一款3位半直流數字電壓電流表的設計與制作

湯德榮，劉蘇英

（安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖 241000）

一款3位半直流數字電壓電流表的設計與制作

湯德榮，劉蘇英

（安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖 241000）

本文所闡述的3位半直流數字電壓電流表表頭單獨設計，主芯片使用ICL7107，其他部分采用分壓分流電阻及直鍵開關的巧妙組合實現.采用純硬件電路設計，具有性能穩定、測量準確、使用方便等優點，是很多實驗實訓裝置所普遍選用的一款電壓電流表.

表頭；直鍵；電壓電流表

直流數字電壓電流表是一位電子愛好者學習和工作所必須使用的工具之一，也是很多教學儀器上所必須加載的儀表之一.因而要求它一定要性能穩定、測量準確、使用方便.本款直流數字電壓電流表就具備這些特點，它在我院使用中每年要面對成百上千的學生，使用9年，一次不壞，仍然精確.可見這款數字電壓電流表的設計有多么的成熟、完美.

該3位半直流數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轉換器ICL7107進行A/D轉換，用4位共陽極數碼管進行顯示.主電路部分主要由高精度的固定電阻和微調電阻來進行分壓分流，并負責測量電流時把電流轉換為電壓，電壓電流切換和量程切換由直鍵開關來控制.電源主要由變壓器變壓、二極管整流、電容濾波和三端穩壓器穩壓四部分組成.整個電路設計嚴謹，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轉換器，能直接驅動共陽極數碼管顯示器，通過內部的模擬開關實現自動調零和自動極性顯示，應用非常廣泛.

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腳為基準電壓（Uref），通常有100mV和1V/0.8V兩種基準，對100mV基準：R1=11.3 KΩ，R2=953Ω，R3=47KΩ，W1=100Ω，C1=0.47μF，對1V/ 0.8V基準：R1=3.6KΩ/10KΩ，R2=19.1KΩ，R3=470KΩ，W1=2KΩ，對1V/0.8V基準：R1=3.6KΩ/10KΩ，R2=19.1 KΩ，R3=470KΩ，W1=2KΩ，C1=0.047μF，圖中穩壓管使用LM385，穩壓值為1.25V；第31、30腳為待轉換的模擬電壓（Uin），要求在直流2V以下；第37腳為測試端，當其短接到V+時，表頭顯示‘—1888’，可用于對線路及數碼管好壞的檢查；第27、28、29腳分別接數值為0.22μF、47KΩ、 0.47μF的阻容元件構成阻容網絡，這三個元件屬于芯片工作的積分網絡，不能使用磁片電容.第33、34腳接0.1μF基準電容，該電容也不能使用磁片電容.第38、39、40是芯片時鐘振蕩器的引出端，外接阻容元件構成振蕩器，第38腳至第40腳電容量的選擇可根據公式Fosl=0.45/RC來確定，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，表頭會顯示‘1666’.這部分電路中的基準電容（Cref）、積分網絡所用電（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為顯示線性不好（CINT）或跳字.

圖1 3位半數字電壓表頭電路原理圖

轉換結果顯示數值為（Uin/Uref）*1000，其中最高位負責千位的顯示，只能顯示0和1兩位數字，其余三位都能從0顯示到9.它們對應的筆畫可直接接ICL7107對應輸出引腳上，公共端陽極經30Ω限流電阻接+5V電源上.芯片不驅動小數點，常將三個小數點對應的發光二極管負極（數碼管h段）和公共端（430Ω電阻一端）引出做成插座，點亮小數點則只需將公共端與某一個小數點對應的發光二極管負極短接即可點亮.具體小數點切換電路在直流數字電壓電流表電路中，主要靠開關控制.

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 直流數字電壓電流表主板電路原理圖

圖2中電源部分主要產生兩路電源：一路是±5V電源，為整個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，卻跟整個電壓電流表電路沒有關系，只是為表頭供電.所以在接線時，千萬不能把兩路電源的“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，再結合一些開關進行電壓表和電流表的量程擴展和選擇.

圖2中控制部分主要是利用直鍵開關進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、集成運放ICL7650、繼電器、二極管和一些阻容元件.其中ICL7650是第四代斬波穩零運放，當測量電流且選擇2mA量程時，繼電器線圈得電，常開開關閉合，ICL7650的反相輸入端接通電路中的A點，可以通過調節A點電位的高低，使測量更準確.其他時候ICL7650的反相輸入端懸空，運放作為跟隨器用.二級管VD9主要起保護作用，發光二極管D1和D2分別是測量電壓和電流的指示燈，當直鍵K1彈起，測量電壓，D1亮，當直鍵K1被按下，測量電流，D2亮.

另外圖中還有七個插座，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、運放輸出端（接表頭輸入）、3個小數點端和1個小數點公共端8個端子，用排線接表頭電路上對應的插座J8，J1是電壓電流輸入端，引出接被測電壓和電流，J6 是電壓電流表主板電路部分電源，在±5V直流電源調試好之后，用排線把J6和J4連接起來，J7表頭電源插座，在+5V直流電源調試好之后，用排線把J7和J5連接起來.

2 電路制作

2.13 位半數字電壓表頭的裝配與調試（按照測量＝± 199.9mV來說明）

(1)確保ICL7107芯片沒有裝反，各元件沒有裝錯.

(2)測量時注意接地引腳：芯片的電源地是21腳，模擬地是32腳，信號地是30腳，基準地是35腳.

(3)測量關鍵點電壓：芯片第1腳是正電源引腳，正確電壓是5V.第26引腳是負電源引腳，正確電壓數值是負值.第36腳是基準電壓，正確數值是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”信號輸入，以方便測試.

(7)如果電路連接和電壓數值都是正常的，也沒有“短路”或者“開路”故障，那么，電路就應該可以正常工作了.調出非常準確的50mV,100mV,190mV三個電壓，依次輸入到ICL7107的第31腳和30腳之間，數碼管應顯示50.0,100.0, 190.0，允許有2－3個字的誤差.如果差別太大，可以微調一下36腳的電壓.

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

2.2 直流數字電壓電流表主板電路的裝配與調試

(1)裝調電源電路.

(2)裝配其他部分電路，完畢后用萬用表初步檢查電路通斷，尤其是直鍵開關的通斷.

2.3 綜合調試

將主板電路和表頭電路對接起來，尤其注意連接排線不能接反.調出多組電壓值，使其分布在電壓表的四個量程中，檢查調試電壓表電路；調出多組電流值，使其分布在電流表的四個量程中，檢查調試電流表電路.在每次測量時，用數字萬用表同步測量一遍，把自制電壓電流表測量結果和數字萬用表測量結果進行比較，看結果是否相同.

至此，一塊3位半直流數字電壓電流表就制作完成了，該表表頭使用ICL7107芯片，單獨設計，其他部分采用分壓分流電阻及直鍵開關的巧妙組合實現，采用純硬件電路設計.具有多重保護電路，按200mV/2mA、2V/20mA、20V/200 mA、200V/2A分檔，測量準確度高，性能穩定、使用方便，應用及其廣泛.

〔1〕劉蘇英.數字電子技術基礎.北京：機械工業出版社，2013.

TM933.22

A

1673-260X（2014）03-0070-02