XL5135V型数显表头的测绘电路

   数字电压表双称数字面板表头（简称数显表头），它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，由数显表头扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
   与机械指针式表头相比，数显表头将幅度（刻度）指示变为更为直观和精确的数字指示；指针式表头为电流驱动型器件，输入阻抗较低，对驱动电路有要求，显示误差较大。数显表头为电压驱动表头，几乎不从信号源吸收电流，输入阻抗大为提高，显示精度较高。
   早期的数显表头电路，由分立器件的逻辑控制电路、A/D转换电路、锁存器、译码器电路、显示驱动电路等构成，结构庞杂，制作成本较高。单芯片ICL7107（7106）集成器件的出现，其低成本大批量的生产条件，推动了数显表头的应用和普及。
   在各种只要监示，对控制无要求的生产场所，数显表头受到欢迎。一些厂商迎合市场需求，专业生产各种规格的数显表头，供用户选购，用于对各种物理量进行显示监控，如DC10V型数显表头，可驳接于变频器的10V转速输出接口，用于显示变频器的即时转速；2V表头用于驳接称重传感器的输出信号，显示称重重量等。
   1、XL5135V型数显表头的电路原理
   本例数显表头相关工作参数：量程0～±2V显示0～±199.9；显 示：15mm（ LED）红色或绿色字体；读 数：三位半（1999计数）；具有（零输入时）自动调零、（输入信号极性变时）自动极性转换、（超量程时）超量程指示功能；可用外部跳线设定小数点的位数；单供电电源+5V；外型尺寸：宽79mm×高42.5mm×深25.5mm。
   表头采用核心器件为三位半A/D转换器ICL7107，内含驱动电路，外围电路简单，能对输入模拟电压信号转换为数字量显示输出。
   供电电源+5V加到ICL7107的1脚，输入信号从31、30脚进入，36脚为A/D转换基准电压输入端，由电位器、电阻对+5V分压，LM358双端精准稳压器件二次稳压以提高显示精度，由电位器活动端取出1V基准电压，决定数显表头的量程为0~2V。ILC7107的26脚另需一路-5V供电电源，由六反相器集成电路HEF4069对38脚输出的振荡信号处理而成，经滤波电路由26脚输入。第一级反相器电路对38脚输出的振荡信号进行反相放大，以提高驱动能力后，驱动另5路并联反相器电路，以提升电流输出能力，输出脉冲电压经电容耦合，二极管半波整流和由电容电阻滤波后得到-5V供电电源。
   因为仪表具有3位半显示功能，可据显示数值范围的要求，选择某显示位的小数点是否点亮，将某位小数点发光二极管串接的680Ω电阻与供电地短接，即可点亮该位小数点。
     表头采用核心器件为三位半A/D转换器ICL7107，内含驱动电路，外围电路简单，能对输入模拟电压信号转换为数字量显示输出。
   供电电源+5V加到ICL7107的1脚，输入信号从31、30脚进入，36脚为A/D转换基准电压输入端，由电位器、电阻对+5V分压，LM358双端精准稳压器件二次稳压以提高显示精度，由电位器活动端取出1V基准电压，决定数显表头的量程为0~2V。ILC7107的26脚另需一路-5V供电电源，由六反相器集成电路HEF4069对38脚输出的振荡信号处理而成，经滤波电路由26脚输入。第一级反相器电路对38脚输出的振荡信号进行反相放大，以提高驱动能力后，驱动另5路并联反相器电路，以提升电流输出能力，输出脉冲电压经电容耦合，二极管半波整流和由电容电阻滤波后得到-5V供电电源。
   因为仪表具有3位半显示功能，可据显示数值范围的要求，选择某显示位的小数点是否点亮，将某位小数点发光二极管串接的680Ω电阻与供电地短接，即可点亮该位小数点。
   2、ILC7107芯片功能和工作原理
   ICL7107/ICL7106（用于驱动LCD液晶显示屏）是高性能、低功耗的3位半A/D转换器，可用于直接驱动LED数码管或液晶屏。双列直插塑封器件为40引脚，贴片式封装为44引脚器件。本文内容重点在ICL7107（双列直插40引脚）器件应用原理的分析。
   ICL7107 是双积分型的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。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、DE 3 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 的数值或Vin=Vref(T/1000) 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）。ICL7107内部模拟电路和数字电路，二者的工作是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D 转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。
   IC7107的重要引脚排列：引脚1和26是ICL7107的正、负极。31脚为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与30、35脚短接。TEST是测试端，该端经内部500Ω电阻接数字电路的公共端（GND），因二者呈等电位，故亦称做数字地。30、31为模拟电压（输入信号）的正、负输入端。引脚2~20为LED的笔划（a1～g1）的驱动端，接至个位、十位、百位、千位等4位显示器的相应驱动端。POL为负极性指示的驱动端。引脚38、39、40（OSC1～OSC3）为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器，典型振荡频率为45kHz。35、36脚分别为基准电压的正、负端，基准电压值的高低，决定着内部A/D转换的比例，从而决定着量程的大小。33、34引脚外接基准电容，29脚外接自动调零电容。27、28脚接积分电阻和积分电容。
1）IC7107内部电路功能框图
   模拟电路由双积分式A/D转换器构成，电路如图2所示。主要包括2.8V基准电压源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模／数转换。每个转换周期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ…的顺序进行循环。
   数字电路如图3所示。主要包括8个单元：①时钟振荡器；②分频器；③计数器；④锁存器；⑤译码器；⑥异或门相位驱动器；⑦控制逻辑；⑧LCD显示器。时钟振荡器由ICL7106内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。由时钟振荡器取得时钟信号，经分频后得到计数频率，对由前级A/D（模拟电路）转换电路来的频率信号进行计数、锁存和译码处理，以脉冲电压驱动LED显示器，显示出与输入模拟电压相对应的数字值。
   3、数码显示器的段排列和连接方式
   LED数码显示器由7个条状的发光二极管芯片按一定规则排列而成，可以进行数字0~9 的显示，及16位数制的显示，显示器的7个显示段标注为a、b、c、d、e、f、g，有的显示器还带1个小数点，用于确定显示位的“权”。数码显示器分为共阳极和共阴极两种接法，本文电路中采共阳极接法的显示器，显示器用外供电源，不从ICL7107取用电流。
   共阳极接法，是指各发光二极管的正极连接在一起引出，做为公共端，公共端须施加电源正电压，发光二极管的负端，负向驱动脉冲作用时数码管点亮；共阴极接法，是指各发光二极管的负极连接在一起引出，做为公共端，公共端须施加电源负电压，发光二极管的正端，正向驱动脉冲作用时数码管点亮。
  4、ILC7107芯片典型应用电路和检测方法
ILC7107芯片典型应用电路如下图5所示，36脚基准电压为100mV，测量量程为200mV，电路实质上为一块200mV型直流电压表。只要IC7107的基础外围电路满足最基本的工作条件，既可以完成A/D转换功能，对输入模拟信号进行数字化显示，也可以用下述简易检测方法，判断芯片或外围电路是否异常。
  芯片36脚基准电压可能会有所不同，如36脚为1V，则电路构成2V量程的电压表，但检测方法是相同的。
   ICL7107的检测方法：
  在数显表头显示异常时，可灵活采用分别短接引脚1、26、30、31、36、37的方法，用于检测和测试电路的“零点误差”、“比例读出”、“1888读出”、“负超量程”和“正超量程”的五个基本功能是否正常。
  表1 ICL7107芯片检查表
  如无输入信号，显示值不为0时，短接信号输入端30、31两引脚，显示值变为000，则说明数显表头正常，信号输入端有异常干扰信号进入，可有针对性地排除故障。当显示值偏大或偏小时，可微调36脚基准电压，使显示值准确。若用上表中方法短接相关引脚无效，则说明ICL7107芯片坏掉或外围电路故障。

旷野之雪
2011年6月24日

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原文阅读：

感谢jint的重发！祝jint吉祥如意！