简易交直流电压表 的设计

摘要：本设计为简易电压表，它可以实现多量程交、直流电压的测量。测量电压量程为2V、20V,分辨率分别对应为1 mV、10mV；准确度是在温度为23土5C情况下测直流时为土(0.5%RDG+3字)，测交流时为 土(1.0%RDG+3字)；输入电阻为1OMQ ；最大允许直流电压为土500V，最大允许 交流电压为500V。设计电路由分压电路、输入保护及缓冲电路、交直流转换电路、 A/D转换电路、译码显示电路组成。通过开关来实现功能和量程的转换，核心电 路采用MC14433型31；位双积分式单片A/D转换器，通过段驱动器和位驱动器来驱 动共阴极LED数码管作动态扫描实现显示功能。关键字：交、直流转换电路；A/D转换电路；动态显示电压一、概述数字电压表既是常用的一种数字电压表，也是构成数字万用表的基本电路。 随着科技的发展，电子产品在不断更新，但数字电压表是永远不会在电子产品中 消失。设计任务为：设计一个简易数字电压表，它可以测量直流、交流电压。技术指标为：测量电压量程为2V、20V、200V、500V，分辨率分别对应为1mV、10mV、100mV、1V；准确度是在温度为23土5C情况下测直流时为土 (0.5%RDG+3 字)，测交流时为土 (1.0%RDG+3字)；输入电阻为10MQ ；最大允许直流电压为 土 500V，最大允许交流电压为500V。本设计是对电压测量电路作单独的研究，从实质上去了解万用表中测量电压 的过程。电路涉及到对电路、低频、数字电路等知识的考查。二、方案论证方案一原理方框图如图1所示。传统的数字电压表由分压电路，输入保护 及缓冲电路，交、直流变换电路，A/D转换电路、译码显示电路组成。分压电路 在电路中实现电压倍率变换起到将大电压转换成小电压的作用；输入保护及缓冲 电路在电路中起到避免大电压输入对电路的烧坏；交、直流变换电路起到将交流 电压转换成直流电压，且直流电压值为交流电压的有效值；译码显示电路时将电 压的数值通过LED数码管显示出来。图 1 方案1的原理框图译码显示电路方案二的原理框图如图2所示，电路由分压电路，输入保护及缓冲电路，交、 直流变换电路，A/D转换电路，单片机及译码显示电路组成。前几个模块的功能 与方案一相同，不同的是方案中用到单片机对经过A/D转换器后的数字信号进行 记录然后通过译码显示电路进行显示。图 2 方案2的原理框图三、电路工作原理及设计1分压电路的设计电压表测量交、直流共用一个分压电路，通过电阻进行分压将电压表的量程 分为2V, 20V。分压电阻的总阻值为10 MQ,各档的分压比通过量程转换开关 S2加以选择，并且按照10倍率关系来改变。该分压器将0500V被测交、直流 电压一律衰减到2V以下，以便于将电压送入A/D转换电路进行测量及显示。分 压电路如图3所示，当电路中开关S1拨到上面时测的是直流电压，而当开关S1 拨到下面时测的是交流电压，电容C1在电路中起到隔直通交的作用。R1、R2、 R3、R4是分压电阻，S2是量程转换开关，从上到下量程分别为2V，20V。电路 中Ui1端为电压输入端，Uo1为分压后电压输出端。R21234900 ELR3R410IC图3分压电路2. 输入保护及缓冲电路的设计输入保护及缓冲电路电路图如图4所示，经过分压电路的电压从Uo1端通过 输入保护及缓冲电路到Uo2端输出。电路中R5, DI, D2构成输入保护电路，其 中R5在电路中起限流的作用，D1和D2构成双相限幅电路，进行过压保护。当 大电压输入不慎接小电压档时，电压就主要降在R5 上，可保护U3不致损坏，电 位器R6用以调整失调电压。由于采用高阻分压电路，所以需要将U3接成电压跟 随器使用，以提高其输入阻抗起到缓冲作用，减小对信号的衰减，从而输出电压 与输入电压保持不变。选择U3的原则是输入阻抗高，输入偏置电流下，功耗低 并且有偏移端。低失调运算放大器ICL7611输入失调电压2mV，温度漂移为10 UV/C，偏置电流为IpA，转换速率lOV/us,消耗电流为10UA，输入阻抗为 20MQ，有失调调零端。选择ICL7611满足电路要求。C847uT5V3. 交、直流变换电路的设计交、直流变换电路是用来将交流电压变换成直流电压，而最终得到的直流大 小相当于交流电压的有效值。该电路的设计需要滤波器和放大器，滤波器的作用 是将交流变换成直流，放大器的作用是将电压平均值转换成有效值。交流电压测 量电路如图5所示，电路中U1端为交流输入端，U0端为将交流转换成直流的输 出端，电路采用以正弦波平均值为响应的AC/DC转化的原理。在电路中由微功耗 单运放的U1 (ICL7611DCBA)和二极管D4 (1N4148)组成半波整流电路。采取将 U1接成反向放大器，D5仅在正半周时导通，进行半波整流。副半周是D4截止， D3导通，D3, R10的作用是防止U1的输出端出现电压饱和现象，并使U1的反相 输入端的电压保持稳定。可编程运算放大器U2(MC3476)与电容器C6构成有源滤波器，以便获得平 均电压值V,对半波整流而言，正弦波与平均值的关系为：V=2.22V这就要求OOIC4的电压放大倍数K2.22倍，才有调整余量。IC4的负反馈电阻Rf=R12+R16,V反相输入端的电阻为R12。因此RP6是可调电阻，调整其以改变反馈电阻值，进 而控制IC4的增益使输出电压在数值上恰好是被测交流电压的有效值。现取R16=39KQ, R17=20 KQ,只需调节R17= 5.4KQ电路中R15是ACV档的校整电 位器。选择U3的原则是功耗低，快速实现放大功能。可编程运算放大器MC3476 输入失调电压2mV，输入偏置电流15 mA,转换速率为lOmV/s,选择MC3476图5交、直流变换电路4. A/D转换及译码显示电路经过前面电路将电压转换成适合于A/D转换器的电压，通过转换将输入的模 拟量转化成数字信号并通过译码显示输出。A/D转换及译码显示电路如图8所示，用集成芯片完成A/D转换功能，选择 MC14433型3 /位CMOS双积分式A/D转换器。其管脚示意图如图6所示。2V-TiEi11Q1I1JC1LU1UK吧啊DS3EUDS+CUO.CL0DOCr血VSS1710 TT12W1817 K151T图6 MC14433管脚示意图MC14433作为A/D转换器能完成电路要求的指标和精度。MC14433能够自动 调零，自动极性转换，精度高，功耗低，其中集成了双积分式A/D转换器所有的 CMOS模拟电路和数字电路，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接 少量的阻容件即可构成一个完整的A/D电路。其输入阻抗大于100MQ，使用时 需要外接基准电压，当量程为1.999V时，基准电压为2V，当量程为199.9mV时 基准电压为200mV，有过量程和欠量程标志信号输出，与控制电路相配合，可完 成自动量程切换。转换速率410次/秒,相对应的时钟频率为50150kHzMC14433 结构示意图如图7所示。多路选择开关二 B51-ES4Q0-Q3极性判别11111 百111 千it锁存器溢出拟电路VEEF VAG _ VI图7 MC14433结构示意图芯片中的4位十进制计数器DS1、DS2、DS3、DS4用来作01999记数，在 控制逻辑和实时取数信号(DU)的作用下，将记数有效输出信号寄存起来，通过 多路开关逐位向输出端Q3、Q2、Q1、Q0发送并输出相应的标志信号DS1、DS2、 DS3、DS4，多路选择开关从高位向低位向外发送以完成动态显示扫描输出。时钟 发生器通过外接电阻R1构成反馈并利用外部的电容形成振荡产生时钟节拍脉冲 使电路能统一工作。在使用过程中，DU是实时输出控制端，主要用来转化结果的输出。若在双 积分放电周期开始之前，DU端输入一正脉冲，则该转换周期所得到的转换结果 将被送入输出锁存器经过多路开关输出，否则输出端就继续输出锁存器中原来的 转换结果，在使用过程中，若将该端与EOC端相连则每一转换周期的结果将被输 出。/or溢出标志输出端，当VX VAG时输出为低电平，EOC为转换周期结束 标志输出端，每一 A/D转换周期结束时，该端输出一正脉冲信号。根据前面电路的设计，得知输出电压值小于2V，故选择基准电压为2V。电路用 78L02 来提供 2V 的基准电压。电路中U7 (MC75492)属于六反向器，其中的4个反向驱动器作位驱动器， 另外两个驱动器分别用作负极性显示和超标量指示。4511的灯测试/LT应接高电 平(+6V),使之有效。锁存控制端LE接低电平，总保持选通状态。强迫消隐端 /BI与/OR短接，当出现过载时/OR输出为低电平。通过各个芯片的协调工作完成电路的A/D转换及译码显示功能。电路中LED5 为负极性显示发光二极管，当测试电压为负值时，该发光二极管亮。电路中 LED6 为超标量显示发光二极管，当测试电压超过电路电压的允许范围时，该发光二极 管亮。开关S5、S6、S7分别接在千位、百位、十位数码管的小数点端。通过A/D 转换器中脉冲信号来控制小数点的点亮。四、电路性能指标的测试该设计电路主要测量电路输入的交、直流电压。用 Multisim 进行仿真对测 得的数据进行采集，对数据整体进行分析，看是否满足设计要求。电路仿真图如 图9所示。当开关S1和S3向上拨动时，电路所测电压为直流，用万用表XMM1 显示其读数;当开关S1和S3向下拨动时，电路所测电压为交流，用万用表XMM2 显示其读数。开关S2是量程转换开关从上到下分别为2V、20V、200V、500V。通过仿真得到表1所示的仿真测试值，其中输入电压值为电压的峰值，测 量为万用表显示数值，实际值为万用表读数除以开关转换倍率所得的数值。理论 值为输入直流电压值或交流电压有效值。误差是测量数值的绝对误差。表1仿真测试值功能开关量程开关输入电压值测量值实际值理论值误差直流档2V1V1.002V1.002V1V0.002V2V1.5V1.502V1.502V1.5 V0.002V2V2V2.001V2.001V2V0.001V20V5V502.579mV5.025V5V0.025V20V10V1.0057V10.05V10V0.05V20V20V2.005V20.05V20V0.05V200V50V500.022mV50.00V50V0.00V200V100V1.020V102.0V100 V2V200V200V200.023mV200.02V200V0.02V500V300V302.065mV302.06V300V2.06V500V400V402.065mV402.06V400V2.06V500V500V501.022mV501.02V500V1.02 V交流档2V1V/50HZ701.934mV701.93mV707.2mV5.27mV2V1.5V/500HZ1.056V1.056V1.061V0.005V2V2V/2kHz1.404V1.404V1.414V0.10V20V5V/50Hz352.7mV3.537V3.536V0.001V20V10V/500HZ698.961mV6.989V7.072V0.083V20V20V/2kHz1.398V13.98V14.144V0.164 V200V50V/50Hz352.856mV35.286V35.361V0.075V200V100V/500HZ699.264mV69.926v70.721V0.795V200V200V/2kHz1.397V139.7V141.44V1.74 V500V300V/50Hz213.024mV213.02V212.16V0.86V500V400V/500z283.36mV283.36V282.89V0.47V500V500V/2kHz354.083mV354.083V353.61V0.473V五、结论由表1得知电路满足以下设计指标：测量电压量程为2V、20V,分辨率分别 对应为1 mV、10mV；准确度是在温度为23土5C情况下测直流时为土（0.5%RDG+3 字），测交流时为土（1.0%RDG+3字）；输入电阻为1OMQ ；最大允许直流电压可 达土 500V，最大允许交流电压可达500V。六、性价比使用这种设计方法实现比较容易，并且所用的器件的价格比较便宜。并且 电压的范围也比较大，适用于家电维修。所以从整体上来看性价比比较高。七、实验体会及合理化建议这是大学里最后一个综合课设了，还没拿到课设题目时，我就已经下决心 好好做这次课设，因为它是对三年以来所学专业知识的综合考查。课设所涉及的 课程有电路分析基础、数字电路、模拟电子线路。该课题是从理论和实践基础上, 不但能提高我们的动手能力,还能更好的理解和学习理论课的内容，而且还巩固 了理论课的学习。通过这三周的课程设计，我充分理解了不光要学习理论知识，实验也是很重 要的，明白了理论和实验相联系的真正意义。在整个课程设计的过程中，我对仿 真软件Multisim的应用更加熟练了，也对Protel99SE制板有了更多的了解，并 且还培养了我认真、耐心的习惯。课程设计对我来说帮助很大，从中锻炼了我的 能力，培养了我的兴趣。在课程设计的过程中，也使我学到了理论知识以外的很 多东西，对以后的学习和生活将有很大的影响。参考文献1 沙占友、李学芝著中外数字万用表电路原理与维修技术.M北京：人民邮 电出版社，1993年2 童诗白、华成英主编者模拟电子技术基础.M北京：高等教育出版社,2006 年3 戴伏生主编基础电子电路设计与实践.M北京：国防工业出版社，2002 年4 谭博学主编集成电路原理与应用.M北京：电子工业出版社，2003年5 沙占友、李学芝编著数字万用表电路图集.M北京:人民邮电出版社,996 年6 赵文博等编著新型常用集成电路.M北京：人民邮电出版社出版，2006年7 孙肖子等编著模拟电子技术基础.M西安：西安电子科技大学出版社,2001 年附录I元器件清单序号编号名称型号数量1R1电阻9M Q 1/2W12R2电阻900KQ1/2W13R3电阻90KQ1/2W14R4、R7、R10、R11电阻10 KQ1/2W45R5电阻100KQ1/4W16R6、R 15滑动变阻器100KQ27R8电阻6.8 KQ1/4W18R9、R14电阻1M Q 1/4W29R12电阻20KQ1/4W110R13电阻18KQ1/4W111R16电阻39KQ1/4W112R17、 R21滑动变阻器10KQ213R18电阻470KQ1/4W114R19电阻300KQ1/4W115R20、R22电阻560Q1/4W216C1、C9、C10、C11薄膜电容0.1uF417C2、C8、C13电解电容47uF, 25V318C3、C7瓷片电容0.01uF219C4瓷片电容100pF120C5瓷片电容30pF121C6电解电容20uF, 25V122C12薄膜电容0.33uF, 50V123D1、D2、D3、D4二极管1N4148424U1低失调单运放ICL7611ACPA125U2微功耗单运放ICL7611BCDA126U3可编程运放MC34761序号编号名称型号数量27U43位半A/D转换器MC14433128U5七段译码驱动器4511129U6六反向驱动器MC75492130U7三端集成稳压器78L02131D5、D6发光二极管TLR102232LED1、LED2、LED3、LED4数码管TLR312433RP1电阻网络560QX8134S1 、 S3 、 S4单刀双掷开关SW SPDT335S2拨动开关（X4）SW-DIP4136S5、 S6、 S7单向开关SW-SPST3附录II总电路图LL匸tlfCnU78C 3BRC Ci=ii r=i ii r=i