基于ICL7107的多路多用仪表的设计 - 全文

1、系统总体设计

1.1、设计目标

本次设计是以ICL7107芯片为核心设计一个可以同时测量多路电流和多路电压的数字式仪表。因为在继电保护中某些数据要同时测量才有意义，本次设计正好可以满足继电保护的这些要求，具体要实现以下几个目标：

1）最基本的功能是同时测量多路电压和电流;

2）负载电流超过定值时发出报警信号，并自动切断本路电源;

3）低廉的生产成本，较高的可靠性;4）数字化显示，易于读数。

1.2、总体方案

本次设计的系统框图见图1。

图1系统总体设计框图

在图1中，24/48V直流电源模块由两块独立的24V直流电源组合而成，根据负载要求可以组合成24V或者48V的直流电源。为突出本论文的重点，把一些辅助功能如保护等划入到电源模块中。5V直流电源是一个二次侧为M+N个独立绕组的变压器，经过整流滤波产生5V直流电源，给数字表中的ICL7107芯片供电。系统框图中为什么用粗黑色线连接5V电源和各路电表，而不象24/48V直流电源那样共正负极连接，在系统集成时会具体介绍原因。

2、系统详细设计

2.1、ICL7107性能简介

ICL7107芯片是高性能、低功耗、双积分型三位半A/D转换器。它集成了A/D转换的模拟部分电路如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，数字电路部分如振荡器、计数器、锁存器、译码器、驱动器和逻辑控制电路等，可直接驱动发光二极管（LED）。

2.2、数字式电压表设计

本次设计的数字式电压表采用单+5V供电和外接参考源方式，设计原理图见图图2。

图2  电压表原理图

由于系统正常工作电压为24V或48V，结合ICL7107芯片是三位半转换器的特点，本次设计的数字式电压表量程为99.9V，小数点固定在图2中的2号数码管上。如图2所示输入端采用99K和1K分压电路，当输入最大值99.9V时，经过分压电路分压后进入芯片的电压约为1V。

2.3、数字式电流表设计

本次设计的数字式电流表也采用单+5V供电和外接参考源方式，原理图见图3，量程为9.99A，小数点固定图中的1号数码管上。电流经过图3中30和31管脚之间的0.1欧产生压降，此电压理论最大值为0.999V，不超过芯片管脚的允许值。

图3  电流表原理图

2.4、系统集成

数字式表头设计完成之后，可以根据用户要求灵活进行集成。根据用户要求本次设计的仪表可以同时测量并显示一路电压和八路电流，并具有过流报警和自动断路功能。

在这里重点解释图1中5V直流电源和电表连接方式问题。在设计完成电压表和电流表之后单独进行测试均可以显示正确的读数，但一旦共正负极之后则读数错误。考虑到普通万用表基本都是采用ICL7106芯片设计，并且此芯片和ICL7107芯片的用法大同小异，遂采用两块万用表进行类比实验。在试验中也发现相同的问题，单个万用表都可以正常读数，把给芯片供电的电源共地时读数错误。为消除共地干扰的影响，本系统采用副边有9个独立绕组的变压器，把交流220V经过变压、整流和滤波后产生9路独立的+5V电源，分别给各个电表供电。

3、结束语

本装置的实质是利用ICL7107芯片自身强大的功能，外加少量元器件构成测量可以电压或者电流的表头，然后根据用户要求进行集成，使装置可以同时测量多路电压和电流。采用此方法设计的装置成本低，可靠性高，安装和调试简单。本次设计的几套测试装置已经投入使用，目前都正常工作。