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31
2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，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VO
VO=QO/C
1
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，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：
?T1
RCVx?1
C?T2VrefR?dt?0
oVref T1
RCVx?T2
RC
T2?T1
VrefVx即 （18-2）
其中T1、Vref在测量过程中均为常数，故T2与Vx成正比，如果时钟脉冲的周期为Tcp，T1=N1Tcp，T2=N2 Tcp，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31
2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CINT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， 2
在测量过程中用示波器观察此出脚的电压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18-2 7107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50%的方波（电路见图2.C）。振荡频率f0可根据R1、C1的值按下式估算：
在7107单片模数转换器中，对由以上阻容振荡器提供的时钟脉冲，还要经过4分频之后再作为受控制电路控制的计数脉冲，该计数脉冲的周期才是我前面所说的Tcp。由前面所论述的基本原理可知，R1，C1参数的差异并不影响最终测量结果，只是影响测量速率，但是，为了提高测量过程中抗50HZ工频率干扰的能力，应把它们的参数选择得使：T1=n 20ms ， 其中n=1,2,3……。取n=5，则要求双斜式A/D转换器的取样时间T1=1000.TCP =1000×4/ f0 =0.1S，也即要求f0 =40KHz，取C1=100PF时，电阻R1的取值满足以下关系：R1=0.45/40×103×100×10-12=112.5KΩ。为了使7107芯片内部的由运放电路组成的电容器C的充放电电路工作在线性区域，电容器C的充电电流不宜过大，通常限制为4μA，在满量程为200mV的情况下，积分电阻Rint的取值应为： Rint=200mV/4μA =50 KΩ,实际取电阻元件系列值47KΩ，若参考电压Vref=1V，则满量程为2V，此时Rint应取470 KΩ。Cint的取值以组成电容器C恒流充电电路（积分器）运放A1的输出电压变化在线性范围内，要求不要超过2V为原则。在T1=4000/f0=0.1S和充电电流为4μA的情况下，为了使恒流充电电路的输出不超过2V，则Cint应满足以下关系：Cint=Qomax/Vomax=T1×4μA /2V=0.1×4×10-6库/2伏=0.2μF, 实际取电容元件的系列值0.22μF。
在7107内部，计数器是由四位二一十进制计数单元串接而成，每位计数单元的输出线有四条，它们的二进制代码只能在0000B=1001B范围内变化，这对应着十进制数0—9范围变化，每位计数单元的输出线再经译码器译码后与七段LED数码显示管联接，最后以十进制 3
数显示测量结果。因此每位七段译码器有七条输出线，在32位模数转换芯片中，共有24条
线与外部的LED数码显示管相联，对7107芯片，这24条线的出脚编号及与LED的联接关系如用图18-2a和图18-2b示。
【仪器设备】
DMST—A型数字电表及传感器设计实验仪、数字万用表、低频示波器、电阻箱等
【实验内容】
一. 双斜式模数转换器的工作原理测定
1. 7107时钟频率的调节与测定
连线如图18-3所示，用示波器观测7107的振荡器输出（仪器面板上的“CLC”插孔）波形，调节“CLC”插孔上方的电位器使时钟信号的周期T0=25μs。
1
图18-3 时钟频率的调节与测定接线图
2. 正向积分时间T1的测定
按仪器面板右下角电压测量电路接线，利用仪器面板上0-2V直流电压表把Vref和Vx分别调至100mV和199.9mV，用示波器观察7107积分电路输出端（仪器面板上的“Vint”插孔）的波形，调节示波器同步，当波形相对稳定时，读出和记下正向积分时间T1和积分电路在正向积分期间的最大输出电压Vint max值。
3. 反向积分时间T2的测定
在Vref=100mV的情况下，按表18-1所列出的不同Vx值，用示波器观察各种被测电压Vx时T1、Vint max和反向积分时间T2值，并在表18-1中记下表头读数。
4. 改变时钟信号的频率，重复3项实验内容
根据以上测量结果，小结双斜式模数转换器的工作原理和特点。
二. 数字电表电测技术改装
1．0—2V，0-200mV直流电压表的改装
（1）把7107及显示模块的千位小数点置亮。电压测量电路模块的量程切换开关拨至 2V位置。
（2）用数字万用表测量参考电压Vref、并调节到1000毫伏。把7107及显示模块中的量程切换开关拨至“2V”位置。
（3）利用数字万用表测量“Vx”插孔的电压值，并调节至1.999伏。
（4）观察7107及显示模块中显示的数字是否也为1.999伏，若有小的差异缓慢调节“Vref调节”旋钮使该模块显示读数为1.999伏。
（5）改变被测电压Vx值，使7107及显示模块的读数为0 V、0.200 V、0.400 V、0.600V、??直到1.999 V为止，并用数字万用表记录Vx值，记入表18-2。以7107及显示模块所显示的读数为横向坐标、数字万用表的读数为纵向坐标描制校准曲线。
4
（6）把7107及显示模块中的量程切换开关拨至“2mV”位置，将参考电压Vref调节到100毫伏。利用数字万用表测量“Vx”插孔的电压值，并调节至0.199伏。观察7107及显示模块中显示的数字是否也为0.199伏，若有小的差异缓慢调节“Vref调节”旋钮使该模块显示读数为0.199伏。）改变被测电压Vx值，使7107及显示模块的读数为0 V、0.020 V、0.040 V、0.060V、??直到0.199V为止，并用数字万用表记录Vx值，参照表18-2自拟表格、绘制曲线。
图18-5a 图18-5b
【数据处理】
表18-2 直流电压表的改装 单位：V 5
第二篇：数字电表改装及测量
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，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VO
VO=QO/C
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，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=N2 Tcp，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CINT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18-2 7107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50%的方波（电路见图2.C）。振荡频率f0可根据R1、C1的值按下式估算：
在7107单片模数转换器中，对由以上阻容振荡器提供的时钟脉冲，还要经过4分频之后再作为受控制电路控制的计数脉冲，该计数脉冲的周期才是我前面所说的Tcp。由前面所论述的基本原理可知，R1，C1参数的差异并不影响最终测量结果，只是影响测量速率，但是，为了提高测量过程中抗50HZ工频率干扰的能力，应把它们的参数选择得使：T1=n 20ms ，
其中n=1,2,3……。取n=5，则要求双斜式A/D转换器的取样时间T1=1000.TCP =1000×4/ f0 =0.1S，也即要求f0=40KHz，取C1=100PF时，电阻R1的取值满足以下关系：R1=0.45/40×103×100×10-12=112.5KΩ。为了使7107芯片内部的由运放电路组成的电容器C的充放电电路工作在线性区域，电容器C的充电电流不宜过大，通常限制为4μA，在满量程为200mV的情况下，积分电阻Rint的取值应为： Rint=200mV/4μA =50 KΩ,实际取电阻元件系列值47KΩ，若参考电压Vref=1V，则满量程为2V，此时Rint应取470 KΩ。Cint的取值以组成电容器C恒流充电电路（积分器）运放A1的输出电压变化在线性范围内，要求不要超过2V为原则。在T1=4000/f0=0.1S和充电电流为4μA的情况下，为了使恒流充电电路的输出不超过2V，则Cint应满足以下关系：Cint=Qomax/Vomax=T1×4μA /2V=0.1×4×10-6库/2伏=0.2μF, 实际取电容元件的系列值0.22μF。
在7107内部，计数器是由四位二一十进制计数单元串接而成，每位计数单元的输出线有四条，它们的二进制代码只能在0000B=1001B范围内变化，这对应着十进制数0—9范围变化，每位计数单元的输出线再经译码器译码后与七段LED数码显示管联接，最后以十进制数显示测量结果。因此每位七段译码器有七条输出线，在
位模数转换芯片中，共有24条线与外部的LED数码显示管相联，对7107芯片，这24条线的出脚编号及与LED的联接关系如用图18-2a和图18-2b示。
【仪器设备】
DMST—A型数字电表及传感器设计实验仪、数字万用表、低频示波器、电阻箱等
【实验内容】
一. 双斜式模数转换器的工作原理测定
1. 7107时钟频率的调节与测定
连线如图18-3所示，用示波器观测7107的振荡器输出（仪器面板上的“CLC”插孔）波形，调节“CLC”插孔上方的电位器使时钟信号的周期T0=25μs。
图18-3 时钟频率的调节与测定接线图
2. 正向积分时间T1的测定
按仪器面板右下角电压测量电路接线，利用仪器面板上0-2V直流电压表把Vref和Vx分别调至100mV和199.9mV，用示波器观察7107积分电路输出端（仪器面板上的“Vint”插孔）的波形，调节示波器同步，当波形相对稳定时，读出和记下正向积分时间T1和积分电路在正向积分期间的最大输出电压Vint max值。
3. 反向积分时间T2的测定
在Vref=100mV的情况下，按表18-1所列出的不同Vx值，用示波器观察各种被测电压Vx时T1、Vint max和反向积分时间T2值，并在表18-1中记下表头读数。
4. 改变时钟信号的频率，重复3项实验内容
根据以上测量结果，小结双斜式模数转换器的工作原理和特点。
二. 数字电表电测技术改装
1．0—2V，0-200mV直流电压表的改装
（1）把7107及显示模块的千位小数点置亮。电压测量电路模块的量程切换开关拨至 2V位置。
（2）用数字万用表测量参考电压Vref、并调节到1000毫伏。把7107及显示模块中的量程切换开关拨至“2V”位置。
（3）利用数字万用表测量“Vx”插孔的电压值，并调节至1.999伏。
（4）观察7107及显示模块中显示的数字是否也为1.999伏，若有小的差异缓慢调节“Vref调节”旋钮使该模块显示读数为1.999伏。
（5）改变被测电压Vx值，使7107及显示模块的读数为0 V、0.200 V、0.400 V、0.600V、……直到1.999 V为止，并用数字万用表记录Vx值，记入表18-2。以7107及显示模块所显示的读数为横向坐标、数字万用表的读数为纵向坐标描制校准曲线。
（6）把7107及显示模块中的量程切换开关拨至“2mV”位置，将参考电压Vref调节到100毫伏。利用数字万用表测量“Vx”插孔的电压值，并调节至0.199伏。观察7107及显示模块中显示的数字是否也为0.199伏，若有小的差异缓慢调节“Vref调节”旋钮使该模块显示读数为0.199伏。）改变被测电压Vx值，使7107及显示模块的读数为0 V、0.020 V、0.040 V、0.060V、……直到0.199V为止，并用数字万用表记录Vx值，参照表18-2自拟表格、绘制曲线。
图18-5a 图18-5b
【数据处理】
表18-1 模数转换器的工作原理测定
表18-2 直流电压表的改装 单位：V
