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。

关键词：数字电压表；132位；A/D转换；液晶显示Design of a Digital VoltmeterLiu YingElectronic information science and technology No: 040524097Tutor: Xiong Zhong-chaoAbstract:Digital voltmeter（DVM）is the core and fundamental of many digital meters. The digital meters derive from DVM almost covers all the measuring fields. This design employs the CMOS large scale integrated circuit CC7106 as the A/D converter of the DVM, thus it is a dual-integrating direct current DVM. This DVM utilizes liquid crystal display, besides advantages of accuracy and direct readings, high speed measurement, high impedance, a vast measuring range, it also has the function of readings hold. The characteristics of this design are low cost, simple, small size, high security.Key words: DVM;132bit; ADC; LCD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)3.4.1132位液晶显示器 (12)3.4.2 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。

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x V 进行定时积分，然后对基准电压REF V 进行定值积分。

通过两次积分比较，将x V 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 ）(b) 图（2）两次积分的过程如下：1）对被测电压定时积分设t=1t 时，开关1S 接通被测电压—x V ，积分器1A 对—x V 进行正向积分其输出电压O V 线性上升，一旦O V ≥0，则过零比较器2A 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1T 或达到计数器预置的数1N 后，在计数器溢出（即t=2t ）时，产生溢出脉冲，该溢出脉冲通过逻辑控制电路使开关1S 接通基准电压REF V ，则定时积分阶段结束。

定时积分结束时积分器的输出电压211101t x x OM x t V V N V V dt T RC RC RC f -=-==⎰ （1） 式中，0f 为计数脉冲的频率，1N 为计数器的预置数。

2）对基准电压定值积分设t=2t 时，开关1S 接通基准电压REF V 。

积分器2A 对REF V 做反向积分，其输出电压O V 线性下降。

当O V 下降到O V ≤0（即t=3t ）时，过零比较器2A 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2S 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3221t REF O OM REF OM t V V V V dt V T RC RC -⎡⎤=+=-⎢⎥⎣⎦⎰ （2） 式中，2T 为定值积分的时间，可以通过计数器累计的时钟脉冲2N 来计算，即2T =2N /o f （3）将其代入式（2）得2REF OM V V T RC=（4） 由式（1）和式（4）得2211REF x REF T V V V N T N == （5） 可见，只要适当选择REF V /1N 的比值，被测电压x V 的值就可直接以计数值2N 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；a 1～g1、a 2～g2、a 3～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；REF V +、REF V -为基准电压输入端；REF C 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。

DD V 、EE V 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。

1OSC ～3OSC 为时钟振荡器的引出端，主振频率OSC f 由外接11R C 的值决定，即O S C f =0.45/11R C （6）CC7106计数器的时钟脉冲CP f 是主振频率OSC f 经4分频得到的，由式（6）可得11110.4544CP OSC f f R C == （7） 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/CP f =4N/OSC f （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1R ～5R 组成的电阻衰减网络及开关1S 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1234510i R R R R R R M =++++=Ω。

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。