一款3位半直流数字电压电流表的设计与制作

汤德荣，刘苏英

（安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241000）

一款3位半直流数字电压电流表的设计与制作

汤德荣，刘苏英

（安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241000）

本文所阐述的3位半直流数字电压电流表表头单独设计，主芯片使用ICL7107，其他部分采用分压分流电阻及直键开关的巧妙组合实现.采用纯硬件电路设计，具有性能稳定、测量准确、使用方便等优点，是很多实验实训装置所普遍选用的一款电压电流表.

表头；直键；电压电流表

直流数字电压电流表是一位电子爱好者学习和工作所必须使用的工具之一，也是很多教学仪器上所必须加载的仪表之一.因而要求它一定要性能稳定、测量准确、使用方便.本款直流数字电压电流表就具备这些特点，它在我院使用中每年要面对成百上千的学生，使用9年，一次不坏，仍然精确.可见这款数字电压电流表的设计有多么的成熟、完美.

该3位半直流数字电压电流表主要有表头、主电路和电源电路三部分组成.表头部分主要由A/D转换器ICL7107进行A/D转换，用4位共阳极数码管进行显示.主电路部分主要由高精度的固定电阻和微调电阻来进行分压分流，并负责测量电流时把电流转换为电压，电压电流切换和量程切换由直键开关来控制.电源主要由变压器变压、二极管整流、电容滤波和三端稳压器稳压四部分组成.整个电路设计严谨，容易制作.

1 电路原理分析

1.1 表头电路

表头电路原理如图1所示.ICL7107是一块双积分型A/D转换器，能直接驱动共阳极数码管显示器，通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示，应用非常广泛.

ICL7107最大显示值为±1999，最小分辨率为0.1mV.采用士5V双电源供电.第36、35脚为基准电压（Uref），通常有100mV和1V/0.8V两种基准，对100mV基准：R1=11.3 KΩ，R2=953Ω，R3=47KΩ，W1=100Ω，C1=0.47μF，对1V/ 0.8V基准：R1=3.6KΩ/10KΩ，R2=19.1KΩ，R3=470KΩ，W1=2KΩ，对1V/0.8V基准：R1=3.6KΩ/10KΩ，R2=19.1 KΩ，R3=470KΩ，W1=2KΩ，C1=0.047μF，图中稳压管使用LM385，稳压值为1.25V；第31、30脚为待转换的模拟电压（Uin），要求在直流2V以下；第37脚为测试端，当其短接到V+时，表头显示‘—1888’，可用于对线路及数码管好坏的检查；第27、28、29脚分别接数值为0.22μF、47KΩ、 0.47μF的阻容元件构成阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容.第33、34脚接0.1μF基准电容，该电容也不能使用磁片电容.第38、39、40是芯片时钟振荡器的引出端，外接阻容元件构成振荡器，第38脚至第40脚电容量的选择可根据公式Fosl=0.45/RC来确定，该电容也不能使用磁片电容，本电路选择R=110KΩ，C=100pF,若此处不正常，表头会显示‘1666’.这部分电路中的基准电容（Cref）、积分网络所用电（CINT）在满足电容值的前提下要求不漏电，此处电容不好通常表现为显示线性不好（CINT）或跳字.

图1 3位半数字电压表头电路原理图

转换结果显示数值为（Uin/Uref）*1000，其中最高位负责千位的显示，只能显示0和1两位数字，其余三位都能从0显示到9.它们对应的笔画可直接接ICL7107对应输出引脚上，公共端阳极经30Ω限流电阻接+5V电源上.芯片不驱动小数点，常将三个小数点对应的发光二极管负极（数码管h段）和公共端（430Ω电阻一端）引出做成插座，点亮小数点则只需将公共端与某一个小数点对应的发光二极管负极短接即可点亮.具体小数点切换电路在直流数字电压电流表电路中，主要靠开关控制.

1.2 电压电流板主板电路

电压电流表主板电路如图2所示.

图2 直流数字电压电流表主板电路原理图

图2中电源部分主要产生两路电源：一路是±5V电源，为整个电压电流表电路供电；一路是+5V电源，为表头电路供电，这一路电源虽然放在电压电流表电路中，却跟整个电压电流表电路没有关系，只是为表头供电.所以在接线时，千万不能把两路电源的“地”端GND1和GND2直接连在一起.

图2中电压部分和电流部分主要采用电阻和电位器组成分压电路，再结合一些开关进行电压表和电流表的量程扩展和选择.

图2中控制部分主要是利用直键开关进行电压和电流之间的切换及不同量程的切换.

主要包括直键开关、集成运放ICL7650、继电器、二极管和一些阻容元件.其中ICL7650是第四代斩波稳零运放，当测量电流且选择2mA量程时，继电器线圈得电，常开开关闭合，ICL7650的反相输入端接通电路中的A点，可以通过调节A点电位的高低，使测量更准确.其他时候ICL7650的反相输入端悬空，运放作为跟随器用.二级管VD9主要起保护作用，发光二极管D1和D2分别是测量电压和电流的指示灯，当直键K1弹起，测量电压，D1亮，当直键K1被按下，测量电流，D2亮.

另外图中还有七个插座，其中J3接电源变压器，J4是±5V直流电源输出端，J5是+5V直流电源输出端，J2有表头电源引出端、运放输出端（接表头输入）、3个小数点端和1个小数点公共端8个端子，用排线接表头电路上对应的插座J8，J1是电压电流输入端，引出接被测电压和电流，J6 是电压电流表主板电路部分电源，在±5V直流电源调试好之后，用排线把J6和J4连接起来，J7表头电源插座，在+5V直流电源调试好之后，用排线把J7和J5连接起来.

2 电路制作

2.13 位半数字电压表头的装配与调试（按照测量＝± 199.9mV来说明）

(1)确保ICL7107芯片没有装反，各元件没有装错.

(2)测量时注意接地引脚：芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚.

(3)测量关键点电压：芯片第1脚是正电源引脚，正确电压是5V.第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负值.第36脚是基准电压，正确数值是100mV.

(4)将第37脚短接到V+，看表头是否显示‘—1888’，检查线路及数码管的好坏.

(5)如果表头只显示‘1666’，检查第38、39、40脚上的振荡元件.

(6)芯片的第31引脚是信号输入引脚，可以输入± 199.9mV的电压.在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试.

(7)如果电路连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了.调出非常准确的50mV,100mV,190mV三个电压，依次输入到ICL7107的第31脚和30脚之间，数码管应显示50.0,100.0, 190.0，允许有2－3个字的误差.如果差别太大，可以微调一下36脚的电压.

(8)检查比例读数：把31脚与36脚短接，数码管应显示100.0，通常在99.7－100.3之间，越接近100.0越好.

2.2 直流数字电压电流表主板电路的装配与调试

(1)装调电源电路.

(2)装配其他部分电路，完毕后用万用表初步检查电路通断，尤其是直键开关的通断.

2.3 综合调试

将主板电路和表头电路对接起来，尤其注意连接排线不能接反.调出多组电压值，使其分布在电压表的四个量程中，检查调试电压表电路；调出多组电流值，使其分布在电流表的四个量程中，检查调试电流表电路.在每次测量时，用数字万用表同步测量一遍，把自制电压电流表测量结果和数字万用表测量结果进行比较，看结果是否相同.

至此，一块3位半直流数字电压电流表就制作完成了，该表表头使用ICL7107芯片，单独设计，其他部分采用分压分流电阻及直键开关的巧妙组合实现，采用纯硬件电路设计.具有多重保护电路，按200mV/2mA、2V/20mA、20V/200 mA、200V/2A分档，测量准确度高，性能稳定、使用方便，应用及其广泛.

〔1〕刘苏英.数字电子技术基础.北京：机械工业出版社，2013.

TM933.22

A

1673-260X（2014）03-0070-02