《基于MC14433和TC7107的三位半数字电子表设计 》 .doc

1 引言随着电子技术的发展，电子行业经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。何况在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。数字电压表（digital voltmeter）简称dvm，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。本次我们所做的课程设计就是基于数字电子技术和模拟电子技术的一个电子产品。我们对自己的设计作品从各个角度分析了由a/d转换器组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了数模转换进而使系统运行起来的原理及方法。通过自身实践提高了动手能力，也只有亲历亲为才能收获掌握到已经学过的知识。其实也为建立节约成本的意识有些帮助，我们并没有采用单片机模块，而是直接采用a/d转换，在mc1433系列找块带显示译码并带a/d转换的片子并不难，相对于单片机有成本上的优势，但这里同时也牵涉几个问题：精度、位数、速度、还有功耗等不足之处，这些都要慎重考虑。这些也是在这次实践中收获的吧！2 设计任务分析2.1设计说明本题要求设计一个位的数字电压表，位是指个位、十位、百位的范围为09，而千位只有0和1两个状态，称为半位。所以数字电压表测量范围为00011999。数字电压表主要部分是a/d转换器，显示方法通常采用动态扫描（工作时四个数码管轮流点亮，利用人眼的视觉残留特性能够得到整体效果，当扫描频率过低时显示的数码会有闪烁感）方式，采用这种方式较为省电，但需要字形译码驱动电路和字位驱动电路。任务要求：（1）直流电压测量范围（0200v）（2）测量速度每秒为25次，任选（3）分辨率0.1mv（4）测量误差小于0.1%2.2方案分析1根据题目利用所学过的知识通过上网或到图书馆查阅资料，设计出3个实现数字万用表的方案。要求写出实现工作原理，画出原理框图，描述其功能。2对将要实验方案3位半数字万用表方案，须采用中小规模集成电路，mc14433a/d 转换器等电路进行设计；写出以确定方案详细工作原理，计算出参数。2.2.1方案1：主要器件由芯片mc14433和共阴极半导体数码管led组成。mc14433是美国摩托罗拉公司生产的单片3位半a/d转换器，它适合构成带b码输出的3位半led显示数字电压表，是目前应用较为普遍的一种低速a/d转换器。mc14433的性能特点：（1）mc14433属于cmos大规模集成电路，其转换准确度为0.05%。内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。能获得超量程（or）、欠量程（ur）信号，便于实现自动转换量程。能增加读数保持（hold）功能。电压量程分两挡：200mv、2v，最大显示值分别为199.9mv、1.999v。量程与基准电压呈11的关系，即umuref。（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式，通常选用共阴极led数管。（3）有多路调制的bcd码输出，可直接配p构成智能仪表。（4）工作电压范围是4.5 v8v，典型值为5v，功耗约8mw。2.2.2方案2：主要器件由芯片tc7106和液晶显示器lcd组成。由于tc7106是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模cmos集成电路，因此本方案主要有以下特点：（1）采用单电源供电，可使用9v迭层电池，有助于实现仪表的小型化。（2）芯片内部有异或门输出电路，能直接驱动lcd显示器。（3）功耗低。芯片本身消耗电流仅1.8ma，功耗约16mv。（4）输入阻抗极高，对输入信号无衰减作用。（5）能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性的功能。（6）噪声低，失调温标和增益温标均很小。具有良好的可靠性，使用寿命长。（7）整机组装方便，无须外加有源器件，可以很方便地进行功能检查。2.3方案选择在设计思路上我们选择了mc14433，但由于在各个仿真软件中，我们无法找到mc14433元器件，故我们采用在思路上选择mc14433设计，仿真环节采用tc7106，这样既能有效地了解实验原理，更能仿真出实验结果。3 单元模块分析数字电压表将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示。该系统可采用mc14433三位半a/d转换器、mc1413七路达林顿驱动器阵列、cd4511bcd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。本系统是三位半数字电压表，三位半是指十进制数00001999。所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为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。3.1各部分的功能三位半ad转换器(mc14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源(mc1403)：提供精密电压，供ad 转换器作参考电压。译码器(mc4511)：将二十进制(bcd)码转换成七段信号。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。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。3.2引脚功能说明mc14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考图3.1的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：(1) 端：vag，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压ux和基准电压vref的参考点地。(2) 端：rref，外接基准电压输入端。(3) 端：ux，是被测电压输入端。(4) 端：ri，外接积分电阻端。(5) 端：rici，外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6) 端，c1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。(7) 和 (8) 端：c01和c02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容c0取0.1f。(9) 端：du，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在du端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和eoc 短接，则每次转换的结果都将被输出。(10) 端：cpi (clki)，时钟信号输入端。(11) 端：cpo (clko)，时钟信号输出端。(12) 端：vee，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8ma，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向vss端。(13) 端：vss 负电源端(14) 端：eoc，转换周期结束标志输出端，每一ad转换周期结束，eoc端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的12。(15) 端：or ，过量程标志输出端，当|ux|vref 时，or输出低电平，正常量程or为高电平。(16)(19) 端：对应为ds4ds1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当ds端输出高电平时，表示此刻q。q3 输出的bcd 代码是该对应位上的数据。(20)（23）端：对应为q0-q3，分别是ad 转换结果数据输出bcd代码的最低位(lsb)、次低位、次高位和最高位输出端。(24) 端：vdd，整个电路的正电源端。图3.1mc14433管脚图3.3工作过程分析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ad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的输出内容如下：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ux0，q2的电平为0，表示极性为负，即ux1999，则溢出。|ux|ur则输出低电平。当 = 1时，表示|ux|ur 。平时or输出为高电平，表示被测量在量程内。mc14433的端与mc4511的消隐端 直接相连，当ux超出量程范围时，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。3.3.1三位半a/d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(分别是片内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内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”。比较器的输出用作内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 内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内部的控制逻辑是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内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井利用内部电容形成振荡，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内部可实现极性检测，用于显示输入电压ux 的正负极性；而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压vx 超出量程范围时，输出过量程标志or（低有效）。mc14433是双斜率双积分ad 转换器，采用电压时间间隔(vt)方式，通过先后对被测模拟量电压ux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ux 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ad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 - ux(max) - u,u = 0.5v,例如，假定ci=0.1f，vdd=5v，fclk=66khz。当ux(max)=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。mc14433ad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。 3.3.2七段锁存-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某一时刻的输入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：利用内部设置的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的范围为5v-15v，它可与nmos电路或ttl电路兼容工作。cd4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见图3.2。图3.2 cd4511管脚图及其真值表备注：使用cd451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电。3.3.3七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oc0门)。mc1413电路结构和引脚如图3.3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续流二极管。图3.3 mc1413管脚功能表及内部结构3.3.4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； 输入电压范围大，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用8条引线双列直插标准封装，如图3.4所示。图3.4 mc1403的管脚功能图4 系统电路绘制protel99se是portel公司推出的eda软件，在电子行业的cad软件中，它当之无愧地排在众多eda软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用protel。它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有client/server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如orcad，pspice，excel等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度pcb的100布通率。4.1显示电路从mc14433输出的bcd码经过cd4511译码后，连接到四个七段数码管，其中千位只连接b,c和g端，使其只显示1和负号，如图4.1所示。图4.1总系统电路图4.2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，如图4.2所示。图4.2 读书保持电路图4.3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，如图4.3.图4.3电压跟随器和ac-dc转换电路4.4整体电路图图4.4 整体电路图图4.5 pcb电路图5 系统电路仿真5.1 icl7107元器件介绍icl7107是双积型的a/d 转换器，还集成了a/d 转换器的模拟部分电路，如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡源、计数器、锁存器、译码器、驱动器和控制逻辑电路等，使用时只需外接少量的电阻、电容元件和显示器件，就可以完成模拟到数字量的转换，从而满足设计要求。显示稳定可读和测量反应速度快，是本设计的关键。icl7107 的一个周期为用4000 个计数脉冲时间作为a/d 转换的一个周期时间，每个周期分成自动稳零（az）、信号积分（int）和反积分（de）3 个阶段。内部逻辑控制电路不断地重复产生az、int、de 3 个阶段的控制信号，适时地指挥计数器、锁存器、译码器等协调工作，使输出对应于输入信号的数值。而输入模拟量的数值在其内部数值上等于计数数值t，即：vin 的数值=t 的数值vin=vref(t/1000) 式中：1000 为积分时间（1000 个脉冲周期）；t 为反积分时间（满度时为2000）。在proteus仿真软件中，我们可以使用tc7107代替icl7107。5.2仿真软件介绍proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供schematic drawing、spice仿真与pcb设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、avr、pic等常用的mcu，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。proteus提供了大量的元件库，有ram、rom、键盘、马达、led、lcd、ad/da、部分spi器件、部分iic器件，编译方面支持keil和mplab等编译器。5.3仿真电路步骤（1）打开proteus 操作界面添加所需电路元件到元件列表中：单击“p”按钮，如图5.1所示，出现挑选元件对话框，图5.1 “p”按钮在出现的对话框keywords中输入所用元件名称，在对话框中单击ok按钮，关闭对话框。（2）放置元件。在元件列表中左健选取元件，在编辑窗口中单击左健，这样原件就被放到原理图编辑窗口中了。（3）在编辑区布线，修改元件参数。点击想要连接的两个引脚，就能就能简单地实现布线。在特殊的位置需要布线，用户只需在中间的角落点击。自动布线也能在元件移动的时候操作，自动地解决相应的连线。节点自动布置和移除。节约时间的同时，避免其他方面可能引起的错误。也可以手工布点，但是布点以后需要连线。双击元件修改相关参数。（4）进行电路仿真，完成原理图如图5.2所示。运用proteus软件仿真电路图：图5.2proteus软件仿真电路图6 心得与体会在这次课程设计当中我们真正体会到什么叫做学以致用，第一次体会到用自己所学到的知识做出了个数据电压表， 虽然这次课程设计理论与实