高频功率表设计
摘要
功率表一直是重要的工业测量仪表，高频功率表也是国家的重要科研设备。目前的市场上高频功率表种类繁多，而且价格昂贵。本次设计将设计一个价格低廉、使用方便并可用于宽频带的交流功率的测量电路，结果用数字显示。被测信号频率在10MHz以下，被测信号电压小于24V，被测功率0-1.0W，测量误差小于10%，分辨力为0.05W。电路有零值校准部件。测量电路的工作电源从220V交流电中获取，或者用电池供电。目前对功率的测量方法有很多种，且功率计主要分为指针式和数字式。
因为本设计要求测量功率数字显示，所以功率电路为数字式，主要利用集成模拟乘法器来实现，根据公式P=UI，将输入信号U和I通过模拟乘法器相乘实现信号相乘并通过一系列电路的处理将结果用数字显示出来。本次设计从电路的基本组成，功率测量的基本原理，各部分具体电路和总电路图进行分析。因为测量的信号为高频小信号，大体思路是利用电阻直接分压采样输入电压和输入电流，将大信号转换成模拟乘法器可以处理的小信号，送入模拟乘法器(本设计用MC1496)将两输入端实现信号的相乘，从模拟乘法器输出的相乘信号经过三极管的放大，然后通过整流器电路，滤除高频信号，将交流信号转换成直流信号，最后通过三位半LED显示A/D转化器（本设计用ICL7107）将结果数字显示。经过电路板的制作、修改和调试，最终实现模拟乘法器完全相乘状态。
关键词：功率表；乘法器；高频；数字显示
abstract
Powermeterhasbeenanimportantindustrialmeasuringinstruments,high-frequencypowermeterisalsothecountry''smajorresearchequipment.Thecurrentmarkethasawiderangeofhigh-frequencypowerandtheyareexpensive.Thisdesignwillachieveahigh-frequencypowermeterwhichisinexpensiveandeasytouse,anditcanmeasurewidebandACpower.Themeasuredsignalfrequencyisunder10MHz.Themeasuredsignalvoltageisunder24V.Themeasuredpowerfrom0to1W.Measurementerroroflessthan10%.Measuringcircuitofthepowersupplyfromthe220VACtoobtain,orusebatteries.
Therearemanywaystomeasurepower,andpowermeterisdividedintoPointeranddigital.Thedesignofthepowercircuitforthedigital.,anditusesanalogmultipliertoachieve.AccordingtotheformulaP=UI,theinputsignalUandImultipliedbyanalogmultiplier,theresultsthroughaseriesofcircuitsshowninfigures.
Generalideaistouseresistorvoltagedividercircuit,samplinginputvoltageandinputcurrentdirectly.Convertingthemintosmall-signal,thensendthesmall-signalintoanalogmultiplier(suchasMC1496).Aftertheamplificationtransistor,theoutputsignalfromtheanalogmultiplierwillfilterouthigh-frequencyandACsignalbythroughingthedetectorcircuit.Finally,thethree-semiLEDdisplayA/Dconverterwillfiguresshowtheresults.
Keywords:Powermeter;Multiplier;Highfrequency;Figures
目录
前言 1
第1章 功率测量电路的基本组成和原理 2
第2章 高频功率测量电路各部分的组成 3
2.1 电压电流采样输入级电路 3
2.2 由模拟乘法器MC1496构成乘积电路 4
2.2.1 集成模拟乘法器的内部结构 4
2.2.2 静态工作状态设置 6
2.2.3 基本工作原理 6
2.3 放大电路和整流器电路 8
2.4 显示单元电路 9
2.4.1 ICL7107的工作原理 9
2.4.2 ICL7107的性能参数 13
2.4.3 ICL7107外接电路 15
第3章 硬件电路制作与调试 17
3.1 总电路图 17
3.2 电路PCB图 19
3.3 功率测量电路板 19
3.4 电路板的调试 20
小结 21
致谢 22
参考文献 23
附录1 24
前言
目前市场上功率表种类繁多，各种功率表应用范围不同，对电功率的测量方法也不同，主要有以下几种：
1.热电偶法。热电偶是一种感温元件，是一次仪表。如果把热电偶的热节点置于微波电磁场中，使之直接吸收微波功率，热节点的温度便往上升，并由热电阻检测出温度差，该温差电势便可作为微波功率的量度。用这种原理设计成的功率计成为热电偶式功率计。
2.热敏电阻法。热敏电阻式一种具有温度系数的电阻元件，当它的温度升高时，电阻值就变小。由于热敏电阻对温度十分敏感，因此它就被广泛地应用于微瓦和毫瓦级的功率测量中。用热敏电阻测量功率时，最常用的是惠斯通电桥电路作为测量和指示装置，即把功率座中的热敏电阻作为电桥的一个臂，利用热敏电阻吸收微波功率后阻值的变化来测量微波功率[1]。
3.量热计法。热计量法是将电磁能量转换成热能来测量。变换器是感应和吸收电磁能量的负载，称为量热体。负载吸收功率，使之转换成热能，从而量热体温度上升，检测其温度差热电体，根据功率和热电势之间的关系来确定被测功率[2]。
4.二极管法。在微波功率测量中，晶体二极管是一种最常用的信号检波器，经常用作电平的指示器。
5.单片机法。测量电路由单片机、A/D转换器、地址译码器、D触发器和数码显示器部分组成。单片机做主控芯片，处理结果，用LED数码管动态显示测量结果。
6.模拟乘法器法。利用专门集成的电路芯片，可以直接将两个信号相乘，从而实现高频或低频信号的功率测量。由于模拟乘法器的型号种类齐全，一般能满足各种设计要求。
目前功率计比较常见的有两种，一种为指针式功率表，另一种为电子式功率表。指针式功率表测量法虽然测量简单，但频率响应差，而且精度低，费用方面低功率因数功率表价格高。电子式功率表测量法是利用专用的集成芯片，例如使用专用的模拟乘法器，将两路信号用芯片自动相乘得出一路信号，方便测量并且精度较高。
功率测量电路的基本组成和原理
因为设计要求被测信号频率在10MHz以下，被测信号电压小于24V，被测功率0-1.0W，相比前言中的各种功率测量方法，热电偶法适合测量更搞频率的微波；热敏电阻法测试的功率范围太小，达不到设计的要求；量热计法和二极管法不适合高频小信号的功率测量；而单片机法测量对高频信号的实时性处理不够好；而模拟乘法器法可以选用合适的模拟乘法器芯片，处理高频信号的测量信号。
由于设计要求的被测信号电压值较小，对人体不会产生危害，所以电流和电压的采样不需要专门进行隔离，而可以直接用分压电路电阻分压采样。又因为本设计要求需要用数码管数字显示，所以采用的设计是数字式功率表测量法，用模拟乘法器实现信号的相乘并用显示电路LED数字显示。整个电路大致由如下几个部分组成：
（1）取样电路。也就是分压电路，用电阻分压实现，通过电阻分压控制输入信号的大小。包括电压、电流取样，同时实现量程转换。测量电路直接从待测用电器接入电压和电流，由于接入的信号过大，不能直接送入到模拟乘法器的输入端，需要把输入端信号利用电阻分压减小至几十至几百毫伏，才能用模拟乘法器实现信号相乘，所以要分压取样电路来实现。
（2）模拟乘法器。实现乘法和累加运算，这是实现高频、实时测量的重要一环。主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。它有两个输入端口，即X和Y输入端口。模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的有源非线性器件。所以需要正负电源供电[3]。
（3）放大电路和滤波电路。模拟乘法器中输出的信号依旧为小信号，需要放大才能测量。又因为模拟乘法器输出端信号为高频交流正弦信号，需要虑掉高频部分信号和负半周的信号才能准确测量功率，所以将信号送入显示单元钱先在模拟乘法器输出端接检波电路，用检波二极管和RC回路实现信号的过滤和调制。
（4）显示单元电路。将过滤之后的信号送入显示单元芯片的输入端，让显示单元芯片自动处理，并将结果用LED七段数码管数字显示。需要专用的集成芯片来完成自动处理过程，外接电源供电使其正常工作，并连接LED数码管将结果数字显示。
若设所待测用电器的电压；用电器的电流；那么功率
（1-1）
由此公式得到电压与电流相乘的结果，因为带有高频交流分量，需要设计电路滤除其高频和交流部分信号，即可得到正弦有功功率的量。
整个电路结构框图如图1.1所示，电压输入，经过取样电路的电阻分压，转换成一路小信号Vx送入模拟乘法器的一输入端；电流输入，经过采样电阻形成另一路小信号Vy送入模拟乘法器的另一输入端。模拟乘法器将两路小信号相乘处理后为高频交流正弦信号，将经过模拟乘法器处理输出信号通过一个检波电路，滤掉高频、交流和负半周的信号，最后送如显示单元处理，将结果用七段数码管显示出来。本电路核心器件为模拟乘法器和显示电路单元。
图1.1电路结构框图
高频功率测量电路各部分的组成
电压电流采样输入级电路
因为输入模拟乘法器的信号需要几十毫伏至几百毫伏的小电压，而设计要求的负载信号小于20V，所以负载信号需要采样转换成小信号输入模拟乘法器。由于负载的电压较小，不会有强电的危险，所以可以直接用采样电阻进行采样。电流采样原理类似。小电流和一个接模拟公共端的小电阻直接形成输入电压，并通过电容C取得交流部分信号，送入模拟乘法器。至此，模拟乘法器需要的两路信号就可以采样完成。
电压电流采样输入级的电路基本原理图如图2.1所示。
图2.1输入信号采样电路
图中RL为待测的负载，R1作为分压电阻取样输入电压，R2作为输入电流的取样电阻，形成输入电流的采样电压，C1用来取得信号的交流部分。
输入级电路的实质就是利用电阻分压，将被测的高电压（几十伏或几百伏）和大电流（几安至几十安）转换成电子电路能处理的低电压（几十毫伏或几伏）输入到乘法器中。
取样电阻功能上就是做为参考，常用在反馈电路里，以稳压电源电路为例，为使输出的电压保持恒定状态，要从输出电压取一部分电压做参考（常用取样电阻的形式），如果输出高了，输入端就自动降低电压，使输出减少；若输出低了，则输入端就自动升高电压，使输出升高。采样电阻一般使用的都是精密电阻，阻值低，精密度高，一般在阻值精密度在±1%以内，更高要求的用途时会采用0.01%精度的电阻。
为了降低成本以及便于大批量生产，工业上一般采用精密电阻分流的输入变换电路。采用精密电阻分压和分流的输入电路不会引进相角误差，而对电子式功率表的测量误差的主要调整基本上都是通过调节电阻分压器和电阻分流器的阻值来进行的，因此都要设置一个可变电阻器以便于调节。对输入变换电路的电阻要求具有足够高的准备度、足够大的功率温度系数和较好的长期稳定性[4]。
由模拟乘法器MC1496构成乘积电路
集成模拟乘法器的内部结构
集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。它利用晶体管的非线性特性，在输出中把两路输入信号抵消掉，仅仅保留由非线性产生的两路输入信号的乘积项，从而获得良好的乘积特性。其用途广泛，在高频电子线路中，同步检波、振幅的调制、混频、倍频、鉴相、鉴频等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。此时，采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单的多，而且性能优越[5]。本设计中采用的MC1496内部结构图如图2.2和2.3所示：
图2.2MC1496引脚图
图2.3MC1496内部电路
MC1496是双差分四象限模拟乘法器，它的特点是能够实现两个信号的完全相乘后输出。MC1496内部引脚图和电路图如图2.2和2.3所示。其中VT1、VT2与VT3、VT4组成双差分放大器，两组差分对的恒流源，即VT5、VT6组成又一对差分电路，用以激励VT1、VT2、VT3、VT4。由于恒流源的控制可正可负，以此实现了四象限工作。VT7、VT8及其偏置电路组成差分放大器VT5、VT6的恒流源。VT7、VT8为差动放大器VT5、VT6的恒流源。进行调幅时，载波信号加在T1-T4的输入端，即引脚的8和10之间；调制信号加在差动放大器T5、T6的输入端，即引脚的1和4之间。而模拟乘法器作为功率表两信号相乘时，引脚8与10接输入电压UX，1与4接另一输入电压Uy。引脚2与3外接电阻RE，对差分放大器VT5、VT6产生串联电流负反馈，扩展了输入电压Uy的线性动态范围，已调信号取至双差分放大器的两集电极（即引出脚6和引脚12之间）输出。引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电使）。引脚5外接电阻R5，用来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值[6]。
静态工作状态设置
静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集电极—基极间的电压应大于或等于2V，小于或等于最大允许工作电压。根据MC1496的特性参数，对于图2.3所示的内部电路，应用时，静态偏置电压（输入电压为0时）应满足下列关系，即
(2-1)
(2-2)
一般情况下，晶体管的基极电流很小，对于图2.3，三对差分放大器的基极电流I8、I10、I1和I4可以忽略不记，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源I0的值确定。当器件为单电源工作时，引脚14接地，管脚5通过一电阻R5接正电源（+UCC的典型值为+12V），由于I0是I5的镜像电流，所以改变电阻R5可以调节I0的大小，即
(2-3)
当器件为双电源工作状态时，引脚14接负电源-UEE（一般接-8V），5脚通过电阻R5接地，因此，改变R5也可以调节I0的大小，即
(2-4)
根据MC1496的性能参数，器件的静态电流小于4mA，一般取I0=I5=1mA左右。器件的总耗散功率可由下式估算
(2-5)
PD应小于器件的最大允许耗散功率（33mW）。
基本工作原理
设两个输入模拟乘法器的采样电压分别为，，则MC1496乘法器的输出Uo与反馈电阻RE及输入信号Ux、Uy的幅值有关。本设计应用了模拟乘法器的相乘关系，需要管脚2和管脚3接入负反馈电阻RE。
由于RE的接入，扩展了Uy的线性动态范围，所以器件的工作状态主要由Ux决定，分析表明：
当Ux为小信号时，输出电压U0可表示为
（2-6）
式中：（2-7）
RL为输出负载电阻。UT为温度的电压当量，当T=300K时，
（2-8）
式（2-6）表明，接入负反馈电阻RE后，ux为小信号时，MC1496近似为一理想的乘法器。
当ux为大信号（大于100mV）时，输出电压U0可近似表示为
（2-8）
上式表明，Ux为大信号时，输出电压U0与输入信号Ux无关。
模拟乘法器的连接电路如图2.4所示。
图2.4模拟乘法器的连接电路
图中，R9=2k和R10=2k、R11=2k和R12=2k分别组成正电源的分压电阻，形成+6V电压输入8脚和10脚给模拟乘法器供电，R8=100k和R9=2k组成输入电压的采样电阻，
输入电压采样电压大小(2-9)
R8和R9之间的电容采样交流信号部分。管脚2和管脚3接一个负载电阻R7=1k。R1=0.5Ω和R2=51Ω为输入电流的采样电阻，
输入电流的采样电压大小(2-10)
电容C采样交流部分，R2和R3、R4和R5作为负电源的分压电阻，RW1作分压电阻，方便输入信号的取值。
放大电路和整流器电路
最终进入显示的信号要求为直流信号，而经过模拟乘法器相乘输出的信号为交流信号，所以该信号需要经过整流器滤除交流部分。模拟乘法器输出的信号依旧为小信号，而整流器的信号需要较大信号，所以还需要接入一个放大电路。因为该信号是高频信号，所以采用三极管放大电路。
整流管也就是二极管，一般通过的电较大。利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。有大功率整流管和小功率整流管。耐压和频率有高有低。就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。放大-整流电路是对被测电压信号进行放大，然后转换成直流信号进行处理并显示。它具有结构简单，输入阻抗高，适用于高频测量的特点。缺点是起始测量信号较大，非线性误差就好。
放大器和整流器的电路原理图如图2.5所示
图2.5放大和整流电路
模拟乘法器MC1496的6脚和12脚分别输出正负信号，并且送入两个PNP三极管C9012的基极进行放大；+12V供电电源通过R11和R12的降压给两个三极管形成基极电压，通过R13和RW2给三极管发射极电压，并在发射极之间串联一个电容。这样，调节RW2使两三极管的发射极和基极导通，让两个三极管工作在放大状态，并使模拟乘法器工作在完全相乘状态。在两个三极管的集电极和负电源之间接4.7K的下拉电阻以形成较为理想的偏置电压，并从两三极管的一个集电极中取得放大输出电压，送入整流电路。
整流电路由一个晶体二极管D2和RC回路组成。利用晶体二极管的单向导电性，将交流信号的负半部分滤除。C11和C12滤除信号的高频部分。
显示单元电路
本文需要设计三位半数字显示的高频功率表，被测信号频率在10MHz以下，被测信号电压小于24V，可以采用三位半LED显示A/D转化器。
A/D转换器，简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程；量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程；编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。
ICL7107的工作原理
ICL7107内部包括模拟电路和数字电路两个部分，并且两者是相互联系的。一方面，由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行；另外一方面，模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。
（1）模拟电路
模拟电路由爽积分式A/D转化器构成，电路图如图2.6所示。主要包括基准电压2.8V。
图2.6ICL7107模拟部分电路
ICL7107的模拟部分电路由源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。电路中缓冲器用来提高COM端的带负载能力，可以为设计数字多用表的电阻档和二极管挡提供便利条件。这种转化器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路设计简单、成本低廉等优点，适合于做低速模/数转换。
每个转换周期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ……的顺序进行循环。
(2)自动校零电路
自动校零阶段电路会有3个阶段：第一，内部高端输入和低端输入与外部管脚脱开，在内部与模拟公共管脚短接。第二，参考电容充电到参考电压值。第三，围绕整个系统形成一个闭合回路，对自动校零电容CAZ进行充电，以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。由于比较器包含在回路中，因此自动校零的精度仅受限于系统噪声。任何情况下，折合到输入端的失调电压小于10μV。
(3)信号积分阶段
在信号积分阶段，自动校零回路会断开，内部短接点也脱开，内部高端输入和低端输入与外部管脚相连。转化器将INHI和INLO直接输入的差动输入电压进行一固定时间的积分，这个差动输入电压可以在一个很宽的共模范围内：与正、负电源的差距各为1V之内。另一方面，若该输入信号相对于转化器的电源电压没有回转，可将INLO连接到模拟公共端上，以建立正确的共模电压。在此积分阶段的最后，积分信号的极性也已经确定了。
(4)反向积分阶段
最后一个阶段为反向积分阶段。低端输入在芯片内部连接到模拟公共端，高端输入通过先前已经充电的参考电容进行连接，内部电路能使电容的极性正确地连接以确保积分器的输出能回到零。积分器的输出回到零的时间正比于输入信号的大小。对应的数字输出为：显示值=1000×（Vin/Vref）。
(5)差动输入
输入端能承受输入放大器允许的共模电压范围内的差动电压。也就是在比正电源低0.5V和比负电源高1V的范围。在这个范围内，电路有86dB的共模抑制比。积分器的输出可以在比正电源低0.3V或比负电源高0.3V的范围内摆动为不影响线性度。
(6)差动参考源
参考电压能够在转化器的电源电压范围内的任意位置上产生。共模误差的主要来源是翻转电压，这是由于参考电容对其接点上的分部电容充电或放电而造成的。如果有一较大的共模电压，在正电压输入下进行反向积分时，参考电容会得以充电（电压增加）。这种由于正负输入电压而在参考电容上造成的电压差异会导致翻转误差。然而通过选择参考电容，使得它比分布电容大许多，则最坏情况下的误差可以控制在0.5个显示字之内。
(7)模拟公共端
此管脚主要是为在电池供电的应用场合或输入信号相对于供电电源是浮动的系统中建立一个公共电压而设置的。COMMON管脚设置的电源比正电源约低2.8V，这样的选择可以使电池低至接近6V时仍能工作。只有当总的供电电压足够高使得稳压管能工作时（＞7V），此公共点的电压才有较低的电压系数（0.001%/V）和较低的输入阻抗（≈15Ω），典型情况下的温度系数小于80ppm/℃[7]。
另外，在ICL7107中，由于驱动LED数码管而导致的内部发热会使性能下降。由于塑料的热阻比陶瓷的大，因此塑封电路比瓷封电路在这方面的性能要差，由于参考源的温度系数、片上功耗和封装的热阻等原因，会使接近满量程时的噪声从25μVp-p上升到80μVp-p。另外，高功耗（例如显示值为1000，二十段显示）与低功耗（例如显示为1111，八段显示）使得线性度之差会达到一个字，甚至更多。参考源有正温度系数的电路在量程溢出时会多出几个字。这是因为溢出时三个低位数字均不显示，而处于低功耗状态。相似地，参考源为负温度系数的电路会在溢出和非溢出读值直接来回交替变化。这是由于芯片不断被加热和冷却的结果。所有这些问题在使用外部参考源时自然就解决了。
由于ICL7107功耗很小，可以忽略，基本上没有上述问题，在两种电路的应用中，都可以方便地加上外部参考源。如图2.7所示。
图2.7外部参考源的连接
模拟公共端在自动校零和反向积分期间与低端输入回路相连。如果INLO不同于模拟公共端，就会在系统中产生一共模电压并会被电路优异的共模抑制特性所抑制，但是在某些应用场合，INLO会被设置成一已知的固定电压（比如电源的公共端），这时，模拟公共端也应该接至此同一点，以消除电路上的共模电压。此问题对于参考电压也同样重要。如果参考源能方便地接至模拟公共端，就必须要接。因为只有这样才可以消除由于参考源系统而引入得共模电压。
在芯片内部，模拟公共端连接至一N沟道场效应管，该管子有约30mA的陷电流能力，以至模拟公共端的电压维持在比电源电压低2.8V（当有一负载将此公共电往正上端拉时）。但是该模拟公共端只有10μA的源电流能力。因此，COMMON端可方便地连接至负电压而不必考虑内部的参考源。
(8)测试管脚
TEST管脚提供两个功能。在ICL7107电路中，它通过一个500Ω的电阻连接到内部产生的数字部分电源。这样，它能提供外部产生的LCD字符端驱动电路的负电源。这些LCD驱动器可以用来驱动显示小数点或其他用户希望在LCD屏上显示的图形或字符。
TEST管脚的第二个功能是“显示测试”。当TEST管脚置于高电平时（接V+），所有的LCD驱动端都显示，显示为“1888”，在这种方式下，TEST管脚可陷入大约15mA的电流。
只要把小数点定位在十位上，即可直接读出结果。满量程时N=2000，此时UM=2UREF=200mV，仪表显示超量程符号“1”。
欲测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选用绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。
(9)元器件选择说明
1）积分电阻
缓冲放大器和积分器都带有甲类输出放大器，静态电流均为100μA左右。输出为4μA时的非线性度很小，可以忽略不计。积分电阻必须足够大，以使在整个输入信号范围内的积分电流都落在这个线性度很好的区间。
2）积分电容
积分电容的选择须使最大电压摆幅不达到积分器输出电压的最大饱和摆幅（约比电源和地低0.3V和高0.3V）。当ICL7107的模拟公共端用作参考点时，积分器输出满量程为2V时最佳。当ICL7107用+5V电源供电，模拟公共端接地时，±3.5V至+4V的标称输出幅摆为最好。选择积分电容的另一要求是其漏电要小，以减小翻转误差。聚丙烯电容较为合适。
3)自动校零电容
自动校零电容的大小对系统的噪声会有影响。在200mV满量程时，噪声显得很重要。0.047μF的电容较合适。这样，噪声在合理范围内，同时，也加快了过载时的恢复速度。
4)参考电容
在绝大多数使用场合下，0.1μF的电容效果最好。然而，当存在较大的共模电压（即REFLO管脚没有与模拟公共端连接）和使用200mV的满量程时，可以选用较大的电容，以防止产生翻转误差。一般情况下，1μF的电容在这种情况下课将翻转误差控制在0.5个显示字范围之内。
5)振荡器元件
100KΩ的振荡电阻适合大多数频率范围，振荡电容的值由下式进行推算，f=0.45/RC。在48KHz振荡频率时（每秒3个读数），C=100pF。
6)参考电压
产生满量程读数值输出（2000个计数）所需的模拟输入电压为Vin=2Vref，这样，对于200mF和2V的量程，Vref应分别为100mV和1V。然而，在许多应用场合，该A/D电路直接连接到传感器的输出，在数字输出和输入电压之间就存在一量程因子的问题。在用±5V供电的ICL7107的输入端可接受±4V的输入信号，这类系统的另一个优点就是在输入电压Vin≠0时，可将输出数字读数调为零。
7)供电电源
ICL7107设计工作于±5V的电源电压，如果负电源没有时，可利用时钟输出信号外接2只二极管、2只电容和一块廉价的集成电路来产生这个负电源。
ICL7107的性能参数
ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换电路，同时ICL7107也是双积分的A/D转化器。ICL7107集成了A/D转化器的模拟电路部分，它含有七段译码器、显示驱动器、时钟系统和参考源。ICL7107可以直接驱动发光二极管（LED）。这样，ICL7017使用时只需要外接少量的电阻、电容等元件和显示器件，就可以完成模拟到数字量的转换，从而满足设计要求。显示数据的稳定性和可读性，测量速度的反应快慢，是本设计的关键。ICL7107的一个周期是用4000个计数脉冲时间作为A/D转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零（AZ）、信号积分（INT）和反积分（DE）三个阶段。内部逻辑控制电路不断地重复产生AZ、INT、DE三个阶段的控制信号，适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作，是输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数器的数值T，即：VIN的数值或VIN=Verf(T/1000)。式中：1000为积分时间（1000个脉冲周期）；T为反积分时间（满度时为2000）。
ICL7106、ICL7107将高精度、通用性和较低的成本很好地结合在了一起，它们有低于10μV的自动校零功能，零漂小于1μV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种的系统中都很有用。另外，只要用十个左右的无源元件和一个LCD屏就可以与ICL7106构成一个高性能的仪表面板，从而实现低成本和单电源工作。当然，除了单电源工作外，ICL7107还可以正负双电源同时工作。
本设计采用的三位半LED显示A/D转化器型号为ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成，它具有以下特点：
1.保证零电平输入时，各量程的读值均为零；
2.1pA典型输入电流；
3.噪声很低（成立条件：小于15μVp-p）；
4.片上时钟；
5.真正的差动输入和差动参考源，直接LED显示驱动，不需要另加驱动器件，使整机线路简化；
6.LED属于电流控制器件，在三位半数字仪表中采用直接驱动方式，所以芯片本身功耗较低；
7.可以采用正负双电源供电[7]。
ICL7107的正常工作的温度范围为0～70℃，封装形式为DIP-40。
三位半LED显示A/D转化器ILC7107引脚图如图2.8所示：
图2.8ICL7106引脚图
ICL7107的管脚1和26是正、负极。32脚COMMON为模拟信号的公共端，简称模拟地，使用时应与IN-、UREF-端短接。37脚TEST是测试端，该端经内部500Ω的电阻接数字电路的公共端（GND，因为两者呈等电位，故也称数字地。该端有两个功能：1.作测试指示，将它接U+时LCD显示全部笔端1888，即可以检查显示器有无笔端残缺现象；2.作为数字地供外部驱动器使用，来构成小数点及标志符的显示电路。管脚2-8为个位笔端驱动端，管脚9-14和管脚25为十位笔端驱动端，管脚15-18和管脚22-24为百位笔端驱动端。将它们接至LCD的相应笔端电极。千位的b、c端在LCD内部连通。当计数值N＞1999时显示器益处，仅千位显示“1”，其余位消隐，以此表示仪表超量程（过载溢出）。20脚POL为负极性指示的驱动端。21脚BP为LCD背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。38-40脚OSL1-OSL3为时钟振荡器引出端，外接阻容可构成两级反相式阻容振荡器。36脚UREF+、35脚UREF-分别为基准电压的正、负端，利用片内U+-COM之间的+2.8V基准电压源进行分压后，可提供所需的UREF值，也可选外基准。34脚CREF+、33脚CREF-是外接基准电容端。31脚IN+、30脚IN-为模拟电压的正、负输入端。29脚CAZ端接自动调零电容。28脚BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。27脚INT为积分器输出端，接积分电容CINT。
ICL7107的极限参数如附录1所示，测试温度为25℃。
ICL7107外接电路
根据芯片厂方所提供的应用电路和性能参数，经过分析，并结合本项目设计的需要，所设计的显示电路如图2.9所示。
图2.9ICL7107外接电路
ICL7107芯片的供电方式：芯片1脚供电，正确电压为直流5V；26脚为负电源引脚，正确电压为-3至-5V范围；32脚为芯片内部模拟地端。1脚和26脚供电引脚所需电压均以32脚公共模拟地端为参考点。为了保证芯片的正常工作，在32脚和1脚之间接一个5V的稳压器件，在正电源和模拟公共端之间形成一个+5V的直流信号为芯片供电。32脚和26脚之间接一个5V的稳压二极管，从30脚接出一个5V电压，在32脚26脚之间形成一个-5V的电压。
ICL7107芯片的外接积分电路:27脚接0.22μF的积分电容；28脚接积分电阻，因为对于2V的满量程时470kΩ是最优的，本设计只需要1.00V的满量程，所以选取220kΩ的积分电阻；29脚接0.047μF的自动校零电容。这样，三个管脚之间形成一个积分电路，就可以在31脚输入0-1.00V的被测电压。
ICL7107芯片的接地：32脚为信号输入引脚，芯片的电源地21脚，模拟地32脚，输入信号地30脚，基准地35脚全部接地。负电源从输入信号负端接入并接地。
外接振荡电路和测试电路：38、39、40脚接一个振荡电阻和振荡电容组成振荡器。37脚为测试脚，接一电阻。
基准电压调节电路和滤波电路：36脚和正电源之间接一变阻器和分压电阻，方便调试基准电压。33脚和34脚接1000pF的滤波电容。
ICL7107芯片与LCD的接法：管脚2-管脚8为个位笔端驱动端，管脚9-管脚14和管脚25笔端驱动端，管脚15-管脚18和管脚22-管脚24为百位笔端驱动端。将它们接至LCD的相应笔端电极。
按上述电路连接后，电源供电，调节变阻器RW2，用万用表测试36脚电压，将它调为500mV，这样，基准电压就调试完成。振荡器频率为
（2-11）
将ROSC=100k，COSC=100P代入2-11，得振荡频率fOSC=45kHz。
满量程为1V时，读出数N与参考电压VREF、输入电压VIN的关系：
（2-11）
将VREF=500mV代入式2-11。得
（2-12）
这样，根据显示器的显示值，就可以得出输入信号的大小；也可以在已知输入信号大小的情况下，验证测试电路的精准性。
硬件电路制作与调试
总电路图
总电路中模拟乘法器和三位半LED显示A/D转化器ICL7107都需要外接正负电源供电，所以同接一个+12V电源。模拟乘法器8脚和10脚接入+12V电源分压之后的电压，1脚和4脚接经过-8V电源分压之后的电压。14脚接-8V电压，并接一电容接地。模拟乘法器的输出端6脚和12脚分别接两个三极管的基极，经过放大的信号送入整流器电路，并通过滤波电路和ICL7107的31脚、32脚相连。+12V电压不能直接接入ICL7107的1脚，需要接滤波电容，经过电阻的降压，在1脚和32脚模拟公共端之间接稳压器件，使器件取得正常工作电压。+12V电源通过电阻分压同时加到三极管的发射极和基极，让三极管导通并工作在放大状态。ICL7107的负电源26脚和地端21脚接30脚，使26脚和32脚之间形成-5V的工作电压。电路PCB图
经过protel绘制和修改的总电路的PCB图。
功率测量电路板
电路板的调试
根据电路图，制作修改完成电路板后进行调试。因为本电路设计采用的是模拟乘法器MC1496，要准确测试模拟乘法器处理的相乘信号，就必须让模拟乘法器工作在完全相乘的状态。这就需要调试模拟乘法器的静态工作状态。
因为要验证模拟乘法器的相乘状态，所以采用平衡调幅波的调制原理来验证模拟乘法器的信号完全相乘状态。原理如下：设载波信号的表达式为，调制信号的表达式为，则调幅信号的表达式为。理论波形如下图所示：
图3.1
根据2.2.2静态工作状态设置，在电路板的正负电源端和接地端焊上测试点，在输入电压和输入电流端也接测试点。从交流稳压电压中接供电电源，在正电源处接+12V电压，负电源处接-8V电压，接地端接地。从函数信号发生器中送入一路高频信号到输入电流的采样端，通过采样电路形成Vx，作为载波信号；送入一路低频信号到输入电压的采样端，通过采样电路形成Vy，作为调制信号。接地端接地。
用双踪示波器观察模拟乘法器管脚6或管脚12的波形。观察显示6脚输出波形为8脚的输入波形，模拟乘法器未能正常工作，经过检查确定为三极管焊接错误。在修正错误以后，测试6脚波形，显示相乘关系，但未能完全相乘。用万用表测试模拟乘法器8脚和10脚电压，显示相等；测试模拟乘法器1脚和4脚电压显示相等；测试6脚和12脚电压显示不相等；PNP三极管的发射极电压和基极电压，发现差值过小，将发射极变阻器调至最大，未能解决问题，说明变阻器阻值过小。所以再在变阻器和正电源之间串联一个1K电阻，然后调节变阻器，6脚波形和理论波形一致，说明两信号完全相乘，模拟乘法器工作在完全相乘状态。至此，模拟乘法器的静态工作状态调试完成。
小结
目前功率测量的方法虽多，但是对于测量不同类型信号的功率所采用的方法和原理也大相庭径。通过分析设计任务，因为需要测量高频小信号的功率，所以经过比较采用了模拟乘法器MC1496来完成设计任务。高频小信号不需要进行专门的隔离措施，可以直接用电阻分压采样获得输入模拟乘法器相乘的两路信号，经过模拟乘法器的信号需要A/D转换数字显示，所以设计了A/D转换显示电路，采用三位半LED显示A/D转换器ICL7107来完成。此外，在信号送入显示电路之前，设计了三极管放大电路和整流器电路来处理模拟乘法器输出的高频交流信号，以便更精确地提取ICL7107所需要的直流信号。通过电路的分析、元器件的比较、电路图的绘制和修改，最后在实验室里对电路板的制作和调试，完成了论文设计，并实现了模拟乘法器的完全相乘状态。
致谢
在确定了论文课题之后，通过查阅大量资料，多次请教老师，一步一步完成此次设计。从方案的确定，到对需要采用的元器件性能指标的熟悉，再到电路图的绘制和不断修改，到最后电路板的制作和测试，在将近六个月的时间里，在陈庭勋老师的帮助和指导下完成了此次设计并完成了论文。这些成果，凭我个人的力量是无法完成的。在这里我要衷心感谢陈庭勋老师在此期间对我无私的帮助和指导。陈老师严谨的治学态度、精湛的专业技能和知识、勤勤恳恳的精神都让我受益匪浅，不仅让我加固了理论知识的掌握，更让我对做一件事的态度有了重新的认识。再一次对陈庭勋老师无私的指导和帮助表示由衷的感谢！最后，也感谢评阅老师花费宝贵的时间和精力评阅此文。
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ICL7107的极限参数
参数 符号 参数范围 单位 电源电压 ICL7107 V+～GND 6 V ICL7107 V-～GND -9 模拟输入电压（任一输入）
（注1） V+～V- 参考源输入（任一输入） V+～V- 时钟输入 ICL7107 GND～V+ 工作温度 Topr 0～+70 ℃ 储存温度 Tstg -65～150 ℃ 热阻（典型值）（注2） θJA 50 ℃/W 最大结温 150 ℃ 注：1）输入电压允许超过电源电压，但输入电流必须限制在±100μA。
2）电路安装在试验版上，在自由流通空气中测试θJA。
浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文
I
114
213
312
411
510
69
78
+singlein
GainAjust
GainAjust
-singlein
BIAS
+output
V-
-output
-CARRIERINPUT
+CARRIERINPUT
电源正V+
d1
c1
b1
a1
f1
g1
e1
d2
c2
b2
a2
f2
e2
d3
b3
f3
e3
ab4
负号输出端POL
OSC1振荡反馈输入
OSC2接振荡电阻
OSC3接振荡电容
TEST（灯测试）
VREF+（参考电压端）
VREF－（参考电压端）
CREF+（参考电容端）
CREF-（参考电容端）
COM（模拟信号公共端）
IN+（模拟信号输入端）
IN-（模拟信号输入端）
AZ自动调零端
BUF缓冲控制端
INT积分器输出端
V-电源负
g2
g3
a3
c3
BP/GND
140
239
338
437
536
635
734
833
932
1031
1130
1229
1328
1427
1526
1625
1724
1823
1922
2021
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