数字电压表的设计

刘 英

电子信息科学与技术专业 学号：040524097

指导老师：熊中朝

摘 要：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扩展成的各种数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。本设计采用CMOSS集成电路芯片CC7106来进行A/D转换，属于双积分型直流数字电压表。该数字电压表采用LCD显示，除具有一般数字电压表读数直观准确、测量速度快、输入阻抗大、测量范围宽之外，还具有读数保持的功能。电路特点是成本低，简单，体积小，安全性好，可扩展性强。

1关键词：数字电压表；3位；A/D转换；液晶显示

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目 录

摘要……………………………………………………………………………………1 1引言…………………………………………………………………………………3 2 数字电压表原理框图………………………………………………………………4 3 单元电路设计………………………………………………………………………4 3.1 双积分式A/D转换器CC7106…………………………………………………4 3.2 输入电路…………………………………………………………………………8 3.3 CC7106外围电路…………………………………………………………………9 3.3.1振荡电路………………………………………………………………………9 3.3.2 基准电压电路 ………………………………………………………………10 3.3.3 积分电路 ……………………………………………………………………11 3.4 显示部分 ………………………………………………………………………11

13.4.1 3位液晶显示器…………………………………………………………12

23.4.2 小数点驱动电路 ……………………………………………………………12 3.5 读数保持功能电路 ……………………………………………………………13 4 总电路图 …………………………………………………………………………13 5 总结 ………………………………………………………………………………15 参考文献 ……………………………………………………………………………15

1 引言

数字电压表简称DVM，是采用数字化测量的电压仪表。数字电压表与模拟电压表相比，具有读数直观、准确，显示范围宽、分辨力高，输入阻抗大，集成度高、功耗小、抗干扰能力强，可扩展能力强等特点，因此在电压测量、电压校准中有着广泛的应用。数字电压表也是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领域。

数字电压表按测量功能可分为直流数字电压表和交流数字电压表。数字电压表一般由模拟部分和数字部分组成，模拟部分主要功能是获取电压并将其转换为相应的数字量，数字部分完成逻辑控制、译码和显示等功能。数字电压表的核心是A/D转换器，由A/D转换器工作原理的不同，数字电压表又可分为逐次比较型和双积分型。

电压表的主要技术指标：

 测量范围 数字电压表的测量范围通常以基本量程为基础，借助于衰

减器扩展量程。

 输入阻抗 数字电压表的输入阻抗主要由衰减器的阻抗决定。  显示位数 数字电压表的显示位数是指完整显示位，既能够显示0～

9十个数字的那些位。

 测量速度 测量速度是指每秒对被测电压的测量次数，或一次测量过

程所需的时间，它主要取决于A/D转换器的转换速率。

 分辨率 分辨率是数字电压表能够显示被测电压的最小变化值，即显

示器末位跳一个数字所需的最小输入电压值。

当今，数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身正朝着高准确度、智能化、低成本的方向发展。此外，数字电压表在安装工艺、外观设计、安全性、可靠性等方面也在不断改进，日臻完善。

本设计采用CMOS大规模集成电路芯片CC7106来进行A/D转换，属于双积分型直流数字电压表。该数字电压表采用LCD显示，除具有一般数字电压表读数直观准确、测量速度快（2.5次/s）、输入阻抗大（10MΩ）、测量范围宽（分5个量程挡，分别为200mV、2V、20V、200V、1000V）之外，还具有读数保持的功能。电路特点是成本低，简单，体积小，安全性好，可扩展性强（只需加上各种转换器就可构成万用表）。

2 数字电压表原理框图

一般数字电压表的组成框图如图（1）所示。输入电路一般由分压电路、具有高输入阻抗的源极跟随器和放大电路组成，其作用是对量程进行扩展和阻抗变换等；A/D转换器将被测电压转换成与之成比例的数字量；计数器完成对数字量的累计；显示电路作用是对计数结果进行寄存、译码并驱动显示器显示测量结果。随着集成电路技术的发展，现在已有多种专用的A/D转换芯片，如本设计中采用的CC7106，这些集成芯片往往具有A/D转换、计数、逻辑控制等多项功能，因此只需少量的外围电路即可构成数字电压表。

输入电路UxA/D转换计数器显示逻辑控制电路时钟发生器模拟部分数字部分

图（1）

3 单元电路设计

3.1 双积分式A/D转换器CC7106

（1）双积分式A/D转换的基本原理

所谓双积分就是在一个测量周期内要进行两次积分：首先，对被测电压Vx进行定时积分，然后对基准电压VREF进行定值积分。通过两次积分比较，将Vx变换成与之成正比的时间间隔；然后，在这个时间间隔内对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果正比于被测电压的数字量。双积分式A/D转换器的组成框图和积分电路的波形如图（2）所示。

（a）

VoVomt1t2T1T2t3t

(b) 图（2）

两次积分的过程如下： 1）对被测电压定时积分

设t=t1时，开关S1接通被测电压—Vx，积分器A1对—Vx进行正向积分 其输出电压VO线性上升，一旦VO≥0，则过零比较器A2翻转，输出从低电平跳到高电平，打开闸门，时钟脉冲进入计数器计数，经过预定时间T1或达到计数器预置的数N1后，在计数器溢出（即t=t2）时，产生溢出脉冲，该溢出脉冲通过逻辑控制电路使开关S1接通基准电压VREF，则定时积分阶段结束。定时积分结束时积分器的输出电压 VOMVxVxN11t2VdtT （1） x1t1RCRCRCf0式中，f0为计数脉冲的频率，N1为计数器的预置数。

2）对基准电压定值积分

设t=t2时，开关S1接通基准电压VREF。积分器A2对VREF做反向积分，其输出电压VO线性下降。当VO下降到VO≤0（即t=t3）时，过零比较器A2再次翻转，输出从高电平跳到低电平，闸门关闭，停止计数，逻辑控制电路是开关S2闭合，积分电容C快速放电，积分器恢复到零状态，则定值积分阶段结束。定值积分结束时积分器的输出电压为

VOVOMRC1VREFVdtVT2 （2） OMt2REFRCt3 式中，T2为定值积分的时间，可以通过计数器累计的时钟脉冲N2来计算，即 T2=N2/fo （3） 将其代入式（2）得 VOM由式（1）和式（4）得 VxVREFT2VREFN2 （5） T1N1VREFT2 （4） RC 可见，只要适当选择VREF/N1的比值，被测电压Vx的值就可直接以计数值N2来表示。

（2）CC7106芯片内部结构及引脚功能

CC7106是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟电路与数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，所以只需外接少量元器件就可组成一个31/2位数字电压表。若接上各种转换器就可构成各种数字式测量仪表。

CC7106的原理图及功能引脚功能如图3所示。图中，驱动电路由多个异或门构成，可直接驱动液晶显示器；a1～g1、a2～g2、a3～g3分别为个位、十位和百位的笔段驱动端；bc4接千位“1”字的b、c段；PM为负极行指示输出，接千位的g段，当PM为负值时，显示负号；BP端输出50Hz方波信号，驱动液晶显示器的背面公共电极；VREF、VREF为基准电压输入端；CREF为基准电容端；COM为模拟信号公共端；INT为积分输出端，接积分电容；BUF为缓冲器输出端，接积分电阻；AZ为积分器和比较器的反向输入端，接自校零电容；TEST为数字逻辑地端，此外，还用来测试显示器的笔段。VDD、VEE为电源正负极，单电源供电，通常接+9V。IN IN为模拟信号输入端。OSC1～OSC3为

时钟振荡器的引出端，主振频率fOSC由外接R1C1的值决定，即

fOSC=0.45/R1C1 （6）

CC7106计数器的时钟脉冲fCP是主振频率fOSC经4分频得到的，由式（6）可得

fCP110.45fOSC （7） 44R1C1设CC7106一次A/D转换所需时钟脉冲的总数为N，则一次转换所需时间 T=N/fCP=4N/fOSC （8）

图（3）-a CC7106的引脚图

图（3）-b CC7106的原理图 3.2 输入电路

一般电子电压表中，输入电路采用高输入阻抗的场效应管跟随器或三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度。测量高直流电压时，输入端接入由电阻网络组成的分压电路。由于本设计采用了CC7106来进行A/D转换，且CC7106输入阻抗很大，所以输入电路部分不需采用源极跟随器来提高输入阻抗，电压表的输入阻抗将由电阻衰减网络决定。

输入电路部分原理图如图（4）所示

R1～R5组成的电阻衰减网络及开关S1实现量程的手动转换，各挡量程分别

为200mV、2V、20V、200V和1000V，其中200mV为基本量程，电压表的输入阻抗RiR1R2R3R4R510M。CC7106输入端的最大允许输入电压不

得大于电源电压（9V），否则芯片很容易被损坏。为了防止用低压挡去测高压的误动作，分压电路后还需增加过压保护电路。本设计采取了双重保护措施。图中

R6为限流电阻。熔断丝起过载保护作用。两只二极管与电容C1起过压保护作用。

3.3 CC7106外围电路 3.3.1 振荡电路

CC7106的振荡电路有三种设计方案：

（1） 在38、39、40脚之间接入RC网络。如图（5）-a所示。其特点 外围电路成本低，频率稳定度较差。

（2） 在39脚与40脚之间外接入一只石英晶体JT，构成晶振电路，如 图（5）-b所示，其特点是频率稳定度和准确度都很高，但电路成本高，一般用于精密测量。

（3） 将外部时钟频率f0接至 第40脚，f0可选16～48kHz、幅度为5Vpp的方波。在使用多片CC7106时，采用外时钟输入方式，不仅可以简化总体设计，还能实现同步。电路如图（5）-c所示。

图（5）-a 图（5）-b 图（5）-c

本设计采用第一种方案，即振荡器由CC7106内部的两个反相器与外部的阻容元件R、C构成。设CC7106进行一次A/D转换所需的时钟脉冲总数为4000，而测量速率为2.5次/s（即一次转换所需时间T=0.4s），则时钟脉冲频率fCP由式（8）可得

fCPN/T10kHz 由式（7）可得主振频率 fOSC4fCP40kHz

则由式（6）可计算出R、C的值。取R120k,C100pF 表1列出了几种常用的振荡器阻容元件的选择方案。 R C (s) 测量速率 (k) (pF) （次/s） 5 3 2.5 62 100 120 56 560 120 100 100 220 51 7.4 10 12 f0(kHz) 266 348 T0(s) 15 20.8 25 62.5 40 16 1 28.6 表1 时钟振荡器阻容元件的选择 3.3.2 基准电压电路

CC7106内部有一个简易基准电压源，可提供一个E02.8V左右的基准电压源。利用分压电阻可从E0中获取基准电压，电路如图（6）所示，其中，RP为精密多圈电位器，通过对它的调节可获得准确的基准电压值。数字电压表的基本量程为200mV，所以多圈电位器选用RP1k。若需将基本量程改装成2V，应改变基准电压分压电阻RP、自动调零电容C3和积分电阻R7的值[2]。

图（6）

当对基准电压精确度和稳定度要求较高时，可采用外部基准电压源[2]。

3.3.3 积分电路部分

积分元器件R7、C2及自动校零电容C3的取值分别为

R456k,C20.22F,C30.47F。

3.4 显示部分

13.4.1 3位液晶显示器

2液晶显示器是上世纪60年代末出现的一种显示器件。其主要特点是本身不发光，只能反射或透射外界光线，亮暗对比度可达100：1；驱动电压低（一般为3～6V），驱动电流低（几微安），功耗极低（几至几十微瓦），可用CMOS、TTL电路直接驱动；必须采用交流电压驱动，频率为30～100Hz.目前，本设计采用向列型液晶显示器，并且通过导电橡胶条与驱动电路相连。

当液晶显示器的笔段电极（a～g）与背电极（BP）呈等电位时，液晶不显示（消隐）；当二者存在一定的电位差时，液晶就显示。通常是把两个频率与幅度相同而相位相反、占空比为50%的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP端之间，利用二者的电位差来驱动该笔段发光。CC7106内部采用异或门来驱动LCD。电压的数字量经译码后作为异或门的一个输入，BP端的信号作为另一个输入，同时BP还与LCD背电极相连。这样译码信号就可控制异或门驱动器输出方波的相位，在LCD某笔段电极与背电极之间加上两个频率与幅度相同而相位相反、占空比为50%的方波电压，从而在液晶显示器上显示所要显示的数字。 3.4.2 小数点驱动电路

1CC7106内部有异或门电路，可以直接驱动3位LCD数字显示器。但LCD

2上的小数点（Dp1Dp3）的显示需另加异或门驱动电路，如图（7）所示。开关

S2与量程选择开关相连，以控制所要显示的小数点。驱动显示原理同液晶显示

器上的数字显示。

图（7）

3.5 读数保持功能电路

F2与外部阻容元件构成的。 CC7106的时钟振荡器是由两个反相器F1、CC7106

的第40 引脚（OSC1）接反相器的输入端，如果在测量过程中用一根导线将40脚与第37脚（测试端TEST）短路，那么F1的输入端就接上了固定的电平——数字地，振荡器立刻停振，进而使分频器、计数器、A/D转换器全部停止工作。显然，分频器停止工作后，液晶显示器背电极（BP）上的方波电压随之消失。此外，由于不再产生新的计数脉冲，计数器则保持原计数状态不变。因此，每个笔段译码器所输出的电平也保持不变，即短路之前为高电平的仍为高电平。再经过异或门驱动器，所显示的笔段以及构成的字形也不变。也就是说，即使被测电压VIN仍加在A/D转换器的输入端，也不会改变原来的显示值。这样，就可使数字电压表具有读数保持功能。电路图如图（8）所示。

图（8）

4． 总电路图

1 基于以上的分析，可得由CC7106构成的3位数字电压表总电路图：

2

本设计采用双积分型A/D转换器CC7106来设计数字电压表，外围电路简单，除

具有一般数字电压表的优点外，还具有读数保持的功能，并且该电路可扩展性强，只 需加上各种转换器即可构成数字万用表。但本文所述的模块功能中，还存在着有待改 进和完善的地方，如量程转换电路，若能实现自动量程转换，则不仅能缩短测量时间、 方便测量工作人员，还能保护仪器，延长其使用寿命。

5． 总结

参考文献

[1] 谢自美. 电子线路设计•实验•测试[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2006. [2] 沙占友. 数字万用表应用技巧. 北京：国防工业出版社，1997.

[3] 沙占友. 新型数字电压表原理与应用. 北京：国防工业出版社，1995.

[4] 张永瑞, 刘振起, 杨林耀, 顾玉昆. 电子测量技术基础[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2006.

[5] 刘辉. 电子仪器与测量技术.合肥：中国科学技术大学出版社,1992.