基于ICL7135 的试验测试用4-1/2 位数字电压表1/2 位消隐功能的实现

牟浩文，全鑫，秦晓猛，周小东

（天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300450）

引言

可靠性试验和环境试验中，需要对被试品开展各种性能测试，常需要用到各种数字仪表。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字万用表的内部核心部件是A /D 转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本文A /D 转换器采用ICL7135 芯片，CMOS 双积分型A/D 转换器，可以直接接入译码器、数字显示器等组成一个数字电压表电路。

在4-1/2 位数字电压表中，首位只显示电压正负符号和数字1，当电压小于1V 时则不显示，这就是数字电压表的首位消隐——当电压小于1V 时隐去首1/2 位。当电路由单片机控制时可以通过单片机程序轻松实现消隐。但是当直接使用ICL7135 芯片设计数字电压表电路时，首位消隐的问题就变得突出了，需考虑新的途径来实现电压表的首位消隐，以保证电压表的功能实现。

1 双积分型A/D 转换芯片ICL7135

ICL7135 是4 位半双斜积分式A／D 转换器，具有LCD/LED 及微处理器解码、驱动的接口电路。ICL7135具有价格低、精度高（相当于14 位A/D 转换）的优点。

ICL7135 芯片的主要特点有：

1）输入阻抗高达109以上，对北侧电路几乎没有影响；

2）内部电路在每次A/D 转换前均会自动进行调零操作；

3）有精确的差分输入电路；

4）自动判别信号极性；

5） 有超压（OVER RANGE）、 欠压（UNDER RANGE）输出信号，可以将该输出信号当做自动控制信号来进行量程转换；

6）采用位扫描与BCD 码输出；

7）在±20 000 字（2 V 满量程）范围内，转换精度±1 字；

8）输出电流典型值1PA，输出为动态扫描BCD 码；

9）功耗：1 000 mW（MAX）。

ICL7135 时序图如图1 所示。ICL7135 为DIP28 封装，芯片引脚图如图2 所示，引脚功能说明如表1 所示。

表1 ICL7135 芯片引脚说明

图1 ICL7135 时序图

图2 ICL7135 芯片引脚图

2 数字电压表的设计思路和原理图

实现数字电压表电路，如今比较常用的是A/D 芯片与单片机相联，利用单片机的控制来实现模拟信号向数字信号的转换和数字显示，这样的设计优点是电路设计和元器件的使用相对简单，且易有更多的功能扩展。而本设计中数字电压表电路的功能实现不使用单片机，利用ICL7135 芯片本身的双积分和自动清零功能来实现数字转换，以及数字电压的显示控制。

设计思路：数字电压表由模拟信号采集、A/D 转换、数字信号输出显示、译码显示驱动、电源、时钟等几大功能模块构成，以ICL7135 芯片为核心实现模拟电压信号的数字转换，芯片的模拟电路部分正电压通过+5 V 直流电源供电，时钟通过555 定时器提供，利用电阻电容电位器和整流管的组合实现参考电压的提供。模拟信号采集采用电容电阻的组合实现对被测模拟电压信号的滤波整流。数字信号输出显示模块，采用CD4511 实现译码和驱动数码管显示，CD4511 是CMOS BCD 锁存/7 段译码/驱动器，其主要功能包括七段译码功能、BCD 转换、消隐控制、锁存控制、驱动功能等，由于CD4511 拉电流较大，因此可以直接驱动数码管显示，采用七路达林顿驱动器阵列MC1413 实现对数码管的驱动显示，数码管采用0.3 英寸供阴极数码管，同时也加入了小数点选择器电路。基本功能实现对（-2 ~ +2）V 之间直流电压的测量，并进行数字显示。

依据此设计思路的数字电压表的功能框图如图3 所示。

图3 数字电压表功能框图

根据此设计思路绘制出数字电压表的电路原理图，原理图如图4 所示。

图4 数字电压表功能框图

3 消隐问题的提出及解决方案

3.1 首位消隐问题的提出

在上面设计的电路原理图中，我们可以看到，首字段是由D5 位选通信号控制的。当D5 位选择信号为高电平时，提供的信号会触发首字段数码管显示数据；而D5端为低电平时，则首字段数码管不显示。因为本数码管显示采用动态显示，故在此设计的情况下，初始状态时首字段将一直保持点亮，这将导致设计电路无法准确实现电压的测量和数字显示。这就提出了关于此电路的测试电路设计的问题。

在目前使用比较普遍的数字电压表设计电路中，一般通过与芯片相连的单片机的程序控制来实现消隐。而与本电路类似的电路无法采用，只能通过利用本身电路中的CD4511 芯片消隐功能端来实现。目前的很多类似电路虽然也提到了消隐的问题，但是所设计的消隐电路都是错的，无法实现功能。本文就对电路消隐的问题展开专门的设计研究，已解决此类电路中首1/2 位消隐的问题。

3.2 消隐的解决方案

经分析，电压表对消隐的功能需求如下：初始状态下，需要电压表只显示后四位的零，首位消隐；当测试电压为（0~1）V 时，首位消隐；当测试电压大于1 V 时正常显示。由电路的特点可知，首位由数码管a、b、g字段控制。经分析会发现首位的显示与ICL7135 芯片的8421 码以及位选择信号D5 有关。为实现预期的消隐功能，还需要利用到CD4511 芯片的消隐端。综合分析这三方面的关系之后，会发现一个介于D5、B1 和CD4511 芯片端的数字逻辑关系。总结其关系如表2 所示。

表2 消隐模块的输入输出逻辑关系真值表

这是一个复合逻辑，需要通过设计一个复合逻辑电路来实现所需的首位消隐功能。

利用相互关系，设计数字电压表电路的消隐电路，采用一个非门、一个与门和一个或门电路的组合就能保证消隐电路的设计实现。改进设计之后的数字电压表电路如图5 所示。

图5 改进设计加入消隐电路的数字电压表电路原理图

4 结束语

本文基于对4-1/2 数字电压表设计实现的研究，进一步探讨了电路的消隐功能的设计和实现。通过分析过程可以看到，数字电压表的消隐对于其正常测试电压的功能实现非常重要，它将决定着数字电压表能否正确地测量数字电压。当电路中没有单片机时，如何实现电路1/2 位的消隐？通过本文的探讨，提供了一种有效的解决方案，复合逻辑门电路很好地解决了消隐问题，在为可靠性试验的性能测试设计数字电压表中具有很好的参考使用价值。