MẠCH VOLTMETER CHỈ THỊ SỐ SỬ DỤNG VI MẠCH ICL7107

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ
—–¯—–

BÁO CÁO ỨNG DỤNG KĨ THUẬT SỐ TRONG
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

MẠCH VOLTMETER CHỈ THỊ SỐ SỬ DỤNG
VI MẠCH ICL7107
GVHD : Ths. LÊ VĂN BẠN
SVTH : Trần Đức Bảo
LỚP

: DH12TD

MSSV : 12138017

Tháng 10 năm 2014
A.

GIỚI THIỆU VI MẠCH ICL7107:
1


I. GIỚI THIỆU CHUNG:
ICL7107 của hãng Intersil là một bộ chuyển đổi AD 3 ½

digit

công suất thấp, hiển thị tốt. Bao gồm trong IC này là bộ giải

mã

LED 7 đoạn, bộ điều khiển hiển thị, bộ tạo chuẩn và bộ tạo

xung

đồng hồ. Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏ

hơn 10

uV, điểm “0” trượt không quá 1uV/oC, độ dốc dòng ngõ vào

tối đa

là 10pA.
Các giá trị định mức:






Điện áp nguồn: V+ → GND : 6V; V- → GND : -9V
Điện áp ngõ vào analog: V+ → VĐiện áp ngõ vào tham chiếu: V+ → VNgõ vào clock: GND → V+
Các điều kiện bên ngoài:
Phạm vi nhiệt độ: 0oC → 70oC

Về nhiệt:
 Nhiệt trở: 50 θJA (oC/W)

 Nhiệt độ định mức cho phép của các mối nối: 150oC
 Phạm vi nhiệt độ lưu trữ định mức: -65oC → 150oC
 Tóm tắt thông tin thiết kế:
•

Tần số bộ dao động:
fOSC = 045/RC
COCS > 50pF; ROSC > 50kΩ
fOSC (typical) = 48kHz

•

Chu kỳ dao động:
tOSC = RC/0.45

•

Tần số đồng hồ tích hợp:
fCLOCK = fOSC/4

•

Chu kỳ tích hợp:
tINT = 1000x(4/fOSC)

2


•

Chuẩn loại bỏ 50/60Hz:
tINT/t60Hz hay t INT/ t60Hz = số nguyên

•

Dòng tích hợp tối ưu:
IINT = 4uA

•

Điện áp toàn giai ngõ vào analog:

VINFS (typical) = 200mV hoặc 2V
•

Trở tích hợp:
RINT = VINFS/IINT

•

Tụ tích hợp:
CINT = (tINT.IINT)/V INT

•

Độ lắc điện áp ngõ ra bộ tích hợp:
VINT = (tINT.IINT)/CINT

•

Độ lắc tối đa VINT:
(V- + 0.5V) < VINT < (V+ - 0.5V), VINT (typical) = 2V

•

Bộ đếm hiển thị:
COUNT = 1000.VIN/VREF

•

Chu kỳ chuyển đổi:
tCYC = tCLOCK x 4000 tCYC = tOSC x 16000 khi fOSC = 48kHz thì tCYC = 333ms

•

Điện áp ngõ vào trạng thái mode chung:
(V- + 1V) < VIN < (V+ - 0.5V)

•
•

Tụ tự chỉnh “0”
0.1uF < CREF < 1uF VCOM
Độ dốc giữa Vi và V-:
VCOM ≅ V+ - 2.8V

•
•

Tổn thất điều chỉnh khi V+ → V- <≅ 6.8V .

Nếu VCOM bị kéo tụt xuống (V+ → V-)/2 thì mạch VCOM sẽ ngắt.

3


.

Dạng sóng ngõ ra khuếch đại tích hợp điển hình (chân 27 – INT ):

II. CHI TIẾT:
1. Vùng xử lý tín hiệu tương đương:
 Nguyên tắc hoạt động:
Để hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch này cần phải hiểu được cách hoạt động của
mạch tích hợp ADC. IC này có các đặc điểm rất quan trọng sau:
•
•
•
•
•

Độ chính xác rất cao.
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
Không cần mạch lấy mẫu và mạch giữ.
Tích hợp đồng hồ.
Không cần các thành phần ngoại vi có độ chính xác cao.
H3. Vùng xử lý tín hiệu tương đương của ICL7107

H4 thể hiện mạch xử lý tương tự của ICL7107. Mỗi chu kỳ đo được chia thành ba pha: (1)
Tự chỉnh “0” (A – Z), (2) tích hợp tín hiệu (INT) và (3) giải tích (DE).

4



o
o
o


o


o


o


o

Pha tự chỉnh “0”:
Trong pha này thực hiện 3 việc:
Ngõ vào cao và thấp bị ngắt kết nối khỏi các chân và ngắn mạch nội với chân
COMMON analog.
Tụ tạo chuẩn được nạp tới điện áp chuẩn.
Một vòng lặp hồi tiếp nối kín quanh hệ thống để nạp cho tụ tự chỉnh “0” CAZ để bù
cho điện áp offset (trôi) trong bộ khuếch đại đệm, bộ tích hợp và bộ so sánh. Vì bộ
so sánh nằm trong vòng lặp nên độ chính xác A-Z chỉ bị giới hạn bởi nhiễu của hệ
thống. Trong bất cứ trường hợp nào, điện áp offset do ngõ vào nhỏ hơn 10uV.
Pha tích hợp tín hiệu:

Trong quá trình tích hợp tín hiệu, vòng lặp tự chỉnh “0” được mở, ngắn mạch nội
không còn, ngõ vào cao và thấp được nối với các chân ngoại vi. Bộ chuyển đổi lúc
này tích hợp điện áp khác biệt giữa chân IN HI và chân IN LO trong một khoảng
thời gian cố định. Điện áp sai biệt này có thể nằm trong phạm vi rộng: lên tới 1V từ
cả hai nguồn. Mặt khác nếu tín hiệu vào không hồi trở lại nguồn cung cấp thì IN
LO có thể bị nối với chân COMMON analog để thiết lập điện áp mode chung chính
xác. Cuối pha này các cực của tín hiệu tích hợp được xác định.
Pha giải tích:
Còn gọi là tích hợp tham chiếu. Ngõ vào thấp luôn được kết nối nội với chân
COMMON và ngõ vào cao được kết nối qua tụ chuẩn đã được nạp từ pha trước.
Mạch trong IC đsrm bảo rằng tụ điện sẽ được nối đúng cực để làm bộ tích hợp ngõ
ra chuyển về “0”. Thời gian cần thiết để ngõ ra chuyển về giá trị “0” tỉ lệ với tín
hiệu vào. Đặc biệt số được hiển thị là: DISPLAY COUNT = 1000.Vin/Vref
Ngõ vào chênh lệch:
Ngõ vào có thể chấp nhận các điện áp chênh lệch trong phạm vi của bộ khuếch đại
ngõ vào, hay cụ thể là từ 0.5V dưới nguồn dương đến 1V trên nguồn âm. Trong
phạm vi này hệ thống có CMRR(common mode rejection ratio) 86 dB. Tuy nhiên
cần bảo đảm ngõ ra bộ tích hợp không bão hòa. Trường hợp xấu nhất là điện áp
mode chung tích cực lớn với một điện áp ngõ vào tích cực âm toàn giai. Tín hiệu
ngõ vào âm điều khiển bộ tích phân dương khi phần lớn độ lắc ngõ ra đã được tận
dụng bởi điện thế mode chung tích cực dương. Dành cho những ứng dụng cao độ
lắc của tích hợp ngõ ra có thể được giảm xuống nhỏ hơn độ lắc toàn giai 2V với ít
sai số hơn. Bộ tích phân ngõ ra có thể lắc trong khoảng 0.3V với cả hai nguồn mà
không mất sự tuyến tính.
Tham chiếu sai biệt:
Điện áp tham chiếu có thể được tạo ra mọi nơi từ điện áp nguồn của bộ chuyển đổi.
Nguồn chính của lỗi mode chung là điện áp vòng tạo bởi tụ tham chiếu nạp hay xả
làm sai lạc giá trị điện dung của nó. Nếu có điện áp mode chung lớn, tụ tham chiếu
có thể được nạp (tăng điện áp) khi được dùng đến để giải tích một tín hiệu dương
nhưng sẽ xả (giảm điện áp) khi được dùng để giải tích một tín hiệu âm. Sự khác

biệt trong tham chiếu điện áp vào dương và âm sẽ gây ra lỗi. Tuy nhiên, bằng cách
5


chọn tụ tham chiếu chẳng hạn tụ có điện dung đủ lớn thì lỗi này có thể được kiểm
soát hơn 0.5 lần đếm.
2. Vùng xử lý số của ICL7107:
H4 thể hiện mạch đồng hồ trong ICL7107.
H5 thể hiện vùng xử lý số của ICL7107.

H4. Mạch đồng hồ
B.


H5. Vùng xử lý số của ICL7107

MẠCH VOLTMETER CHỈ THỊ SỐ SỬ DỤNG VI MẠCH ICL7107:
Đặc điểm chung:
Bộ Vôn mét này khá dễ chế tạo nhưng ngược lại nó rất hiệu quả và chính xác. Vôn mét
này được thiết kế như một bảng hiển thị và có thể dùng nguồn DC hoặc ở bất cứ nơi nào
sao cho có thể hiển thị đúng kết quả. Trong mạch có sử dụng bộ ADC (Analog-Digital
Converter) I.C CL7107 chế tạo bởi hãng INTERSIL. Loại IC này có 40 chân tích hợp tất
cả những mạch điện cần thiết để chuyển đổi một tín hiệu analog thành tín hiệu số và có
thể trực tiếp điều khiển hiển thị một dãy 4 LED 7 đoạn. Các mạch tích trong IC này bao
gồm một bộ chuyển đổi A/D, bộ so sánh, đồng hồ, bộ giải mã, và bộ điều khiển hiển thị
LED 7 đoạn. Mạch thiết kế ở đây có thể hiển thị mọi giá trị điện thế DC trong phạm vi từ
0 đến 1999 Volts.



Các đặc tính chi tiết kỹ thuật của mạch như sau:
Điện thế nguồn cung cấp: +/- 5V (Đối xứng)
Công suất yêu cầu: 200 mA (Tối đa)
Phạm vi đo: +/- 0 – 1999 VDC trên 4 số
Độ chính xác: 0.1 %



Đặc điểm:
•
•
•

Kích cỡ nhỏ gọn.
Dễ thiết kế.
Chi phí thấp.
6


•
•
•

Điều chỉnh dễ dàng.
Dễ quan sát giá trị trong khoảng cách nhất định.
Cần ít phụ kiện.

H6. Mạch
nguyên lý
H7. Phần

nguồn
 Một
bộ

chyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (gọi tắt là ADC) được biết như là bộ
chuyển đổi dốc đôi hay bộ chuyển đổi tích hợp. Loại bộ chuyển đổi này được ưa
chuộng hơn các loại khác bởi vì nó có độ chính xác cao, đơn giản trong thiết kế và
tương đối không bị ảnh hưởng bởi nhiễu, từ đó nó rất được tin cậy. Nguyên lý hoạt
động của mạch sẽ dễ hiểu hơn khi ta chia nó thành hai phần. Trong suốt tầng thứ
7


nhất, bởi vì đối với một chu kỳ đã cho thì điện áp ngõ vào được tích hợp, và ở ngõ ra
của bộ tích hợp ở cuối của chu kỳ sẽ có một điện áp tỉ lệ thuận với điện áp ngõ vào. Ở
cuối chu kỳ đặt trước, bộ tích hợp được nhận một điện áp tham chiếu nội và ngõ ra
của mạch giảm dần dần cho đến khi đạt đến mức điện áp tham chiếu không. Pha thứ
hai còn được gọi là khoảng dốc âm và thời gian của nó phụ thuộc vào ngõ ra của bộ
tích hợp trong chu kỳ thứ nhất. Bởi vì quãng thời gian thứ nhất là cố định và khoảng
thứ hai có thể thay đổi nên chúng ta có thể so sánh hai khoảng thời gian này với nhau,
và bằng cách này điện áp ngõ vào được so sánh với điện áp tham chiếu nội, kết quả
được mã hóa và gửi đến bộ hiển thị.
H8. Mạch layout
 Thực tế không dễ dàng như vậy vì một chuỗi các thuật toán rất phức tạp tất cả đều

được tạo bởi IC ADC với sự trợ giúp của một số thành phần ngoại vi có tác dụng cấu
hình mạch cho phù hợp vợi công việc yêu cầu. Thực tế mạch làm việc chi tiết như
sau: Điện áp cần đo được đặt vào giữa 2 điểm 1 và 2 của mạch và qua mạch gồm R3,

R4 và C4 vuối cùng được đưa vào chân 30 và 31 của IC tương ứng với ngõ vào mức
cao và ngõ vào mức thấp (có thể quan sát các ngõ vào của IC dựa vào sơ đồ của nó).

Điện trở R1 và tụ C1 dùng để tạo tần số cho bộ dao động nội (đồng hồ), thường thiết
lập ỏ khoảng 48 Hz. Ở tốc độ xung này sẽ có khoảng 3 trạng thái thay đổi được đọc
mỗi giây.Tụ C2 nối giữa hai chân 33 và 34 của IC dùng để bù cho lỗi gây ra bởi điện
áp nhiễu nội và giữ trạng thái hiển thị ổn định. Tụ điện C3 và điện trở R5 nằm cùng
một mạch có nhiệm vụ tích hợp điện thế ngõ vào đồng thời chống lại mọi sự phân
chia điện thế ngõ vào giúp làm cho mạch chạy nhanh hơn và đáng tin cậy hơn bởi vì
khả năng xuất hiện lỗi được giảm xuống rõ rệt. Tụ điện C5 làm cho bộ hiển thị cho
8


giá trị “0” khi không có điện áp ở ngõ vào. Điện trở R2 cùng với biến trở P1 được
dùng để điều chỉnh thiết lập các giá trị hiển thị sao cho khi không có điện áp ngõ vào
thì hiển thị giá trị “0”. Điện trở R6 điều khiển dòng điện được cho phép qua bộ hiển
thị sao cho đạt độ sáng cần thiết mà không gây quá dòng. ICL7107 có khả năng điều
khiển hiển thị 4 LED 7 đoạn chung Anode. 3 LED bên phải được kết nối sao cho
chúng có thể hiển thị tất cả các số từ ‘0’ đến ‘9’ trong khi LED còn lại bên trái chỉ có
thể hiển thị số ‘1’ và khi điện áp âm thì hiện dấu ‘ – ‘. Toàn bộ mạch hoạt động từ
nguồn 5 VDC đối xứng được đưa vào các chân 1 (+5V), 21 (0V) và 26 (- 5V) của IC.
5
H9. Mạch in

9