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(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)中，需要對(duì)被試品開(kāi)展各種性能測(cè)試，常需要用到各種數(shù)字儀表。數(shù)字電壓表是諸多數(shù)字化儀表的核心與基礎(chǔ)。電壓表的數(shù)字化是將連續(xù)的模擬量如直流電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的離散的數(shù)字形式并加以顯示，這有別于傳統(tǒng)的以指針加刻度盤進(jìn)行讀數(shù)的方法，避免了讀數(shù)的視差和視覺(jué)疲勞。目前數(shù)字萬(wàn)用表的內(nèi)部核心部件是A /D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的精度很大程度上影響著數(shù)字萬(wàn)用表的準(zhǔn)確度，本文A /D 轉(zhuǎn)換器采用ICL7135 芯片，CMOS 雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換器，可以直接接入譯碼器、數(shù)字顯示器等組成一個(gè)數(shù)字電壓表電路。

在4-1/2 位數(shù)字電壓表中，首位只顯示電壓正負(fù)符號(hào)和數(shù)字1，當(dāng)電壓小于1V 時(shí)則不顯示，這就是數(shù)字電壓表的首位消隱——當(dāng)電壓小于1V 時(shí)隱去首1/2 位。當(dāng)電路由單片機(jī)控制時(shí)可以通過(guò)單片機(jī)程序輕松實(shí)現(xiàn)消隱。但是當(dāng)直接使用ICL7135 芯片設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表電路時(shí)，首位消隱的問(wèn)題就變得突出了，需考慮新的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓表的首位消隱，以保證電壓表的功能實(shí)現(xiàn)。

1 雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換芯片ICL7135

ICL7135 是4 位半雙斜積分式A／D 轉(zhuǎn)換器，具有LCD/LED 及微處理器解碼、驅(qū)動(dòng)的接口電路。ICL7135具有價(jià)格低、精度高（相當(dāng)于14 位A/D 轉(zhuǎn)換）的優(yōu)點(diǎn)。

ICL7135 芯片的主要特點(diǎn)有：

1）輸入阻抗高達(dá)109以上，對(duì)北側(cè)電路幾乎沒(méi)有影響；

2）內(nèi)部電路在每次A/D 轉(zhuǎn)換前均會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零操作；

3）有精確的差分輸入電路；

4）自動(dòng)判別信號(hào)極性；

5） 有超壓（OVER RANGE）、 欠壓（UNDER RANGE）輸出信號(hào)，可以將該輸出信號(hào)當(dāng)做自動(dòng)控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行量程轉(zhuǎn)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(nèi)，轉(zhuǎn)換精度±1 字；

8）輸出電流典型值1PA，輸出為動(dòng)態(tài)掃描BCD 碼；

9）功耗：1 000 mW（MAX）。

ICL7135 時(shí)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(shuō)明如表1 所示。

表1 ICL7135 芯片引腳說(shuō)明

圖1 ICL7135 時(shí)序圖

圖2 ICL7135 芯片引腳圖

2 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)思路和原理圖

實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表電路，如今比較常用的是A/D 芯片與單片機(jī)相聯(lián)，利用單片機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換和數(shù)字顯示，這樣的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)和元器件的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，且易有更多的功能擴(kuò)展。而本設(shè)計(jì)中數(shù)字電壓表電路的功能實(shí)現(xiàn)不使用單片機(jī)，利用ICL7135 芯片本身的雙積分和自動(dòng)清零功能來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)換，以及數(shù)字電壓的顯示控制。

設(shè)計(jì)思路：數(shù)字電壓表由模擬信號(hào)采集、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)輸出顯示、譯碼顯示驅(qū)動(dòng)、電源、時(shí)鐘等幾大功能模塊構(gòu)成，以ICL7135 芯片為核心實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換，芯片的模擬電路部分正電壓通過(guò)+5 V 直流電源供電，時(shí)鐘通過(guò)555 定時(shí)器提供，利用電阻電容電位器和整流管的組合實(shí)現(xiàn)參考電壓的提供。模擬信號(hào)采集采用電容電阻的組合實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)模擬電壓信號(hào)的濾波整流。數(shù)字信號(hào)輸出顯示模塊，采用CD4511 實(shí)現(xiàn)譯碼和驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，CD4511 是CMOS BCD 鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，其主要功能包括七段譯碼功能、BCD 轉(zhuǎn)換、消隱控制、鎖存控制、驅(qū)動(dòng)功能等，由于CD4511 拉電流較大，因此可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，采用七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列MC1413 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示，數(shù)碼管采用0.3 英寸供陰極數(shù)碼管，同時(shí)也加入了小數(shù)點(diǎn)選擇器電路?；竟δ軐?shí)現(xiàn)對(duì)（-2 ~ +2）V 之間直流電壓的測(cè)量，并進(jìn)行數(shù)字顯示。

依據(jù)此設(shè)計(jì)思路的數(shù)字電壓表的功能框圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)字電壓表功能框圖

根據(jù)此設(shè)計(jì)思路繪制出數(shù)字電壓表的電路原理圖，原理圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)字電壓表功能框圖

3 消隱問(wèn)題的提出及解決方案

3.1 首位消隱問(wèn)題的提出

在上面設(shè)計(jì)的電路原理圖中，我們可以看到，首字段是由D5 位選通信號(hào)控制的。當(dāng)D5 位選擇信號(hào)為高電平時(shí)，提供的信號(hào)會(huì)觸發(fā)首字段數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)；而D5端為低電平時(shí)，則首字段數(shù)碼管不顯示。因?yàn)楸緮?shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)顯示，故在此設(shè)計(jì)的情況下，初始狀態(tài)時(shí)首字段將一直保持點(diǎn)亮，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)電路無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量和數(shù)字顯示。這就提出了關(guān)于此電路的測(cè)試電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

在目前使用比較普遍的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)電路中，一般通過(guò)與芯片相連的單片機(jī)的程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)消隱。而與本電路類似的電路無(wú)法采用，只能通過(guò)利用本身電路中的CD4511 芯片消隱功能端來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前的很多類似電路雖然也提到了消隱的問(wèn)題，但是所設(shè)計(jì)的消隱電路都是錯(cuò)的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能。本文就對(duì)電路消隱的問(wèn)題展開(kāi)專門的設(shè)計(jì)研究，已解決此類電路中首1/2 位消隱的問(wèn)題。

3.2 消隱的解決方案

經(jīng)分析，電壓表對(duì)消隱的功能需求如下：初始狀態(tài)下，需要電壓表只顯示后四位的零，首位消隱；當(dāng)測(cè)試電壓為（0~1）V 時(shí)，首位消隱；當(dāng)測(cè)試電壓大于1 V 時(shí)正常顯示。由電路的特點(diǎn)可知，首位由數(shù)碼管a、b、g字段控制。經(jīng)分析會(huì)發(fā)現(xiàn)首位的顯示與ICL7135 芯片的8421 碼以及位選擇信號(hào)D5 有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)預(yù)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(guān)系之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)介于D5、B1 和CD4511 芯片端的數(shù)字邏輯關(guān)系?？偨Y(jié)其關(guān)系如表2 所示。

表2 消隱模塊的輸入輸出邏輯關(guān)系真值表

這是一個(gè)復(fù)合邏輯，需要通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)合邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的首位消隱功能。

利用相互關(guān)系，設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表電路的消隱電路，采用一個(gè)非門、一個(gè)與門和一個(gè)或門電路的組合就能保證消隱電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)設(shè)計(jì)之后的數(shù)字電壓表電路如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)設(shè)計(jì)加入消隱電路的數(shù)字電壓表電路原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于對(duì)4-1/2 數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的研究，進(jìn)一步探討了電路的消隱功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。通過(guò)分析過(guò)程可以看到，數(shù)字電壓表的消隱對(duì)于其正常測(cè)試電壓的功能實(shí)現(xiàn)非常重要，它將決定著數(shù)字電壓表能否正確地測(cè)量數(shù)字電壓。當(dāng)電路中沒(méi)有單片機(jī)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)電路1/2 位的消隱？通過(guò)本文的探討，提供了一種有效的解決方案，復(fù)合邏輯門電路很好地解決了消隱問(wèn)題，在為可靠性試驗(yàn)的性能測(cè)試設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表中具有很好的參考使用價(jià)值。