数字电表改装及测量

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1、实验18数字电表改装及测量【实验目的】1.学习双斜式数字电表的基本工作原理2．了解7107模数转换集成电路的出脚功能、外围元件的作用及参数选择原则3．熟悉理想运放电路的基本特点、学习应用这些特点分析集成运放应用电路的方法。【实验原理】一．双斜式模数转换电路的基本工作原理双斜式模数转换电路的工作原理非常简单，就是在一定的时间T1内对极板上电量为零的电容器C充电，如果充电电流是恒定的并且与待测电压Vx成正比，则电容器C两极板上积累的电量（或两极板间的电压）随时间也线性地增加，并且在T1结束时刻所积累的电量QO是与被测电压Vx成正

2、比的。在此以后若让电容器放电，并且放电的电流与参考电压Vref成正比，则电容器两极板上的电量Qc就会从QO线性地减小，设Qc减至零时放电过程所经历的时间为T2。在以上过程中，由于电容器C在充电结束时刻（即放电的开始时刻）所积累的电量QO是与Vx成正比的，所以电容器的以上放电过程所经历的时间T2也与Vx成正比。如果用一个计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，在T2结束时刻停止计数，则T2时期内计数器的读数N2就与Vx成正比。目前常用的3位数字万用表就是用CMOS的7106/7型单片A/D转换器构成的，这些A/D转换器的工作原

3、理就是基于电容器的以上充、放电过程中计数器读数N2与Vx成正比的基本关系。图18-1是双斜式A/D转换器的结构框图及工作原理图，为了保证电容器C的充、放电过程都是恒流过程，采用由运算放大器A1组成的积分电路。整个转换过程分为三阶段：第一阶段，通过控制电路使有关模拟开关（图18-1中未画出）闭合，放掉由于各种原因使图18-1双斜式A/D转换器的工作原理及结构框图电容器C两极板上积累的电量，并在这一阶段，通过控制开关使参考电压Vref对0.1μF的参考电容Cref充电到Vref值，这一阶段称为自动调零阶段.第二阶段，称取样阶段，

4、在这阶段控制电路令模拟开关K将被测电压Vx与积分器相连，电容器C开始以恒定电流Vx/R充电，与此同时打开计数门，计数器开始计数，当计数器计到某一确定值N1时溢出，控制电路令取样过程结束，因此取样时间T1是固定的，取样阶段结束时刻积分器的输出电压VOVO=QO/C5其中QO为取样阶段结束时刻积分电容C上积累的电量，因取样阶段的充电电流为Vx/R，故T1期间积分电容C上积累的电量（18-1）（18-1）式等号右边的负号表明VO与Vx具有相反的极性，这是因为如果Vx为正，则图18-1中电容器C右极板带负电荷，故VO极性为负，反之，

5、VO为正。第三阶段称为测量阶段，在此阶段，控制电路首先对被测电压Vx作极性判断，然后再令模拟开关K把与Vx极性相反的参考电压Vref与积分器相连（实际上是通过控制开关把已充电到电压值为Vref的参考电容Cref按与Vx的反极性的方式经缓冲电路接至积分器），电容器C开始以恒定电流Vref/R放电，与此同时，计数器开始计数电容器C上的电量从Qc(电压VC)开始线性地减小，当电容器C上的电压降至为零时，由零值比较器给控制电路一个信号，令计数器停止计数，所以测量阶段所经历的时间T2应满足以下关系：即（18-2）其中T1、Vref在测

6、量过程中均为常数，故T2与Vx成正比，如果时钟脉冲的周期为Tcp，T1=N1Tcp，T2=N2Tcp，则（18-2）式可改写为：（18-3）这表明：在测量阶段的计数值N2与被测电压Vx成正比。双斜式单片模数转换器在控制电路作用下，就按以上三个步骤周期性地对被测电压进行测量。在3位模数转换器中，N1设定为1000，N2的计数范围为1～2000，每个测量周期为4000个TCP时间，在每个测量周期除第二阶段取样时间总保持1000个TCP时间不变外，其余两个阶段持续的时间是与被测电压Vx有关，但它们的总和应等于3000个TCP，而且

7、测量阶段持续时间变化范围为0～2000TCP，故自动调零阶段的持续时间变化范围为1000TCP—3000TCP。由于满量程时N2=N2max=2000，Vx=Vm=2Vref，若取Vref=100mv，则被测电压的最大值为200mv，这就是一般数字万用表电压档的基本量程。二、7107模数转换器出脚功能、外部元件的作用及参数选择原则7107单片模数转换器为40脚双排结构，每个出脚的功能及与外部元件的联连如图18-2所示。其中，RINT与CINT5就相当于图1积分电路中的R与C，27脚是积分电路的输出端，在测量过程中用示波器观察

8、此出脚的电压VINT波形可以明了前面所述的电容器C的充放电物理过程。模数转换过程所需的时钟脉冲发生器由7107内部的两个反相器（非门）F1、F2图18-27107出脚功能及与外部元件的联接以及与38，39和40脚相联的外部元件R1、C1组成，它属于两级反相的阻容振荡器，输出波形是占空比为5