基于ICL7135 的試驗測試用4-1/2 位數字電壓表1/2 位消隱功能的實現

牟浩文，全鑫，秦曉猛，周小東

（天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300450）

引言

可靠性試驗和環境試驗中，需要對被試品開展各種性能測試，常需要用到各種數字儀表。數字電壓表是諸多數字化儀表的核心與基礎。電壓表的數字化是將連續的模擬量如直流電壓轉換成不連續的離散的數字形式并加以顯示，這有別于傳統的以指針加刻度盤進行讀數的方法，避免了讀數的視差和視覺疲勞。目前數字萬用表的內部核心部件是A /D 轉換器，轉換器的精度很大程度上影響著數字萬用表的準確度，本文A /D 轉換器采用ICL7135 芯片，CMOS 雙積分型A/D 轉換器，可以直接接入譯碼器、數字顯示器等組成一個數字電壓表電路。

在4-1/2 位數字電壓表中，首位只顯示電壓正負符號和數字1，當電壓小于1V 時則不顯示，這就是數字電壓表的首位消隱——當電壓小于1V 時隱去首1/2 位。當電路由單片機控制時可以通過單片機程序輕松實現消隱。但是當直接使用ICL7135 芯片設計數字電壓表電路時，首位消隱的問題就變得突出了，需考慮新的途徑來實現電壓表的首位消隱，以保證電壓表的功能實現。

1 雙積分型A/D 轉換芯片ICL7135

ICL7135 是4 位半雙斜積分式A／D 轉換器，具有LCD/LED 及微處理器解碼、驅動的接口電路。ICL7135具有價格低、精度高（相當于14 位A/D 轉換）的優點。

ICL7135 芯片的主要特點有：

1）輸入阻抗高達109以上，對北側電路幾乎沒有影響；

2）內部電路在每次A/D 轉換前均會自動進行調零操作；

3）有精確的差分輸入電路；

4）自動判別信號極性；

5） 有超壓（OVER RANGE）、 欠壓（UNDER RANGE）輸出信號，可以將該輸出信號當做自動控制信號來進行量程轉換；

6）采用位掃描與BCD 碼輸出；

7）在±20 000 字（2 V 滿量程）范圍內，轉換精度±1 字；

8）輸出電流典型值1PA，輸出為動態掃描BCD 碼；

9）功耗：1 000 mW（MAX）。

ICL7135 時序圖如圖1 所示。ICL7135 為DIP28 封裝，芯片引腳圖如圖2 所示，引腳功能說明如表1 所示。

表1 ICL7135 芯片引腳說明

圖1 ICL7135 時序圖

圖2 ICL7135 芯片引腳圖

2 數字電壓表的設計思路和原理圖

實現數字電壓表電路，如今比較常用的是A/D 芯片與單片機相聯，利用單片機的控制來實現模擬信號向數字信號的轉換和數字顯示，這樣的設計優點是電路設計和元器件的使用相對簡單，且易有更多的功能擴展。而本設計中數字電壓表電路的功能實現不使用單片機，利用ICL7135 芯片本身的雙積分和自動清零功能來實現數字轉換，以及數字電壓的顯示控制。

設計思路：數字電壓表由模擬信號采集、A/D 轉換、數字信號輸出顯示、譯碼顯示驅動、電源、時鐘等幾大功能模塊構成，以ICL7135 芯片為核心實現模擬電壓信號的數字轉換，芯片的模擬電路部分正電壓通過+5 V 直流電源供電，時鐘通過555 定時器提供，利用電阻電容電位器和整流管的組合實現參考電壓的提供。模擬信號采集采用電容電阻的組合實現對被測模擬電壓信號的濾波整流。數字信號輸出顯示模塊，采用CD4511 實現譯碼和驅動數碼管顯示，CD4511 是CMOS BCD 鎖存/7 段譯碼/驅動器，其主要功能包括七段譯碼功能、BCD 轉換、消隱控制、鎖存控制、驅動功能等，由于CD4511 拉電流較大，因此可以直接驅動數碼管顯示，采用七路達林頓驅動器陣列MC1413 實現對數碼管的驅動顯示，數碼管采用0.3 英寸供陰極數碼管，同時也加入了小數點選擇器電路。基本功能實現對（-2 ~ +2）V 之間直流電壓的測量，并進行數字顯示。

依據此設計思路的數字電壓表的功能框圖如圖3 所示。

圖3 數字電壓表功能框圖

根據此設計思路繪制出數字電壓表的電路原理圖，原理圖如圖4 所示。

圖4 數字電壓表功能框圖

3 消隱問題的提出及解決方案

3.1 首位消隱問題的提出

在上面設計的電路原理圖中，我們可以看到，首字段是由D5 位選通信號控制的。當D5 位選擇信號為高電平時，提供的信號會觸發首字段數碼管顯示數據；而D5端為低電平時，則首字段數碼管不顯示。因為本數碼管顯示采用動態顯示，故在此設計的情況下，初始狀態時首字段將一直保持點亮，這將導致設計電路無法準確實現電壓的測量和數字顯示。這就提出了關于此電路的測試電路設計的問題。

在目前使用比較普遍的數字電壓表設計電路中，一般通過與芯片相連的單片機的程序控制來實現消隱。而與本電路類似的電路無法采用，只能通過利用本身電路中的CD4511 芯片消隱功能端來實現。目前的很多類似電路雖然也提到了消隱的問題，但是所設計的消隱電路都是錯的，無法實現功能。本文就對電路消隱的問題展開專門的設計研究，已解決此類電路中首1/2 位消隱的問題。

3.2 消隱的解決方案

經分析，電壓表對消隱的功能需求如下：初始狀態下，需要電壓表只顯示后四位的零，首位消隱；當測試電壓為（0~1）V 時，首位消隱；當測試電壓大于1 V 時正常顯示。由電路的特點可知，首位由數碼管a、b、g字段控制。經分析會發現首位的顯示與ICL7135 芯片的8421 碼以及位選擇信號D5 有關。為實現預期的消隱功能，還需要利用到CD4511 芯片的消隱端。綜合分析這三方面的關系之后，會發現一個介于D5、B1 和CD4511 芯片端的數字邏輯關系。總結其關系如表2 所示。

表2 消隱模塊的輸入輸出邏輯關系真值表

這是一個復合邏輯，需要通過設計一個復合邏輯電路來實現所需的首位消隱功能。

利用相互關系，設計數字電壓表電路的消隱電路，采用一個非門、一個與門和一個或門電路的組合就能保證消隱電路的設計實現。改進設計之后的數字電壓表電路如圖5 所示。

圖5 改進設計加入消隱電路的數字電壓表電路原理圖

4 結束語

本文基于對4-1/2 數字電壓表設計實現的研究，進一步探討了電路的消隱功能的設計和實現。通過分析過程可以看到，數字電壓表的消隱對于其正常測試電壓的功能實現非常重要，它將決定著數字電壓表能否正確地測量數字電壓。當電路中沒有單片機時，如何實現電路1/2 位的消隱？通過本文的探討，提供了一種有效的解決方案，復合邏輯門電路很好地解決了消隱問題，在為可靠性試驗的性能測試設計數字電壓表中具有很好的參考使用價值。