基于ICL7107器件的量程自切换数字电压表的设计与实现

1、引言

在模数混合系统的设计中，对模拟信号的采样一般是使用专用的A/D转换器，再加上专门的译码和锁存电路把模拟信号转换成合适的数字信号。但这样使系统的设计电路较复杂，用到的集成芯片较多，给设计带来不便。为了克服以上设计中的缺点，在本系统的设计中采用了高集成度芯片ICL7107作为对模拟信号的采样模块，使得电路设计更加简单，可靠性大大提高。

2、系统总体设计

本文设计的电压表是一个3/2位直流电压测量的数字式电压表，测量范围为直流0~199mV、0~1.99V、0~19.99V、0~199.9V、0~1999V，共5个量程。电压值显示稳定，读数方便，能测量正、负电压且能自动切换量程，使用方便。系统框图如图1所示。本系统可分为测试电压转换、模拟电压通道、A/D转换及译码锁存、显示、超欠量程识别和量程切换及小数点驱动6部分。

3、系统各模块电路实现

3.1、A/D转换及锁存和译码模块

选用ICL7107。ICL7107是双积型的A/D转换器，

还集成了A／D转换器的模拟部分电路，如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少量的电阻、电容元件和显示器件，就可以完成模拟到数字量的转换，从而满足设计要求。显示稳定可读和测量反应速度快，是本设计的关键。ICL7107的一个周期为用4000个计数脉冲时间作为A／D转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反积分（DＥ）3个阶段。内部逻辑控制电路不断地重复产生AZ、INT、DＥ3个阶段的控制信号，适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作，使输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数数值T，即：

VIN的数值＝T的数值

式中：1000为积分时间（1000个脉冲周期）；

T为反积分时间（满度时为2000）。

芯片的外部元件参数设定及电路如图2所示。

图2  ICL7107电路连接图

3．2、待测电压转换模块

待测电压作为电压表的测量对象，必须满足下一级电路的输入要求，设计要求为0￣1999V，而A／D转换器的满度值为200ｍV，故本模块相当重要。电路如图3所示。该分压电路保证了输给A／D的值VIN＜200ｍV。3．3模拟电压通道模块。

该模块的主要作用是将分压后的待测电压输送给A／D，能根据不同待测电压选择最适当的分压值档位，采用模拟开关作为选通通道，其体积小，工作稳定，开关通道较多。

3．4、超、欠量程识别模块

ICL7107设计有超、欠量程的功能，当超量程时，A／D转换器呈溢出状态，这时最高位显示为1，其他低位不显示，取出次高位的ｂ、H两位若都为高电平即表示超量程；当欠量程时，最高位和次高位显示的数为0。最高位Aｂｋ为1时，该位不显示；百位数为零时显示0。分析笔段状态可知，只要取出Aｂｋ和百位的ｅ、ｇ段就可以判断为欠量程了。将超量程和欠量程信号合为一个信号，当有两情况之一，则将量程选用大一级量程，如此循环直至切换到适当量程。若以Y1表示超量程，则Y1＝ｂH×ｇH，以Y2表示欠量程，则Y2＝Aｂｋ×ｇH×ｅH，故超欠量程输出表示为：

Y＝Y1＋Y2＝ｂH×ｇH＋Aｂｋ×ｇH×ｅH

电路如图4所示，电压比较器的作用是让其转变成标准的高低电平，且用比较器Ｕ2C实现对ｅH取反则：

综上可知，当有超欠量程情况时，Y输出为“0”。

由于数码管为共阳型，有效时为“0”，无效时为“1”，有效时电压约为0．7V，则比较器的阈值电压VT为0．7V，在此选用12ｋ和33ｋ电阻分压，约为0．73V。

3．5、自动切换量程及小数点显示驱动模块

该模块的设计思路是根据A／D的超量程和欠量程信号控制计数器计数来控制模拟电压通道的选通。由超、欠量程信号控制555构成的多谐振荡器的工作，在超量程或者是欠量程时，555向计数器发送CＰ计数脉冲，计数器设为五进制计数器，控制着5个档位的循环切换，自动切换量程框图如图5所示。

图5中通过了3－8译码器控制模拟开关来切换不同的量程，而在该设计中选用了集模拟开关与译码器于一体的模拟开关集成芯片CD4051。

采用该方案的关键即为该模块的时序控制，图6为自动切换量程的时序图，其中T为采样周期，T1为555的4脚使能后充电电容从0V充到2／3VCC时所需要的时间，T2为从A／D采样到显示数据所需要的时间。假设量程开始为第1档，所加电压大于200V，则有如图6所示量程切换情况。

5、结束语

本设计采用了自关键部件开始设计的方法，首先确定ICL7107器件，然后再确定其他的辅助模块。整个设计过程中，在完成要求的同时力求硬件电路的简单、稳定。通过制板工艺做成PCB板和实际电路板，并且经过测试，得到良好的效果。