电子技术课程设计报告-3位半数字万用表.doc

电子技术课程设计报告3位半数字万用表第一章 系统概述1.1设计任务与要求1、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字万用表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能框图，描述其功能。说明：采用原理、方案、方法不限，可以自行设计。2、其中对将要实验方案3位半位数字万用表方案，须采用中、小规模集成电路、MC 14433A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工作原理，计算出参数，设计出电原理图。3、技术指标：（1）测量直流电压200mv；2V；20V；200V;1000V； 测量交流电压2V；20V；200V;750V（2）测量直流电流2MA；20MA；200MA；20A； 测量交流电流2MA；20MA；200MA；20A；（3） 电阻：200 、2K、20K、200K、2M、20M（4） 电容；200nF、20nF、2nF 20F、2F （5） 三位半数字显示。1.2方案设计与论证此次设计的关键是将模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示，根据要求，拟定如下三个方案：方案一：采用双积分A/D转换器MC14433，七段译码驱动器CD4511，基准电源MC1403，反向驱动器,4只LED数码管。图1.1 MC14433方案图方案二：根据系统功能实现要求，决定控制系统采用AVR单片机，A/D转换采用其内置的10位AD、四个共阴极LED数码管。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行数据通讯上传，存储等扩展功能。原理框图如下：图1.2 单片机方案方案三：采用逐次逼近型A/D转换器。图1.3逐次逼近型方案论证1、MC14433具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，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转换器。 2、AVR;它的内置A/D转换的精确度较低，同时在编程及调试方面比较复杂考虑到客观条件因素，放弃使用此方案。 3、逐次渐进型A/D转换器具有转换速度快，功耗低准确度高等特点。在低分辨率时价格便宜。但高于12位时价格很高，逐次渐进型A/D转换器的转换时间取决于位数，与输入信号无关，但抗干扰能力差。 综合上述元件的优缺点，决定采用 mc14433方案第二章 单元电路设计与分析2.1单元电路设计：2.1.1 MC14433 MC14433：MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，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。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，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转换器，其主要功能特性如下： 1.精度：读数的0.05%1字 2.模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档 3.转换速率：2-25次/s 4.输入阻抗：大于1000M 5. 功耗：8mW（5V电源电压时，典型值） MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。引脚功能说明： VAG（1脚）：被测电压VX和基准电压VR的参考地。VREF（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，R1470K； CO1（7脚）、CO2（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）、CP0 （11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为470K。CP1CP0端外接电阻R9330 k，采样速率约为4次s。VEE （12脚）：电路的电源负端，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，当VXVR 时，OR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。图2.1 MC14433引脚图工作原理： 三位半数字电压表通过位选信号DS1DS4进行动态扫描显示，由MC14433电路的A/D转换结果采用BCD码多路调制方法输出，通过译码器译码，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输出多路调制脉冲信号。DS选通脉冲高电平，则表示对应的数位被选通，此时该数据在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，DS4则对应最低位。在对应DS2、DS3和DS4选通期间，Q0Q3输出BCD码全位数据，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。或1及过量程、欠量程和极性标志信号。 过量程是当输入电压Vx超过量程范围时，输出过量程标志信号/OR。 当Q3=0，Q0=1时，表示Vx处于过量程状态。 当Q3=1，Q0=1时，表示Vx属于欠量程状态。 当OR=0时，|Vx|1999，则溢出；|Vx|Vr，则OR输出低电平。 当OR=1时，表示|Vx|Vr。正常时OR输出高电平，表示被测量在量程内。 2.1.2 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。图2.2 MC14032.1.3 MC1413 MC1413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。MC1413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2.3 MC1413引脚图2.1.4 MC4013 现利用双D触发器MC4013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，OR1 Q1 BI1，能正常显示；一旦发生超量程， OR0，EOC信号经二分频后加至CD45511的 端，令显示器低频闪烁。MC4013有两个作用：第一，将EOC窄脉冲变成方波；第二，对EOC进行二分频，当超出量程时，数码管将以原动态扫描的一半频率进行闪烁，从而进行超量程报警。图2.4 MC1403引脚图2.1.5 显示及小数点控制电路；从MC14433输出的BCD码经过CD4511译码后，连接到三个七段数码管。位选通信号经过反相器分别接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。反相器有两个作用：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。排阻为限流电阻。负极性显示的原理是，当DS2，从Q4端输出高电平，加至MC1413的第A4脚。Y4脚输出低电平。数码管百位被选中点亮。 图2.5显示及小数点控制电路2.1.6 读数保持电路当开关S断开时能正常进行A/D转换，显示值被不断地刷新；闭合S时DU0，A/D 转换结果就长期保持下来，此时A/D 处于锁存状态。保持时间即开关闭合时间。 图2.6.读数保持电路2.1.7 量程转换开关 数字电压表的设计要求量程为： 0.0011.999V,0.0119.99V,0.1199.9V,01999V选MC14433的基准电压为2V,则其量程为0.0011.999V , 所以其他量程分别10 100 1000档位。 电路如图用4个电阻串联进行分压，使进入MC14433 电压均小于2V 20(R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4) =2 200(R3+R4)/ (R1+R2+R3+R4)=2 2000R4/ (R1+R2+R3+R4)=2 取R4=10K 则R1=9M R2=900K R3=90K 图2.7量程转换开关2.1.8 电压跟随器和AC-DC转换电路 电压跟随器的作用是保护电路，使后级电路不承受超出安全值的电压。 经过电压跟随器后半波整流后的平均值与有效值之间的关系如下图所示，下图中的 IC1进行半波整流，IC2是平均值-有效值变换电路，其作用是将经半波整流后得到的输出电压加以平滑和放大，将V放大到有效值V，放大倍数A=V/V,=2.22. 图2.3.8.1电压跟随器和AC-DC转换电路第三章 电路的安装与调试介绍3.1 数码显示部分的组装与调试； (1) 实际实验中采用4个8段数码管，将千位数码管bc并联作为千位1，g作为符号显示。 Mc1413用NPN三极管与电阻搭接的反相器替代。(2) 先将4个数码管插入试验箱IC座，插好芯片MC4511与三极管反相器，将输入端与逻辑电平试验箱相连。 (3) 调节实验箱逻辑电平高低检查译码显示是否正常。如果所有4位数码管显示正常，则说明显示部分工作正常。3.2 标准电压源的连接和调整； 实验中利用实验台的电压源，数字电压表与实验箱上的可变电阻搭接成为标准电压源替代MC1403。 3.3 核心电压表部分； (1) 插好芯片MC14433，接电路全图接好全部线路。 (2) 将输入端接地，接通电源，此时显示器将显示000，如果不是，应检测电源正负电压。用示波器测量DS1DS4 ，Q0Q3的波形，判别MC14433是否工作。(3) 用电阻、电位器构成一个简单的输入电压调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。 (4) 用实验台数字电压表测量输入电压，调节电位器，使输入电压为1.000V，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。 (5) 改变输入电压，使其为1.000V，检查“”是否显示。 (6) 在+1.999V01.999V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。 至此一个测量范围在1.999的三位半数字直流电压表调试成功。 第四章结束语心得与体会这次课设是大学以来后的第一次真正的动手锻炼，虽说以前做过一些实验，但对其主要思想还是不太懂，主要是根据电路图直接搭接。这次和以前就大不一样。第一节课是老师说做万用表，当时脑子里是一点想法都没有，大概该怎么弄呢？也没有思路，唯一知道的就是下来查资料，下课后先去图书馆，在里面找书看了看，后来在网上查资料但却查不到，主要是不知道从哪个网站查，怎么查，看来设计的第一步查资料也要有经验啊！只有查得多了才能查得块找得多而全。找到资料后来是了解原理图，好多都与以前学的电路、模电、数电有关联，也发现了自己的好多不足，对以前的知识掌握的不是太充足，通过这次课设我知道了自己现在开的课是多么的有用，以后一定要好好掌握。当然也在后来搭接电路时也出现了很大问题，主要原因是没有按实验步骤来，没有把电路板和接线测试好就开始搭接电路，接了好几次，最后发现原来是实验台的仪器老化，导致一些电路没有接通，不过到了1点我们终于做了出来。通过这次搭接我懂得了无论做任何事情一定要先把准备工作做好，正是要车马未动粮草先行；其次团结合作是我们一个团队共同胜利的关键，众人拾柴火焰高啊。通过这次课设我受益颇多，老师的谆谆教诲使我们对所学的知识有了更深刻的认识，而实际的操作更加深了我们对理论的理解，把理论联系到了实际，才是我们学习的主要目的，所以以后要抓住每次机会多多锻炼自己，让自己成为一个有真才实学的人才。附图1元件清单序号名称型号参数数量备注1电阻10M12电阻9M13电阻1M14电阻900K35电阻470K16电阻410K17电阻110K18电阻100K49电阻90K310电阻47K111电阻39K112电阻20K213电阻10K314电阻9K215电阻6K2116电阻3K3117电阻2K118电阻1K319电阻900220电阻330721电阻200422电阻100323可变电阻10K124电解电容10uf125电容0.01uf226电容100uf327电容47nf128单刀开关429共阴八段数码管330共阴二段数码管1311N4011632稳压二极管133