从而可以在显示器上看到所需要的结果。在软件设计上，主要编写了实现计数频率的调节和单片机功能的相关程序，，最后把软件设计和硬件设计结合到一起，然后进行调试。本文阐述了硬件设计中具体的硬件结构和功能和软件设计中具体写入的程序还有相应的调试过程。
目 录
摘 要 2
第一章 绪论 3
1.1 数字电压表的概术 3
1.2 数字电压表的结构 4
1.3 数字电压表应用领域 4
1.4设计目的 4
第二章 课程设计方案、要求、任务实验原理 5
2.1方案选择 5
2.2 系统方框图 6
2.3设计要求 6
2.4设计任务 7
2.5实验原理 7
ICL7107 8
第一章 绪论
1.1 数字电压表的概术
电表是常用的电学测量仪器，有关电表的基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的，我们把数字电表基本原理和应用技术引入普通电学实验中，其原因是：
数字仪表应用日益广泛；
数字电表基本原理简单，它也是一种比较法，对电容器在待测电压Vx与参考电压下的充、放电时间关系进行比较。
了解了数字电表基本原理及常用模数转换芯片外围元件的作用、参量选择原则后可在万用表设计中灵活应用数字电表的模数转换芯片。
随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，下面介绍一下数字电压表的组成和应用领域。
1.2 数字电压表的结构
数字电压表有以下几个个组成部分：
ICL7107芯片LED数字显示器三位半驱动段驱动位驱动
数字电压具有以下九大特点：
1.显示数据直观，度数准确。
2.准确度高。
3.分辨率高。
4.测量范围宽。
5.扩展能力强。
6.测量速率高。
7.输入阻抗高。
8.集成度高，微功耗。
9.抗干扰能力强。
1.3 数字电压表应用领域
数字电压表通常被应用以下任务：
1.对一些工程上的测量；
2.完成大规模集成电路的转换；
3.应用于大规模的数字测量；
4.实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用；
本文主要是研究基于ICL7107芯片、数字显计数器的应用。
1.4设计目的
1.综合运用数字电路和模拟电路，巩固所学知识。
2.了解双积分A/D转换器的工作原理。
3.掌握ICL7107构成数字直流电压表的方法。
4.了解数字显示电路的扩展应用。
5.了解产品设计的基本思路和方法。
6.掌握常用电子元件的选择方法和元件参数的。
7.加强计算机运用、查阅资料和独立完成电路设计的能力。
第二章 课程设计方案、要求、任务实验原理
2.1方案选择
本次设计主要芯片有ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。
本方案的主要特点是：
1. 能够直接驱动共阳极的LED显示器，不需要外加驱动原件，使整机线路简化。
2. 采用+5V和-5V两组电源供电。
3. LED属于电池控制原件，芯片本身功耗较小。
4. 显示亮度较高。
2.2 系统方框图
本文的电压表是一个3位半直流电压测量的数字式电压表。设计量程为20.0V，并能显示负电压。电压值显示稳定，读数方便。
2.3设计要求
1. 利用芯片ICL7107来实现电路功能；
2. 选择合适的电阻、电容、液晶显示器等器件；
3. 完成全电路理论设计、制作、调试，并画出电路原理图；
4. 撰写设计报告；
5. 上交制作产品一件。
2.4设计任务
1. 设计一个数字电压表电路；
2. 通过设计，可以实现数字测量；。
3. 测量范围：直流电压0V-20V，可显示负电压。
4. 组装调试数字电压表。
5. 画出数字电压表电路原理图，写出实验报告。
2.5实验原理
下面阐述它的引脚功能和外围元件参数的选择。ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择。
图2.5-2 ICL7107芯片引脚图
ICL7107芯片的引脚图如图2.5-2所示，它与外围器件的连接图如4所示。图4中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的，所以不加详述。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第34脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端； Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（因为测量周期总保持4000个Tcp不变）以及测量的精度。
图4 - 电压表原理图
由原理图设计的PCB板如下所示：
图5 – PCB图
1.3 LED显示屏
采用2个共阳级二位数码管进行显示，芯片ICL7107可以直接驱动共阳型数码管，不需要驱动电路。最高位只起到显示‘1’和‘-’的作用，第二位可以显示小数点。
调试工作单
一、 仪器，仪表准备
1. 双路直流稳压电源 （一台）。
2. 4位半数字万用表 （一台）。
二、 调试内容及步骤
1、接+5V供电电源，将37脚（TEST）接+5V，数码管各段及百位小数点均点亮，说明显示正常。
2、调电位器使36脚（Vref+）为100mV，再将两测试输入端外接应显示00.0。（注：调基准电压100mV 时，最好接432稳压电源来调试，这样防止直流稳压源电压波动影响调试结果）
3、将4位半数字表拨至20V档作为标准表并与本表两端输入端并联，用不同直流电压记录两表显示值（见表1）。
三、 误差原因分析及改进建议
1、在调基准电压100mV时，由于50Hz纹波影响，无法调到精确值而对最终显示电压产生影响，对于后两位数值跳动问题，通过在输入电源处并联一个0.1uF和一个470uF电容，可抑制跳动，同时应增大接地线的截面积。
2、在扩程电路中，采用的是10K与1M的电阻，分压比例为1:101，达不到1:100的精确度从而使结果有误差，本数字表误差为1-3mV，应严格采用比例电阻，使用高度精确的电阻来减少误差。
表1
测试电压（V）0.10.51510151820-5
4位半值数字表 （V）--1.065.0699.99414.96---
本设计数字表 （V）--1.055.049.9614.9---
调试人：
***
指导老师：***
2014.8.8
数字电压表使用说明书
（一）、概述
该仪表是一种性能稳定、用+5V电源驱动的高可靠性数字电压表。仪表采用两个共阳型LED数码管组成三位半数字显示0～19.9V、读数清晰、方便使用。
该仪表专门用来测量直流电压，是实验室，维修工人的理想工具。是一台性能优越的仪表。
（二）、安全事项
该仪表在设计上符合IEC1010条款（国际电工委员会颁布的安全标准），在使用之前，请先阅读安全注意事项。
1． 测量电压时，请勿输入超过直流20V的极限电压。
2． 测量前要检查表笔是否可靠接触，是否正确连接、是否绝缘良好等。
3． 电压表的电源供电端子，不能反接，否则会烧毁电压表，电压表供电电压不能低于或高于 +5V。
4． 电位器的调试端不能随意调动，否则会影响测试准确度。
（三）、操作面说明
（四）、特性
1. 显示方式：LED数码管显示。
2. 最大显示：19.9V电压，输入负电压自动极性显示。
（五）、使用方法
1. 将电压表供电端子按其极性接+5V的电压。
2. 将测试线跨接在被测电路上，蓝色线所接的该点电压与极性显示在屏幕上。
注意：
1. 电压表供电电压极性，切勿反接或低于或高于+5V否则会烧毁电压表，或不能测试。
2. 输入电压切勿超过20V，否则会烧毁电压表。
（六）、仪表的保养
该仪表是一台精密仪器，使用者不要随意更改电路。
附：
元件清单
名称符号参数封装
电解电容C1，C2，C3，C4C103，C224，C473，C103CC3216-1206
（贴片）
电容C5C100PCC3216-1206
（贴片）
电阻R1+R2，R3+R4，R5，R6，R7，R810K，100K， 1M，470K，100K，510ΩCC3216-1206
（贴片）
插座P1，P2 Header 2
（直插）
电位器RP1K电位器
（自制直插）
数码管U1，U2共阳DIP18二位数码管
（自制直插）
芯片ILC7107 DIP40
（直插）
附：
元件清单
| 名称 | 符号 | 参数 | 封装 |
| 电解电容 | C1，C2，C3，C4 | C103,C224,C473,C103 |
CC3216-1206 (贴片) |
| 电容 | C5 | C100P |
CC3216-1206 （贴片） |
| 电阻 | R1+R2，R3+R4，R5，R6，R7，R8 | 10K,100K, 1M,470K,100K,510Ω |
CC3216-1206 （贴片） |
| 插座 | P1，P2 |
Header 2 （直插） |
|
| 电位器 | RP | 1K |
电位器 （自制直插） |
| 数码管 | U1，U2 | 共阳DIP18 |
二位数码管 （自制直插） |
| 芯片 | ILC7107 |
DIP40 （直插） |
工商网监
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