简易数字电压表.doc

辽 宁 工 学 院电子技术基础课程设计（论文）题目：简易数字电压表院 （系）：信息科学与工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： 课程设计（论文）任务及评语院（系）：信息科学与工程学院 教研室：电子信息工程学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目简易数字电压表课程设计（论文）任务设计任务：（1）被测电压范围：0+2V。（2）测量精度：0.5%（误差100mV）。（3）具有过量程闪烁指示。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日目 录第1章 简易数字电压表的设计要求11.1 数字电压表的应用意义11.2 简易数字电压表的设计要求1第2章 简易数字电压表各单元电路设计12.1 3.5位A/D转换器设计12.2 七段锁存译码驱动器电路设计72.3 七路达林顿驱动器阵列MC141382.4 高精度低漂移能隙基准电源MC14038第3章 数字电压表的整体电路设计83.1 整体电路图及工作原理83.2 电路参数计算113.3 整机电路性能分析11第4章 设计总结13参考文献13附器件清单第1章 简易数字电压表的设计方案1.1 数字电压表的应用意义数字电压表的基本原理，是对直流电压进行模数转换，其基本结果用数字直接显示出来，按其基本工作原理可以分为积分式和比较式两大类。 1.2 简易数字电压表的设计要求与任务设计任务：（1）被测电压范围：0+2V。（2）测量精度：0.5%（误差100mV）。（3）具有过量程闪烁指示。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。第2章 简易数字电压表各单元电路设计2.1 3.5位A/D转换器设计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。双积分型A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行转换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。图2.1是这种转换器的原理电路，它由积分器（由集成运放A组成）、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器/计数器（FF0FFn）等几部分组成。图2.1 双积分型A/D转换器积分器：积分器是转换器的核心部分，它的输入端所接开关S1由定时信号Qn控制。当Qn为不同电平时，极性相反的输入电压vI和参考电压VREF将分别加到积分器的输入端，进行两次方向相反的积分，积分时间常数=RC。过零比较器：过零比较器用来确定积分器输出电压vO的过零时刻。当vO0时，比较器输出vC为低电平；当vO0时，vC为高电平。比较器的输出信号接至时钟控制门（G）作为关门和开门信号。计数器和定时器：它由n+1个接成计数型的触发器FF0FFn串联组成。触发器FF0FFn1组成n级计数器，对输入时钟脉冲CP计数，以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变成数字信号输出。当计数到2n个时钟脉冲时，FF0FFn1均回到0状态，而FFn反转为1态，Qn=1后，开关S1从位置A转接到B。时钟脉冲控制门：时钟脉冲源标准周期TC，作为测量时间间隔的标准时间。当vC=1时，与门打开，时钟脉冲通过与门加到触发器FF0的输入端。下面以输入正极性的直流电压vI为例，说明电路将模拟电压转换为数字量的基本原理。电路工作过程分为以下几个阶段进行：（1）准备阶段首先控制电路提供CR信号使计数器清零，同时使开关S2闭合，待积分电容放电完毕，再S2使断开。（2）第一次积分阶段在转换过程开始时（t=0），开关S1与A端接通，正的输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0V开始对vI积分： 由于vO0V，比较器输出vC=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。在此阶段结束时vO的表达式可写为： 设T2=t2t1，于是有： 设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则 T2=TC 可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。 上式表明，在计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量，并能从计数器读取转换结果。如果取VREF=2nV，则=VI，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰能力。尤其对周期等于T1或几分之一T1的对称干扰（所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰），从理论上来说，有无穷大的抑制能力。即使当工频干扰幅度大于被测直流信号，使输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。在工业系统中经常碰到的是工频（50Hz）或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的是同一积分器。因此，在两次积分期间（一般在几十至数百毫秒之间），R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影响均可以忽略。最后必须指出，在第二次积分阶段结束后，控制电路又使开关S2闭合，电容C放电，积分器回零。电路再次进入准备阶段，等待下一次转换开始。位双积分A / D转换器CC14433的性能特点CC14433是CMOS双积分式位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102所示。图2.3 CC14433引脚排列引脚功能说明：VAG（1脚）：被测电压VX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VX（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C10.1f（聚酯薄膜电容器），R1470K（2V量程）；R127K（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。（15脚）：过量程标志输出端，当VXVR 时，输出为低电平。DS4DS1 （1619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。Q0Q3 （2023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。CC14433具有自动调零，自动极性转换等功能。可测量正或负的电压值。当CP1 、CP0 端接入470K 电阻时，时钟频率66KHz，每秒钟可进行4次A / D转换。它的使用调试简便，能与微处理机或其它数字系统兼容，广泛用于数字面板表，数字万用表，数字温度计，数字量具及遥测、遥控系统。2.2七段锁存译码驱动器电路设计下面介绍最常用的 BCD 码 -7 段译码 显示译码器 CD4511 。 CD4511 引脚图 CD4511 是一个用于驱动共阴 LED 显示器的 BCD 码七段码译码器，其引脚路如图 。 其功能介绍如下： BI：当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字。LT：当BI=1，LT=0 时，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：使能控制端，当LE=0时，允许译码输出。 DCBA：为8421BCD码输入端。 abcdefg：为译码输出，输出为高电平。2.3七路达林顿驱动器阵列MC1413MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此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电路结构和引脚排列如图所示，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。 MC1403 MC1413 2.4 高精度低漂移能隙基准电源MC1403A / D转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于A / D转换器的精度。本实验采用MC1403集成精密稳压源作参考电压，MC1403的输出电压为 2.5V，当输入电压在4.515V 范围内变化时，输出电压的变化不超过3mV，一般只有0.6mV左右，输出最大电流为10mA。MC1403引脚排列见图。 第3章 数字电压表的整体电路设计3.1 整体电路图及工作原理1、2V量程的3位LED显示数字电压表3位LED显示数字电压表的电路如图所示，其满量程为2V，整机功耗（包括显示器）约250mW。其超量程显示特点是，当UIN1.999V时，端呈低电平、使段译码驱动器CD4511的消隐控制端0，强迫共阴极显示器全部消隐。位选通信号经过MC1413分别接4只数码管的公共阴极，在DS1DS4位选通信号的控制下进行动态扫描显示。MC1413属于7路达林顿驱动器（现仅用其中5路），它有两个作用：第一，将DS1DS4反相成低电平有效，以便接LED数码管的公共阴极；第二，增加驱动能力，其l500，ICM200mA，7路同时工作时每路仍可输出40mA电流。利用MC1403向CC14433提供200.0mV的基准电压，RP为精密多圈电位器。实选R2470k时f050kHz。R3R9为笔段限流电阻。RDP、RM分别为小数点、负极性笔段的限流电阻。负极性显示的原理是，当DS1（正好扫到千位）且UIN0时，从Q2端输出负极性信号（低电平），加至MC1413的第5脚。因MC1413属于集电极开路输出（OC门），故第12脚无输出，相当于开路。5V电压就经过RM接千位LED的g段，由于此时千位已被选中并且该位公共阴极接低电平，故g段发光，显示负极性符号。R1为积分电阻，C1、C2分别是积分电容和自动调零电容2、超量程闪烁报警电路图示出的数字电压表亦有不足之处，在超量程时强迫显示器消隐，这容易使操作人员误以为仪表发生故障或突然停电了。改进方案是增加如图所示的超量程闪烁报警电路。现利用双D触发器CD4013的一半作二分频器。作触发器复位信号EOC作时钟脉冲。常态下，111，能正常显示；一旦发生超量程，0，EOC信号经二分频后加至CD4511的端，令显示器低频闪烁。1/2CD4013有两个作用：第一，将EOC窄脉冲变成方波；第二，对fEOC进行二分频，降低闪烁频率以取得最佳报警效果。例如，当f050kHz时，fEOCf0/164003Hz，经二分频后f1.5Hz方波，周期T0.67s。这样，端就加上交替变化的高、低电平，强迫LED显示器以1.5Hz的低频进行闪烁，以示超量程报警。3.2 电路参数计算该设计均由集成芯片构成，故电路参数由集成芯片确定，不做说明3.3 整机电路性能分析 设T2=t2t1，于是有 设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则 T2=TC 可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。 上式表明，在计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量，并能从计数器读取转换结果。如果取VREF=2nV，则=VI，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰能力。尤其对周期等于T