三位半数字直流电压表的设计

-钦 州学院数字电子技术课程设计报告三位半数字直流电压表的设计院 系 物理学院专 业 过程控制自动化学 生 班 级 1班 姓 名 *学 号 *指导教师单位 *指导教师 *指导教师职称 *2013年7月三位半数字直流电压表过程控制自动化专业 *指导教师 *摘要：根据设计的指标和要求，结合平时所学的理论知识，设计出一个功能较齐全的数字直流电压表。关键词：电压表、电路、设计、A/D转换器目录前言11 设计技术指标与要求11.1 设计技术指标 1 1.2 设计要求 12 方案的设计及元器件清单.13 电路的工作原理.24各部分的功能.3 4.1 三位半位双积分A / D 转换器CC14433 的性能特点3 4.2 基准电源(CC1403)3 4.3 译码器(MC4511)4 4.4 显示电路模块5 4.5 驱动器5 4.6 显示器55系统电路总图及原理5 5.1 电路组成5 5.2 电路的工作原理及过程65.2.1 三位半AD转换器MC144337七段锁存-译码-驱动器CD45118高精度低漂移能隙基准电源MC140396 电路连接测试 97经验体会10参考文献10. z.-前言数字电压表（DigitalVoltmeter），简称DVM，是采用数字化测量技术，把连续的模拟信号转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电压表的类型很多，其输入电路、设计电路和显示电路基本相似，只是电压数字转换方法不同。因此，我们此次设计电压表就是为了了解电压表的原理，从而学会制作电压表。而且通过电压表的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。1 设计技术指标与要求1.1 设计技术指标 1. 量程：一档：+1.999V01.999V 二档: +19.99V019.99V2. 用七段LED数码管显示读数，做到显示稳定、不跳变；3. 保持/测量开关：能保持*一时刻的读数；4. 指示值与标准电压表示值误差最低位在5之。1.2 设计要求1. 画出电路原理图（或仿真电路图）；2. 元器件及参数选择；3. 编写设计报告 写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 2方案设计及元器件清单选用A/D转换芯片MC14433、CC4511、MC1413、MC1403实现电压的测量，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是工作速度低，优点是精度较高，工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。具体的元器件清单如表1所示。表一 元器件清单元件名称规格数量CC14433241CC4511161MC140381MC1413161按键开关62电容0.012电容0.12电位器10k、100K各1电阻10010电阻1k、3k各1电阻470k2电阻47k3三极管90121数码管1043 电路的工作原理1.直流数字电压表的核心器件是一个间接型A / D 转换器􀈣它首先将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量􀈣然后在这个时间宽度里用计数器计时􀈣计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量，并进行实时数字显示。该系统可采用 MC144333位半A/D 转换器、MC1413 七路达林顿驱动器阵列、CC4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源 MCl403 和共阴极 LED 发光数码管组成。2.本系统是 3位半数字电压表，3位半是指十进制数 00001999。所谓 3 位是指个位、十位、百位，其数字围均为 09，而所谓半位是指千位数，它不能从 0 变化到 9，而只能由 0 变到 l，即二值状态，所以称为半位。数字电压表原理框图如图1所示。基准电压 积分RC元件 3 1/2位A/D电路字形译码驱动电路显示电路字位驱动电路量程选择图1 数字电压表原理框图4 各部分的功能4.1三位半位双积分A / D 转换器CC14433 的性能特点CC14433 是CMOS 双积分式三位半A / D 转换器，它是将构成数字和模拟电路的约7700 多个MOS 晶体管集成在一个硅芯片上，芯片有24 只引脚􀈣采用双列直插式，其引脚排列与功能如图2 所示。图2 CC14433引脚排列引脚功能说明：VAG（1 脚）：被测电压V* 和基准电压VR 的参考地VR（2 脚）：外接基准电压（2V 或200mV）输入端V*（3 脚）：被测电压输入端R1（4 脚）R1/C1（5 脚）、C1（6 脚）：外接积分阻容元件端C1=0.1F（聚酯薄膜电容器），R1=470K(2V 量程)；R1=27K（200mV 量程）。C01（7 脚）C02（8 脚）：外接失调补偿电容端􀈣典型值0.1F。DU（9 脚）：实时显示控制输入端。若与EOC（14 脚）端连接􀈣则每次A / D转换均显示。CP1（10 脚）CPo（11 脚）：时钟振荡外接电阻端􀈣典型值为470K。VEE （12 脚）：电路的电源最负端􀈣接􀈤5V。VSS （13 脚）：除CP 外所有输入端的低电平基准（通常与1 脚连接）。EOC（14 脚）：转换周期结束标记输出端􀈣每一次A / D 转换周期结束（EOC输出一个正脉冲）宽度为时钟周期的二分之一。OR（15 脚）：过量程标志输出端􀈣。DS4到DS1 （16到19 脚）：多路选通脉冲输入端，DS1 对应于千位，DS2 对应于百位，DS3 对应于十位，DS4 对应于个位。Q0到Q3 （20到23 脚）：BCD 码数据输出端，DS2、DS3、DS4 选通脉冲期间􀈣输出三位完整的十进制数，在DS1 选通脉冲期间􀈣输出千位0 或1 及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。VDD，整个电路的正电源端。4.2基准电源(CC1403)提供精密电压，供 AD 转换器作参考电压，如图3所示。图3 基准电源CC1403 4.3译码器(MC4511)将二十进制(BCD)码转换成七段信号，如图4所示。图4 译码器(MC4511)4.4显示电路模块这个模块由LG5641AH构成,将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D 转换结果。如图5所示。图5 显示电路模块4.5 驱动器(MC1413)驱动显示器的 a，b，c，d，e，f，g 七个发光段，驱动发光数码管(LED)进行显示。4.6 显示器将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。5 系统电路总图和原理5.1电路组成将设计的各个单元电路进行级联，得到数字电子钟系统电路原理图如图6所示。图6 三位半直流数字电压表接线图5.2电路的工作原理及过程三位半数字电压表通过位选信号DS1DS4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的A/D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。DS1DS4输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0Q3端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC 脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。以下依次为DS2，DS3和DS4。其中DS1对应最高位(MSD)，DS4则对应最低位(LSD)。在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字09在DS1选通期间，Q0Q3输出千位的半位数0或l及过量程、欠量程和极性标志信号。在位选信号DS1选通期间Q0Q3的输出容如下：Q3表示千位数，Q3=0代表千位数的数宇显示为1，Q3=1代表千位数的数字显示为0。Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即U*0；Q2的电平为0，表示极性为负，即U*1999，则溢出。|U*|UR则 输出低电平。当 = 1时，表示|U*|UR 。平时OR输出为高电平，表示被测量在量程。MC14433的端与MC4511的消隐端 直接相连，当U*超出量程围时，输出低电平，即 = 0 = 0 ，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。三位半AD转换器MC14433在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式A/D转换器。和其它典型的双积分A/D转换器类似，MC14433A/D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用MC14433时只要外接两个电阻(分别是片RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI)和两个电容(分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0)就能执行三位半的A/D转换。MC14433部模拟电路实现了如下功能：（1）提高A/D 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00M以上；（2）和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成V/T 转换即电压时间的转换；（3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0”。比较器的输出用作部数字控制电路的一个判别信号；（4）与外接电容器C0构成自动调零电路。除“模拟电路”以外，MC14433 部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数(01999)，并锁存于三位半十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号(DU)作用下，实现A/D转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1DS4实现三位半数码的扫描方式（多路调制方式）输出。MC14433部的控制逻辑是A/D 转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压VREF 进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成A/D 转换。MC14433部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井利用部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC 多谐振荡器，一般外接电阻为360k时，振荡频率为100kHz；当外接电阻为470k时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750k时，振荡频率为50kHz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI(10脚)端输入，时钟脉冲CP 信号可从CPO(原文资料为CLKO)(11脚)处获得。MC14433部可实现极性检测，用于显示输入电压U* 的正负极性；而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压V* 超出量程围时，输出过量程标志OR（低有效）。MC14433是双斜率双积分A/D 转换器，采用电压时间间隔(V/T)方式，通过先后对被测模拟量电压U*和基准电压VREF 的两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解：首先对被测电压U* 进行固定时间T1、固定斜率的积分，其中T1=4000Tcp。显然，不同的输入电压积分的结果不同（不妨理解为输出曲线的高度不同）。然后再以固定电压VREF 以及由RI,CI所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，则该数N就是被测电压对应的数字量。由此实现了A/D转换。积分电阻电容的选择应根据实际条件而定。若时钟频率为66kHz，CI一般取0.1F。RI的选取与量程有关，量程为2V时，取RI为470k；量程为200mV时，取RI为27k。选取RI 和CI 的计算公式如下：式中，UC为积分电容上充电电压幅度,UC = VDD - U*(ma*) - U,U = 0.5V,例如，假定CI=0.1F，VDD=5V，fCLK=66kHz。当U*(ma*)=2V 时，代入上式可得RI=480k，取RI=470k。MC14433设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。MC14433A/D转换周期约需16000个时钟脉冲数，若时钟频率为48kHz，则每秒可转换3次，若时钟频率为86kHz，则每秒可转换4次。 七段锁存-译码-驱动器CD4511CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。(1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用LE 端的控制作用可以将*一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端：LT(LAMP TEST)灯测试端。当LT = 0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT = 1时，译码器输出状态由BI端控制。 BI (BLANKING)消隐端。当BI = 0时，控制译码器为全0输出，发光数码管各段熄灭。BI = 1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。(3) 驱动器：利用部设置的NPN 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。CD4511电源电压VDD的围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。5.2.3 高精度低漂移能隙基准电源MC1403MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关该电路的特点是： 温度系数小； 噪声小； 输入电压围大，稳定性能好,当输入电压从+45V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；输出电压值准确度较高，y。值在2.475V2.525V 以； 压差小，适用于低压电源； 负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。6 电路连接测试按图6电路做成PCB板正面如图7所示，反正面如图8所示。经通电测试各项指标均符合要求。图7 PCB板正面图8 PCB板反面7经验体会本次课程设计通过对A/D转换器的认真学习以及对中、小规模集成电路有了更进一步的熟悉，我了解了设计电路的程序，也让我了解了数字电压表的原理和设计理念。实际操作和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手把它设计出来就比较困难了，因为是设计要求我们在以后的学习中注意这一点，要把课本上所学到的知识和实际联系起来，同时通过本次电路的设计，不但巩固了所学知识，也是我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的综合能力。这次试验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟。参考文献1介华.电子技术课程设计指导M.:高等教育,2005.2大平.数字电子技术基础(实验指导). 2008.3阎石.数字电子技术基础(第五版) M.:高等教育,2006.4胡继胜.电子CAD入门Protel 99SEM.:中国电力,2008.5惠芹.电路设计PROTELM.*:*大学,2008.6睿.Altium Designer6.0原理图与PCB设计M.:电子工业,2007.7曾峰,巩海洪,曾波.印刷电路板（PCB）设计与制作（第二版）M.:电子工业,2005. z.