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1、引言科学技术的发展为测量仪器、仪表提供了新原理和新技术以及新型的元、器体，同时又对测量仪表提出了更新、更高的要求。数字电压表就是在精密电测量技术、计算技术、自动化技术和电子技术的基础上产生和发展起来的。数字式仪表是能把连续的被测量自动地变成断续的、用数字编码方式的、并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。这是一种新型仪表，它把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起。成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支。数字电压表简称DVM，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。传统的模拟式仪表必须借助于指针和
2、刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。数字电压表具备了很多传统模拟仪表所不能相比拟的优势特点，例如：显示清晰直观，读数准确；准确度高；分辨率高；测量范围宽；扩展能力强；测量速度快；输入阻抗高；集成度高，微功耗；抗干扰能力强等等。采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。电压表作为电子仪器中极为常用的一种仪表，广泛应用于许多的测量场合，是数字化测量的最基本技能，有着重要的研究意义
3、。1 设计思想数字电压表的位数是指完整显示位，即能够显示0-9十个数字的位。所谓三位半数字电压表，即只有3位完整显示位，而其最高位只能显示0或1，故称为半位。数字电压表一般由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源；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转换器是数字电压表的核心部件。其基本组成如图1所示。图 1 数字电压表的组成框图1.1 设计要求主要技术指标：直流电压测量范围（0200）V；分为4档：200mV,2V,20V,200V；测量速度25次/秒；分辨率0.1mV；测量误差0.1%。主要功能要求：具有正、负电压极性
4、显示，小数点显示，超量程显示，量程自动转换（可选，单片机实现）等功能。1.2 方案比较和芯片选择 本次设计预计采用纯硬件实现，A/D转换器作为电压表的核心部分，用来完成最主要也最基本的模-转换功能，电压表的测量速度主要就取决于A/D转换器的转换速率。数字电压表的设计中使用的最为广泛的是双积分型A/D转换器。尽管双积分型A/D转换器的转换速度较慢，一般在每秒十几次以内，但它同时具有工作性能稳定和抗干扰能力强的突出优点，对于一般对转化速度要求不高的数字电压表来说是较理想的选择。以下是选用不同双积分A/D转换器的方案比较：方案一：采用双积分型A/D转换器MC14433，它有多路调制的BCD码输出端和
5、超量程输出端，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。但它只有24个管脚，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，这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，同时也增加了调试的难度。方案二：采用双积分A/D转换器ICL7107/ ICL7106，它是COMS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，能直接输出7段译码信号，只需再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。除了一个接地脚外，ICL7106芯片的功能管脚与ICL7107完全相同
6、，两者不同在于：ICL7106驱动LCD液晶显示器，而ICL7107驱动LED数码管。通过比较可知，方案一的电路设计会较为复杂，除了MC14433外，产生基准电压和驱动LED数码管也还需要不同的芯片，例如MC1403、集成电路驱动器MC1413、7段译码显示驱动器CC4511。模数电路的设计要慎重考虑元器件和线路之间的干扰问题，因为干扰所带来的误差将会对电压表的测量准确度产生很大的影响，给电路调试带来困难。综上所述，决定采用方案二的ICL7107芯片，LED数码管显示。2 三位半数字电压表电路设计2.1 电路原理图及原理说明图 2.1 三位半数字电压表原理图电路图如图2.1所示。直流电压源输入
7、+5V模拟信号，通过ICL7660转化出一个-5V电压，驱动芯片电路工作。ICL7107完成3 1/2位数字A/D转换，直接驱动LED数码管显示数字结果，芯片内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等；表头满量程输入信号为DC199.9mV(也可以通过改变积分电阻电容的数值成为满量程 DC1.999V和DC19.99V)，在测量电压输入端添加了一个分压网络扩大量程，划分出不同电压档位。由于表头的分辨率指标为0.1mV ，容易受到温度漂移的影响，因此，电路中的基准电压100mV用温度漂移优于50ppm的 TL431 产生，使表头的总温漂优于100ppm。数字显示用的LED
8、数码管为共阳型，量程手动转换。2.2 各部分电路设计原理2.2.1 ICL7107芯片部分（1）ICL7107芯片介绍图 2.2 ICL7107芯片管脚图随着大规模集成电路制造技术的不断发展,各种大规模集成A/D转换器相继出现。ICL7107是目前广泛应用于数字测量系统的一种3 1/2位A/D转换器，它采用的是双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用COMS大规模集成电路技术设计，具有功耗低、精度高、功能完整、使用简单等特点，是一种集三位半A/D转换器、段驱动器、位驱动器于一体的大规模专用集成电路，其主要特点为：(1)能够直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动电路和限流电阻。(2)采用5V
9、双电源供电。(3)功耗小于15mW，最大静态电流为1.8mA。(4)段驱动电流的典型值为8mA，最小值为5mA。(5)显示器可采用7段共阳极数码管。ICL7107采用DIP-40封装，管脚排列如图2.2所示。各管脚功能如下：VCC、VSS分别为电源的正、负端。COM：模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时通常将该端与输入信号的负端、基准电压的负端短接。TEST：测试端，此端有两个功能，一是做“测试指示”，将它与短接后，LED显示器显示全部笔画l888，据此可确定显示器有无笔段残缺现象；第二个功能是作为数字地供外部驱动器使用，构成小数点、标志符显示电路。al-g1、a2-g2、a3-g3分别为
10、个位、十位、百位驱动端，依次接LED显示器的个、十、百位的相应笔段。be4：千位(即最高位，也称1/2位)笔段驱动端，接千位LED的b、c段。POL：负极性指示驱动端，接千位LED的g段，GND：数字地，与37脚(TEST)经过内部500电阻接通。OSC1-OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两极反向式阻容振荡器。VREF+：基准电压的正端，简称“基准+”，通常从内部基准电压获取所需的基准电压，以提高基准电压的稳定性。VREF-：基准电压的负端，简称“基准-” 。CREF+、CREF-为外接基准电容端。IN+、IN-为模拟电压的正负输入端。CZA是外接自动调零电容端。INT：积分器输
11、出端，接积分电容VINT。BUF为缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。由ICL7107组成的三位半数字电压表电路，ICL7107显示的满量程电压与基准电压的关系为：VM=2VREF。若将VREF选择100mV，则可组成满量程为200mV的电压表。只要把小数点定在十位，即可直接读出测量结果。由于ICL7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接+5V，小数点接GND时点亮，接-5V或悬空时灭。ICL7107芯片管脚较多，内部功能复杂，因此安装时需注意一些要点：1.辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。也可以把芯片的缺口朝左放置，
12、左下角也就是第一脚了。许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第2至第40引脚。（1脚与40脚遥遥相对）。2.牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是DC5V。第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在3V至5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入199.9mV的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。3.注意芯片27，28，29引脚的元件数值，它们是0.22uF，47K，0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网
13、络，不能使用磁片电容。芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。4.注意接地引脚：芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。5.负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个+5V供电就可以解决问题。比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到，这样需要增加硬件成本。也可以一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，
14、把芯片38脚的振荡信号串接一个20K56K的电阻连接到三极管B极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V 2.8V为最好。这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7 电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。这个电压，最好是在3.2V到4.2V之间。6.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻X1档，我们可以分别调整出50mV，100mV，190
15、mV三种电压来，把它们依次输入到ICL7107的第 31 脚，数码管应该对应分别显示50.0，100.0，190.0的数值，允许有23个字的误差。如果差别太大，可以微调一下36脚的电压。7.比例读数：把31脚与36脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是100.0，通常在99.7100.3之间，越接近100.0越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少mV无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。8.ICL7107也经常使用在1.999V量程，这时候，芯片27，28，29引脚的元件数值，更换为0.22uF，
16、470K，0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在1.999V 量程了。（2）ICL7107芯片部分电路设计图 2.3 ICL7107芯片部分电路设计图ICL7107芯片部分具体电路设计如上图所示。芯片1脚接5V电压输入，26脚接5V电压输入，C3、C10为滤波电容。C7、C8分别为基准电容和自动调零电容。R5、C9为积分电阻和积分电容。27，28，29脚分别接C9、R5、C8构成阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，由芯片内部参数决定，在量程不变的情况下，这些元件数值固定。33、34脚以C7相连。38、39、40脚内部是时钟电路，外接的R3、C4分别为振荡
17、电阻和振荡电容，数值固定。36脚接入由TL431芯片产生的100mV基准电压，旁接一个103滤波电容C11。R4、C6为模拟信号输入端高频滤波电路，以提高仪表的抗干扰能力。无特殊要求，故21、30、32、35脚都要接地。TEST脚（37脚）空置。其它管脚直接接LED数码管。2.2.2 基准电压源芯片TL431部分（1）TL431的简介 德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源芯片。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运
18、放电路、可调压电源，开关电源等等。图 2.4 TL431器件符号及外型上图左是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。TL431的具体功能可以用如下图的功能模块示意。由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图可
19、以有助于理解电路。图 2.5 功能模块示意图（2）恒压电路应用图 2.6 恒流电路前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，当在REF端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图2.6所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时,必须保证
20、TL431工作的必要条件，是通过阴极的电流要大于1mA。将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图2.7。图2.7 大电流的分流稳压电路（3）100mV基准电压源电路(a) (b)图 2.8 TL431测试电路图 2.9 基准电压产生电路如图2.8所示，TL431参考端(REF)对地基准电压为2.5V，不接分压电路时，输出VKA=VREF。实际电路设计中，电压表200mV量程要求100mV基准电压，用R1与RW构成基准电压分压器，R2采用精密多圈定位器，调整RW的值可以改变基准电压，使VREF =100mV，由ICL7107的36脚接入。分压原理如图2.9所示。2.2.3 开关电
21、容电压转换器ICL7660部分（1）ICL7660芯片介绍ICL7660是一个高效率的CMOS单片集成电路，被称为开关电压电容转换器,可对一个输入正电压进行极性转化，加倍, 划分, 或倍增。芯片内部包括振荡器控制电路和四个驱动MOSFET晶体管开关。ICL7660广泛用于RAM的负电源及数据采集系统的简易负电源中，应用时，只需要外接两个电容就可以将1.5至10V范围的正电压转换为相同大小的负电压。ICL7660内部电路框图和管脚图如下图所示。(a) (b) 图 2.10(a) ICL7660内部电路框图 (b) 芯片管脚图(a)(b)图 2.11 ICL7660的应用（2）-5V电压产生电路图
22、 2.12 ICL7660电压极性转换电路如上图所示，由直流稳压电源提供+5V的工作电压输入，+5V同时加栽到ICL7107的V+脚及ICL7660的INPUT脚，转化得到-5V工作电压加载至ICL7107的V-脚。如此就不必要正负电源供电，只要一个电压源输入就足够了。减少这些外部接线也可以有效减少接线干扰。由+5V逻辑电压产生-5V电压驱动模拟电路的应用中，C1、C2为取值固定的10uF电解电容；若取值小于10uF，输出电压就不是-5V。2.2.4 LED数码管显示电路部分（1）发光二极管主要特性普通发光二极管的正向饱和压降为1.6V2.1V,正向工作电流为520mA。1极限参数的意义a.允
23、许功耗Pm：允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。b.最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。c.最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。d.工作环境topm：LED可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2电参数的意义a.正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。b.正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测
24、得的。发光二极管正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。c.V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系。在正向电压正小于某一值（阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR10A。由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流IF应在0.6IFm以下；应让可能出现的反向电压VR0.6VRm。（2）七段数码显示器原理七段式数码显示器简称数码管，其结构如图2.13(a)所示。COM为公共端，两个
25、COM引脚于数码管内部联接。数码管每个字段内置一个LED，选择不同字段发光，可显示不同的字形。数码管中共有8个LED，其中七个用于字段，一个用于小数点，数码管制造时有共阴极和共阳极两种接法，分别如图2.13(b)和(c)所示。相对于公共端来说，前者，某一字段接高电位时发光；后者，接低电位时发光。 (a)结构 (b)共阴极 (c)共阳极图2.13 七段数码显示器 （3）4位LED数字结果显示电路图 2.14 四位LED数码管显示电路由于ICL7107没有专门的小数点驱动信号，设计电路时将共阳极数码管的公共阳极COM接+5V，4位小数点分别接4组插脚即图示的J1、J2。对应的一对插脚短接相当于各电
26、压档的小数点位接GND，小数点接GND点亮，接-5V或悬空时灭。2.2.5 测量电压输入端部分图 2.15 分压电路前面已提到过由ICL7107组成的三位半数字电压表电路，ICL7107显示的满量程电压与基准电压的关系为：VM=2VREF。若将VREF选择100mV，则可组成满量程为200mV的电压表。本电路直接可输入满量程200mV的电压信号，同时为实现测量范围0200V的设计要求，在输入端另加一分压网络以扩大量程，用滑线变阻分压的方式就可划分出200mV、2V、20V、200V四个不同输入档。3 电路仿真3.1 仿真软件介绍EWB是Electronics Workbench的缩写，称为电子
27、工作平台，是一种在电子技术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为“计算机里的电子实验室”。其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确，使用EWB可实现大部分硬件电路实验的功能。电子工作平台的设计试验工作区好像一块“面包板”，在上面可建立各种电路进行仿真实验。电子工作平台的器件库可为用户提供350多种常用模拟和数字器件， 设计和试验时可任意调用。电子工作平台的虚拟仪器库存放着数字电流表、数字电压表、数字万用表、双通道 1000MHz 数字存储示波器、999MIHz数字函数发生器、可直接显示电路频率响应的波特图仪、16路数字信号逻辑分析仪、16位数字信号发生器等，这些虚拟仪器随时
28、可以拖放到工作区对电路进行测试，并直接显示有关数据或波形。电子工作平台还具有强大的分析功能，可进行直流工作点分析，暂态和稳态分析。使用EWB对电路进行设计和实验仿真的基本步骤是：1.用虚拟器件在工作区建立电路；2.选定元件的模式、参数值和标号；3.连接信号源等虚拟仪器；4.选择分析功能和参数；5.激活电路进行仿真；6.保存电路图和仿真结果。3.2 硬件部分电路仿真图 3 100mV基准电压产生电路仿真 因为ICL7107及ICL7660都是外围元件参数基本固定的高度集成芯片，只要芯片本身正常工作，基本上都可以顺利完成其预想的功能，由于EWB软件本身的芯片库缺少这样的大集成芯片模型，进行仿真比较
29、困难。在此我选择对TL431部分电路进行仿真，验证该部分设计理论上是否能实现其功能。100mV基准电压是这个电路一切功能实现的基本要求，其准确性是保证电压表表头电路测量精度的前提。仿真电路如图3所示，在EWB三极管模型库中新建一个三极管模型，按TL431芯片的参数设置模型参数后，以TL431命名并保存在库中，用于在仿真中调用。滑变RW阻值由50%阻值开始改变，在变化到一定值时万用表显示输出为100mV。4 工程设计4.1 重要预备知识PCB布线的地线干扰和抑制：1地线的定义什么是地线？大家在教科书上学的地线定义是：地线是作为电路电位基准点的等电位体。这个定义是不符合实际情况的。实际地线上的电位
30、并不是恒定的。如果用仪表测量一下地线上各点之间的电位，会发现地线上各点的电位可能相差很大。正是这些电位差才造成了电路工作的异常。电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。HENRY 给地线了一个更加符合实际的定义，他将地线定义为：信号流回源的低阻抗路径。这个定义中突出了地线中电流的流动。按照这个定义，很容易理解地线中电位差的产生原因。因为地线的阻抗总不会是零，当一个电流通过有限阻抗时，就会产生电压降。因此，我们应该将地线上的电位想象成象大海中的波浪一样，此起彼伏。2地线的阻抗谈到地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作，许多人觉得不可思议：我们用欧姆表测量地线的电阻时
31、，地线的电阻往往在毫欧姆级，电流流过这么小的电阻时怎么会产生这么大的电压降，导致电路工作的异常。要搞清这个问题，首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。3地线干扰机理3.1地环路干扰在通电电路中，由于地线阻抗的存在，当电流流过地线
32、时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时，会在地线在中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。3.2公共阻抗干扰当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。在数字电路中，由于信号的频率较高，地线往往呈现较大的阻抗。这时，如果存在不同的电路
33、共用一段地线，就可能出现公共阻抗耦合的问题。假设一个有四个门电路组成的简单电路为例子说明一种干扰现象。假设门1的输出电平由高变为低，这时电路中的寄生电容（有时门2 的输入端有滤波电容）会通过门1向地线放电，由于地线的阻抗，放电电流会在地线上产生尖峰电压，如果这时门3 的输出是低电平，则这个尖峰电压就会传到门3的输出端，门4的输入端，如果这个尖峰电压的幅度超过门4 的噪声门限，就会造成门4的误动作。4. 地线干扰对策4.1地环路对策从地环路干扰的机理可知，只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此我们提出以下几种解决地环路干扰的方
34、案。A. 将一端的设备浮地如果将一端电路浮地，就切断了地环路，因此可以消除地环路电流。但有两个问题需要注意，一个是出于安全的考虑，往往不允许电路浮地。这时可以考虑将设备通过一个电感接地。这样对于50Hz的交流电流设备接地阻抗很小，而对于频率较高的干扰信号，设备接地阻抗较大，减小了地环路电流。但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。另一个问题是，尽管设备浮地，但设备与地之间还是有寄生电容，这个电容在频率较高时会提供较低的阻抗，因此并不能有效地减小高频地环路电流。B. 使用变压器实现设备之间的连接利用磁路将两个设备连接起来，可以切断地环路电流。但要注意，变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的
35、地环路电流提供通路，因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接受电路一端。否则，不仅不能改善高频隔离效果，还可能使高频耦合更加严重。因此，变压器要安装在信号接收设备的一侧。经过良好屏蔽的变压器可以在1MHz以下的频率提供有效的隔离。C. 使用光隔离器另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这可以说是解决地环路干扰问题的最理想方法。用光连接有两种方法，一种是光耦器件，另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为2pF，能够在很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容，但安装
36、、维护、成本等方面都不如光耦器件。D. 使用共模扼流圈在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗，这样在一定的地线电压作用下，地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多，则寄生电容越大，高频隔离的效果越差。4.2 消除公共阻抗耦合消除公共阻抗耦合的途径有两个，一个是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线。如前所述，减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用
37、扁平导体做地线，用多条相距较远的并联导体作接地线。对于印刷线路板，在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗，在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗，但这会增加线路板的成本。通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地。并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中，没有必要所有电路都并联单点接地，对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。例如，可以将电路按照强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地。5. 小结地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电
38、压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有切断地环路，增加地环路的阻抗，使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用并联单点接地，彻底消除公共阻抗。4.2 Protel 99简介Protel 99是由一向注重为印刷板设计者们开发软件产品的PROTEL TECHNOLOGY公司研制。它提供一系列的电路设计工具，优秀的文件管理系统，以及真正的客户/服务器电路设计系统。Protel使设计人员从繁琐的电路设计中解脱出来，只需一个鼠标便可完成原理图到最终的印刷电路板设计的全部过程，从而真正达到Window
39、s视窗软件风格。下面就简单介绍一下用Protel 99来制作设计硬件电路的简单过程。4.3 设计原理图Protel进行电路板设计的第一步便是设计原理图。电路原理图的设计是整个电路设计的基础，因此电路原理图要设计好，以免影响后面的设计工作。电路原理图设计最基本的要求是正确性，其次是布局合理，最后在是正确性和布局合理的前提下力求美观。原理图决定了整个电路的基本功能，也是接下来生成网络表和设计印刷电路板的基础。(1)在Protel 99的初始界面下新建一个设计库，该数据库用来管理项目。 File-New-改文件名改保存路径OK (2)进入设计库文件中的文件夹Document。(3)在Document
40、 文件夹中新建原理图文件和印制板文件。File-New-Schematic Document-Ok-改文件名File-New-PCB Document-Ok-改文件名(4)打开原理图文件。(5)添加原理图文件库。Design-Add/Remove Library- 浏览所需零件库Add-Ok(6)放置电路所需的各种元件，图件，网络标号等元器件。Design-Add/Remove Library- 浏览所需零件库Add-Ok从零件库中调出元件 Place-part(7)对原图元件进行布局，布线，构成一个完整的原理图。 Place-part(8)编辑和调整。然后进行输出存档。右键Properies
41、.Designation-Part-FootrintSave(9)打印或建立报表。流程图如图4.1所示。制作的电压表原理图见附录1。图 4.1 原理图制作流程图4.4 设计PCB图用PCB系统设计PCB板分以下7个步骤：(1)有关参数的设置。这一步主要设定自动布参数、自动布线参数、板面参数等。(2)PCB板尺寸设计。在禁止布线层上，沿设计的PCB边画边框线，即指定自动布局的范围。这一步为自动布局打基础。同时，在上层板面（即元器件面）沿禁止布线层的边框图线放置覆铜线，这是PCB板最后成型所必须的。(3)布局。布局就是根据原理图上元器件之间的连接关系，并考虑电磁兼容性以及元器件的安装空间和散热等，
42、总是将元器件放置在PCB电路板上适当的位置。布局的好坏直接影响PCB板的电气性能和布局的功能，是PCB板设计过程中最费时、最繁琐的。布局工作需要耐心、细致。尽管系统提供了自动布局的功能，但是一般而言都需要手工调整。手工布局。首先载入SCH生成的网络表，通过手工移动元器件PCB板上的排列位置实现布局。移动元器件是最好打开网络连接显示，这样就能观察到相邻元器件连线的疏密。自动布局。PCB系统环境提供自动布局功能完成元器件放置，但在细节处最好使用手工调整。布局时要求相互间连线多的元器件应该就近放置；相互间可能造成干扰的元器件应远离；功率器件应考虑散热空间，例如在功放电路中就必需插入散热片。(4)自动
43、布线。布线就是在元器件引脚之间放置覆铜连线的过程，这一过程可以通过手工完成，也可以自动进行。但是Protel99的PCB系统提供了强大的自动布线功能，建议使用该功能自动布线。在进行自动布线之前，设计人员必须先设计好布线参数，定义布线规则。如果不适当，可能会导致自动布线失败，即布线的成功率不高，所以这一 步要特别注意。当然在一些比较简单的、对干扰不敏感的电子电路设计中直接采用自动布线也是很方便的。(5)启动设计规则检查DRC，这一步利用PCB提供的DRC功能对完成布线的PCB板进行检查，这一步由软件自动完成。检查的结果输出在报告文件*.rep中，PCB软件将出错处在PCB图上显示出来，为检查、修
44、改提供方便。(6)板面字符调整。为了使设计的PCB板美观，并且安装焊接元器件方便，应将元器件的名称。设计值的字符参数移至元器件框外。大小合适且字符不相重叠。(7)将经过DRC检查无误，且版面字符调整好的PCB设计图存盘、输出、制版。(8)印刷板电路设计完成以后，整个电路板的设计项目就基本完成。存档以便进行后期的修改及完善。图4.2 制作PCB板的流程4.5 焊接做出正确的PCB图后，如用热转印法泡制电路板，则要用熨斗把PCB图转印到单层印制铜板上，并用三氯化铁泡制好后，用打孔机把所需的插元器件的孔大好，再用焊锡把元器件焊接好才能完成电路板的基本制作。焊接电路板时应细心，并掌握好焊接要领，才不至
45、于造成虚焊，把不该连的两线之间接上等错误。下面就简单介绍一下焊接过程中体会到的要领。(1)保持烙铁头的清洁。因为焊接时烙铁头长期处于高温状态，表面很容易氧化而形成一层黑色杂质，使烙铁头失去加热作用。因此，要随时在烙铁架上蹭去杂质，或用棉丝把烙铁头上的氧化物擦干净。(2)烙铁头要要拿稳，不能抖动，最好将45度左右的角度进行焊接，且以烙铁头一面去接触焊点，这样传热面大，焊接快而好。焊接时不要只接触一个点，更不要将烙铁头在焊点上来回移动或用力下压。以免损坏元件和印刷线。(3)焊接时应扶稳焊件，特别是焊点凝固过程中不能晃动焊件，否则容易造成虚焊。(4)焊锡不要太多，能包住焊接头即可，每个焊点能一次焊成
46、最好，如果需要再次焊接时一定要等两次焊锡融化后方可移开烙铁头。(5)剂。过量的松香将延长加热时间(松香融化，挥发需要带走热量而降低温度)。不要用过量的焊工作效率，而加热时间不足时又容易夹杂到焊锡中形成“夹渣”缺陷。对使用松香芯的焊锡来说基本不用再涂焊剂。5 硬件电路制作和调试5.1 电路板制作过程 本次设计的主要部分就是A/D转换器和数码显示电路。由于芯片管脚太多，加上四个8段数码管，全部71个管脚(有9个管脚悬空)的连接单靠单面板走线有点困难，于是手动调整了几根跳线，具体调整情况可见附录2。恰当运用跳线一方面省事了不少，另一方面可以将其它连线的线宽和线距设大一点，这样就不至于在制作电路板时会
47、担心因为铜线过细而出现断线。吸取自己以前的和别人的经验，得知这次设计布线也是个难题，这也是当时为什么我没有急于开始硬件制作的原因。三位半数字电压表的转换精度是相当高的，盲目的急于求成而不对布线问题进行详细的考虑和设计，很可能使做出来的电路板完全达不到设计指标要求，如果调整无效，那么最后也不得不进行返工。先尽量连好靠得很近的一些管脚。在保证布局的美观性之前也要考虑元器件之间的干扰，元器件的排列尽量整齐有序，不能过分拥挤但又不能距离过大，尽量使连线短而直，避免大范围的环绕和交叉，必要时就用跳线代替。有时候为了不让两根线接触，可以局部合理的调节线距和线宽。比如在数码管和ICL7107芯片底面走线很多，这时就要尽量减少线宽，让线与线之间留有适量的空隙即可。还有一个十分重要的工序就是给整个电路覆铜网，这是减少地线干扰的有效做法，也是我从第一块电路板的制作失败中得到的重要经验。这样最后布出来的线路看起来显得错落有致，整齐美观，既完成了任务又保证了质量。5.2 电路调试过程通过以往制作电子电路的实践经验，我们都知道，即使在制作硬件电路之前进行过软件电路仿真证明了电路设计原理的正确性和可行性，并在实际制作中完全按照设计的电路参数进行安装，最后实际做出来的电路板往往也难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观因素（如元件值的误差，器件参数的分散性，分布参数的影响
