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&TImes;ｇH，以Y2表示欠量程，则Y2＝Aｂｋ&TImes;ｇH&TImes;ｅH，故超欠量程输出表示为：

Y＝Y1＋Y2＝ｂH&TImes;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”。