数字直流电压表设计.doc

电子技术课程设计报告 题目名称：直流数字电压表的设计姓 名：学 号：班 级：指导教师：目录一摘要二课程设计与任务要求（一）设计目的（二）设计要求三总体设计思路与方案选择四所用器件介绍（一）双积分MC14433功能介绍（二）MC14511B功能介绍（三）MC1413功能介绍（四）基准电源MC1403功能介绍五设计框图与工作原理，测量电压的转换与显示原理六数字电压表的安装调试七元器件清单八心得体会九参考文献直流数字电压表一摘要： 传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。 数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，由电阻网络（量程调整）、直流放大（运放组成）、电压极性判断、A/D转换、数码（液晶）显示等部分组成。PZ158A系列直流数字电压表具有6½位显示，可测量0.1µV1000V直流电压。该表由于采用了微处理器和脉冲调宽模数转换技术，自动校零，数字模拟滤波等技术，从而赋予本表极其稳定的零位和良好的线性和抗干扰能力，本表还带有RS232C接口，可方便地与计算机系统相连接，组成数据采集系统。采用八位VFD或LED显示，其中PZ158A/1为单量程（0.2V）VFD显示，读数清晰，光色柔和，适宜在科研、工业、国防等各种领域内使用。本设计给出基于MC14433双积分模数转换器的一种电压测量电路。数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。该系统由MC144333位半AD转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、MC4543BCD七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。本次设计的简单直流数字电压表的具体功能是：最高量程为1999V，分四个档位量程，即01.999V，019.99V0199.9V，01999V，可以通过调档开关来实现各个档位。 直流数字电压表具有如下特点：1显示清晰直观，读数准确；2准确度高；3分辨率高；4测量范围宽；5扩展能力强；6集成度高，功耗低；7抗干扰能力强。二课程设计任务与要求2.1设计目的：1了解直流数字电压表的基本构成，熟悉3位半双积分型A / D转换器MC14433(TC14433)的性能及其引脚功能;2.掌握通用直流数字电压表的设计方法、测试与调试技术。3掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A/D转换器件的设计方法；4加强计算机运用查阅资料和独立完成电路设计的能力；2.2设计要求：1）设计直流数字电压表；2直流电压测量范围：0V1.999V，0V19.99V，0V199.9V，0V1999V。3）直流输入电阻大于100k。4）画出完整的设计电路图,写出总结报告。5）选做内容：自动量程转换。三总体设计思路与方案选择 方案选择：根据设计要求和功能的实现，我们考虑了如下三个方案： 由于MC14433具有功耗低，外接元件少，输入阻抗高，电源电压范围宽，可测量正负电压值，精度高，调试简单等特点，且具有自动调零和自动极性转换功能。所以选择方案三。其原理框图为：四所用器件介绍，课程设计框图与工作原理：（一）双积分MC14433功能介绍图2是双积分ADC的电路原理图。电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS=0时，积分器对取样电压做定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压-VREF做定压积分。与-VREF电压极性相反，这里设取样电压为正，则-VREF为负。图2 双积分ADC电路原理图J QC1K R Q0 Q1 Qn-1 C CP n位二进制R 计数器+AC&CPS-VREFLSBMSBD0D1Dn-10RCS1S2OtQSOtSOtQST1T2OtS1选S1选-VREF计数进位回0时刻图3双积分ADC工作波形1定时积分在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。启动信号S输入负窄脉冲（S=0），使计数器、JK触发器QS清零，开关S1选择取样电压作积分器输入。同时开关S2闭合，使积分电容放电，=0。负脉冲消失后（S=1），开关S2断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降，比较器输出逻辑1。允许n位二进制计数器对周期脉冲CP计数。当进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS=1，定时积分结束，定压积分开始。取启动信号S的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CP的周期为TCP。则对取样电压的积分时间T1为T1=2nTCP是确定不变的。积分器输出电压为积分器输出电压与时间成线性关系，其斜率是负的，与取样电压和积分器的时间常数RC有关。越大，负斜率也越大。定时积分的工作波形如图3所示，图中绘出了2个取样电压的情况。定时积分结束时的积分器输出电压为与取样电压成正比。2定压积分在定时积分期间，当计数器的进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零和JK触发器QS=1，开关S1选择基准电压-VREF，积分器开始对基准电压-VREF做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从0继续计数。与此同时，积分器输出电压上升积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。定压积分的工作波形如图11.3.9所示。当时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果B Z（通常为自然二进制数）。从定压积分开始到计数器刚停止计数（）的时间T2为并且，在计数器停止计数时刻，积分器输出电压为0，即所以定压积分时间T2与取样电压成正比。在此期间，计数器从0开始对周期脉冲CP计数，直到停止并保持计数值BZ。所以计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步，导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为的单位模拟电压LSB为本设计运用MC14433实现双积分ADC模数转换功能。 MC14433引脚功能说明：MC14433采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图1-5所示，各引脚功能如下： 图1-5MC14433引脚图VDD VEE正负电源输入端VAG VSS模拟地和接地端Vref基准电压端VX被测电压输入端R1外接积分电阻端R1/C1外接积分元件电阻和电容的接点C1外接积分电容端C01 C02失调补偿电容端DU实时输出控制端时钟信号输入输出端转换周期结束标志输出端过量程标志输出端个位、十位、百位和千位输出标志端BCD码输出端其输出选通脉冲时序图如下 MC14433输出选通脉冲时序图（二）MC14511B功能介绍：本设计采用的MC14511B引脚图如下：端为输入端，ABCD为四位BCD码输入为输出端。当输出为高电平时显示器对应段亮VDDVSS端：正负电源端。LE端：锁存允许端，当LE=“1”时，处于锁存状态，锁封输入，此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码；当LE=“0”时，处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用LE端的控制作用可以讲某一时刻的输入BCD代码寄存下来使输出不再随输入变化。 灯测试端。当=“0”时，七段译码器输出全为“1”，发光数码管各段全亮显示；当=“1”时译码器输出状态由端控制。消隐端。当=“0”时，控制译码器为全“0”输出，发光数码管各段全亮显示；当=“1”时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。由以上可知。消隐端灯测试端锁存允许端共同实现锁存译码功能。当LE=“1”时，处于锁存状态，锁封输入，此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码；当LE=“0”时，处于选通状态。（三）MC1413功能介绍MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内含有7个集电极开路反相器（也称OC门）。MC1413电路结构和引脚如图1-8所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。 图1-8 MC1413引脚和电路内部结构图 图1-9 MC1403引脚图（四）基准电源MC1403功能介绍MC1403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；躁声小；输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4.5V变化到+15V时，输出电压值变化量；输出电压值准确度较高，在2.475V2.525V以内；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。MC1403采用8引线双列直插标准封装，如上图1-9所示。在本设计中通过电阻分压为MC14433提供精确的2V参考电压。五设计框图与工作原理，测量电压的转换与显示原理：基于MC14433设计的数字直流电压表图： 5.1).被测直流电压VX经A / D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端Q0 Q1 Q2 Q3 上的数字信号经七段译码器CC4511译码后顺序输出。位选信号DS1 DS4通过位选开关MC1413分别控制着千/百/十/个位上的4只LED数码管的阴极。由于选通重复频率较高，看到四位数码管同时显示的效果。 5.2)当参考电压VR2V 时，满量程显示1.999V；VR200mV时，满量程为199.9mV。可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h段经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。选作自动量程控制！ 5.3).最高位(千位)显示时，只接LED数码管的b、c段，千位只显示1或不显示，用千位的g段来显示模拟量的负值(正值不显示)，由MC14433的Q2 端.通过MC1413的负极性控制 g段。 5.4).精密基准电源MC1403:A / D转换采用MC1403集成精密稳压源作A / D转换的参考电压，MC1403的输出电压为 2.5V，电压变化在3 0.6mV.输出最大电流为10mA。 5.5) MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构, 电流增益大，输入阻抗高，能把电压信号转换成电流信号驱动各种负载。电路内含有7个集电极开路反相器（OC门）。MC1413电路为16引脚双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。 5.6）数码显示电路部分仿真见下图： 5.7）工作原理：数字电压表将被测模拟量转化为数字量，并进行实时数字显示。该系统由MC14433位半AD转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CC4511七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。各部分的功能如下：1）3位半AD转换器（MC14433）：将输入的模拟信号转化成数字信号。2）基准电源（MC1403）：提供精密电压，供AD转换器作参考电压。3)译码器（CC4511）：将二-十进制（BCD）码转换成七段信号。4）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。5）显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出AD转换结果。六数字电压表的安装调试6.1.数码显示部分的组装与调试 1) 先将后三位数码管同名笔划段与显示译码CC4511的相应输出端连在一起，最高位数码管只将b、c、g三笔划段接入电路。 2) 插好芯片CC4511与MC1413，试将CC4511的输入端A、B、C、D接至拨码开关对应的A、B、C、D四个插口处；将MC1413的1、2、3、4脚接至逻辑开关输出插口上。 3)用检查动态显示的方法分别检查数码管的显示数及选通情况。6.2. 标准电压源的连接和调整：插上MC1403基准电源，用标准数字电压表检查输出是否为2.5V，然后调整10K电位器，使其输出电压为2.00V，调整结束后去掉电源线。6. 3. 总装测试的方法与步骤1)接线：按设计电路接好线路，并插上MC(TC)14433及MC1413等芯片。2) 通电显示检查：接通+5V、-5V电源及地线，当输入端接地，此时显示器将显示“000”值，否则，应依次检测电源正负电压，用示波器测量、观察DS1DS4 ，Q0Q3波形，判别故障所在。3) 电压粗测：调节输入电压VX 的高低，4位输出显示数码应相应变化，然后进入下一步精调。4)测量基准校正： 用标准数字万用表（示波器）测量输入电压，调节电位器，使VX1.000V，调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。5) 测量电压极性显示检查：改变输入电压VX极性，使Vi1.000V，检查是否有“” 显示，并校准显示值。6) 在+1.999V01.999V量程内再一次仔细调整(调基准电压)使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。6.4.测定设计制作数字电压表的误差等级分别列表记录输入电压为1.999，1.500，1.000，0.500，0.000时的标准数字电压表的测量读数与制作数字电压表的测量显示值，计算测量误差，确定仪器的测量误差等级。七课程设计器材和供参考选择的元器件表2-2 元器件元器件的名称数目数字电压表组装套件一套1套万用表一块1块焊接工具、无感起子、十字起子各1把MC144331片CC4511（或74LS48）1片MC14511B1片MC14031片七段显示器4片电阻、电容、连动开关、导线等若干 八总结设计数字电压表的体会（1） 通过查资料知道数字电压表的具体应用电路是有很多种的，只要掌握了基本原理，最主要是模数转换原理。就可以举一反三地、越来越熟练地按照自己的构思，得心应手地设计好数字电压表电路。（2）本次设计中的元器件例如MC14433在Multisim中并没有就无法仿真。整体设计电路无法知道是否正确。但局部电路仍可仿真验证其功能。（3）有的元器件功能不知道可以通过网络进行查找。（4） 课程设计是培养综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对实际工作能力的具体训练。 回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多,学到很多很多的的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论.从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，最后在老师的帮助下顺利解决了。我通过对直流数字电压表的模拟、数字电路的综合设计，了解了一般数字电路综合设计的过程，设计要求以及应完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往对数字电子技术的学习，并达到灵活运用的目的。在设计完成后还要将设计的电路安装，调试以加强动手能力，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。在设计中，对芯片MC14433的掌握感觉比较难，还需要继续学习。不管结果怎么样，我享受的是做事的过程，和团队的合作。在不懂的时候和同学讨论或咨询唐老师，通过唐老师的提示和讲解才逐渐懂得如何运用。与此同时明白了要多花时间去熟悉理论知识，多参考一些相关的文献让自己的思维发展，并且应该加强自己的动手能力。这次设计唯一遗憾的是没有做出完整的仿真图，没有进行电路的安装调试。在完成设计任务的同时，我也注重下面几点能力的培养和提高：1） 团队工作分工明细，提高效率，同时也培养独立工作能力和创造力；2） 综合运用专业以及基础知识，解决实际设计技术问题的能力；3） 查阅图书资料，产品手册的能力；4） 写电子技术设计报告的能力。九参考文献1) 实用数字电子技术项目教程朱向阳 罗国强 北京：科学出版社，2009；2) 数字电子技术基础 唐治德 北京：科学出版社， 2010.3) 电子技术课程设计指导彭介华编著，北京:高等教育出版社 ， 1996 年 。4) 电子技术基础实验与课程设计，高吉祥主编，北京：电子工业出版社，2005年。. 5) 中国集成电路大全编写委员会编，中国集成电路大全TTL集成电路。北京：国防工业出版社，1985。