简易综合测试仪设计与总结报告姓名：崔恒明 宋杰 徐璠指导教员：周长林摘要本设计基于集成电路技术，提出组成简易综合测试仪的各部分功能——数字稳压源，数字电压表，信号发生器，数字频率计的实现方法及所选器件：电源部分采用LM317和LM337分别提供±5V直流电源，采用LM317提供1.25V——10V连续可调直流电源。数字电压表部分采用DH7107GP和共阳极数码管分别完成测量和显示功能。信号发生器部分采用ICL8038完成。数字频率计部分采用ICM7216D完成。关键词集成稳压技术， ICL7107, ICL8038, ICM7216D目录1. 系统设计…………………………….1.1设计要求………………………….........1.2总体设计方案……………………...........1.2.1设计思路……………………………...1.2.2方案论证与比较………………………...1.2.3系统组成………………………………2. 单元电路设计………………………..2.1稳压电源的设计………………………….2.2数字电压表的设计………………………..2.3信号发生器的设计………………………..2.4数字频率计的设计………………………..3. 系统测试……………………………..3.1测试使用的仪器………………………….3.2指标测试和测试结果………………………3.2.1输出电压测试和文波测试…………………3.2.2数字电压表测试…………………………3.2.3信号发生器测试…………………………4. 结束语………………………………...5. 参考文献……………………………...1.系统设计1.1设计要求 此简易综合测试仪要求具有稳压源、电压表、信号发生器、数字频率计的主要功能。⑴稳压电源 ①具有±5V固定输出，1.25V~10V连续可调输出。 ②具有通电工作指示。 ③Iomax≥500mA，文波电压△Vopp≤5mV。⑵数字电压表 ①电压测量范围0V~19.99V。 ②能够显示正负极性及小数点。 ③误差范围±3%+2个字。⑶信号发生器 ①能够输出正弦波、矩形波、三角波。 ②输出频率范围20Hz~100KHz, 频率误差±0.1%。 ③输出电压VPP=2V，输出阻抗为600欧姆。⑷数字频率计 ①测量范围1Hz~10KHz~100KHz~1MHz。⑸整机消耗功率≤10W1.2系统设计方案1.2.1设计思路： 整个系统分为稳压电源、数字电压表、信号发生器、数字频率计四部分，各部分分别独立设计完成，然后系统连调。各部分电路均尽量采用中、大规模集成电路。1.2.2方案论证与比较⑴稳压电源 直流稳压电源关系到整个电路的稳定性和可靠性，故电路的简洁和稳定性是设计考虑的重要指标。其原理如下图：方案一：采用分立元件组成的串联反馈调整型稳压技术，该方案主要由各个分立器件组成，其参数较难准确设置，故不采用该方案。方案二：采用集成稳压技术：利用集成稳压块LM317和LM337或LM7805和LM7805组成稳压电路。该方案结构简单，只需外接少量的电阻，电容即可，调试方便是本次设计理想的方案。方案三：采用开关稳压技术：该方案稳压性能较好，但结构复杂，故本次设计不与考虑。⑵数字电压表 数字电压表的基本组成如下图所示： 它主要由模拟电路和数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器、和基准电源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器将输入的模拟量转换成数字量，逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成笔段码，*后驱动显示器显示相应的数值。 A/D转换器是数字电压表的核心部件，对它的选择有以下两种方案。 方案一：采用双积分A/D转换器MC14433，它有多路调制的BCD码输出端和超量程输出端，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。但芯片只能完成A/D转换功能，要实现显示功能还需配合其它驱动芯片等，使得整部分硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案二：采用双积分A/D转换器DH7107GP，它是大规模集成芯片，将模拟电路和数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，包含了A/D转换、逻辑控制、译码驱动等电路，只需外接少量元件就能组成三位半数字电压表。电路设计简单，电路板布线不复杂，便于焊接、调试。 电源采用稳压电源提供的±5V输出，显示部分采用共阳极数码管。 综上所述，采用方案二。 ⑶信号发生器 方案一：可以采用分立器件构成振荡电路，但通常情况下一个电路只能产生一种波形，且元件众多，电路构成复杂，可靠性不能令人满意。故不考虑此方案。 方案二：采用集成函数发生器，典型的如ICL8038,利用它可获得频率可调的正弦波、三角波、矩形波三种波形，电路实现相对简单，调试相对容易，是一种不错的选择。但采用此方案不能**的满足设计指标，是此方案的一个缺憾。 方案三：采用单片机*小系统合成各种波形。此方案可靠性高，能**的合成多种波形。但系统构成较为复杂，且针对实验条件，不采用此方案。 综上所述，采用方案二。⑷数字频率计： 实现频率测量可以有多种方法，如时间门限测量法，标准频率比较测量法，等精度测量法等，其具体实现电路也各异。 方案一：采用中小规模数字集成电路构成频率测量电路。此种方案电路构成复杂，器件众多，可靠性低，调试困难，且性能不能令人满意，效率低下，故不考虑此方案。 方案二：采用集成数字频率测试芯片。如ICM7216系列，本系统采用ICM7216D。此种方案可靠性高，性能优良，且调试方便。是一种理想的方案。 方案三：采用单片机*小系统仍然可以实现频率计功能。但往往对较高的频率，测试性能不能令人满意。另考虑实验条件的特定，不考虑此方案。 综上所述，采用方案二。1.2.3系统组成 整个系统分为稳压电源、数字电压表、信号发生器、数字频率计四部分。框图如下所示： 稳压电源除对外输出外，还要提供本系统其他部分的工作电压，为了读出信号发生电路的输出频率，信号发生电路还要与频率测试电路相连。原本计划电压测试电路与频率测试电路共用一个数码管显示系统，但电压测试电路所选芯片采用直接输出显示方式，而频率测试电路所选芯片采用扫描显示方式，故只能设计两个各自独立的数码管显示系统。2.单元电路设计2.1稳压源的设计 上图是固定输出+/-5V的稳压源电路，其中LM317构成正输出部分，LM337构成负电压输出部分。由：UOUT=1.5（1+RW/R）得RW值为500Ω。将RW换成2K的电位器则可以得到从1.5V-- V的电压范围。2.2数字电压表的设计 数字电压表具体电路如下图所示： 其中R39、R40、R41与异或门、开关S31组成的电路用来驱动和控制小数点，以及实现量程转换；测量范围分3档：200mV、2V、20V，其中基本量程为200mV；输入阻抗RI=R38+R37+R36=10M欧姆，R35为限流电阻；D31、D32、C36组成过压保护电路；2.3信号发生器的设计 上图为信号发生器的电路连接图，电阻R4 与Rp2 用来确定PIN8的直流电压V8 ,V8 越高，流过R1、R2的电流越小，则输出频率越低，反之则越高。为了满足频率输出范围，适当调大了V8的可变范围，使V8可在大约3/5 VCC的范围内变化，另接在PIN10的电容换成1000p ,亦是为了*大限度满足频率输出要求。PIN5还可接一个20M的大电阻，（如图中红线所示），它可保证频率输出的稳定性。2.4数字频率计的设计 数字频率计采用ICL7216D,连接图如下页。因为实际效果在不采用信号采集及整理电路的情况下仍是可以接受的，输入端未采用信号采集及整理电路。 上图中S1为复位按键，S2为保持按键，S16可选择频率量程，S11~S15为工作方式选择按键。3.系统测试3.1测试使用的仪器表格 1 测试使用的仪器清单序号 名称 备注1 示波器 KENWOOD CS-41352 信号发生器 MOTECH FG-5063 数字万用表 FLUKE 17B3.2指标测试和测试结果3.2.1稳压电源输出电压和纹波测试 对于±5V的固定电源，刚开始分别由LM317和LM337出来的电压是正常的，但由于对变压器的引线结构不清楚，二者地的之间存在着电压差5V。后调整了电路结构，将二者的地都接在变压器的公共端上，结果正常，纹波电压为0.2V。 对于可调的电压源，当输出电压在12V左右的时候，由于输出与输入之间压差LM317出现不稳定，其纹波电压为0.2V，属正常范围。3.2.2数字电压表测试 电压表选20V量程时，测量数据如下：万用表测量值 1.43V 3.46V 8.68V 9.74V电压表测量值 1.47V 3.55V 8.49V 9.46V 电压测量误差（1.47V—1.43V）/1.47V=0.027 （3.55V—3.46V）/3.55V=0.025 （8.68V—8.49V）/8.49V=0.022 （9.74V—9.46V）/9.74V=0.029 故电压表测量误差≤0.03，满足设计要求。3.2.3信号发生器测试 初始状态下波形失真很严重，经通过Rp4调整占空比及Rp1、Rp3调整失真后，波形方令人满意。通过Rp2可通过改变PIN8输入电压V8调整频率输出值。V8与输出频率对应关系如下： 由图可知，此信号发生器为非线性电压控制，根据需要可在前置电路增加运放，则此电压控制可改为线性。此方案可满足需求，为了简化电路，没有增加前置运放。 信号发生器输出方波峰-峰值SQ-Vp-p为8.8V, 三角波峰-峰值TRI-Vp-p为3.6V，正弦波峰-峰值SIN-Vp-p为2.6V。频率变化范围：20Hz~77KHz。方波占空比为50%。4.结束语 本设计完成了题目要求的基本部分的全部要求和发挥部分的数字频率计。基本部分各单元工作稳定；数字频率计部分仅给出电路原理图，由于缺少主要器件，没有连接调试硬件电路。5.参考文献 1.黄智伟 国内大学生电子设计竞赛训练教程 北京 电子工业出版社 2005.1 2.谢自美 电子线路设计•实验•测试 武汉 华中科技大学出版社 2000.7 3.阎石 数字电子技术基础 北京 高等教育出版社 1998 4.康华光 电子技术基础 北京 高等教育出版社 1999 5.刘维恒 实用电子电路基础 北京 电子工业出版社2004.8 6.王新贤 通用集成电路速查手册 济南 科学技术出版社2002