数字电压表设计PPT课件.ppt

1 1 1 了解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 1 2 掌握通用直流数字电压表的设计方法 测试与调试技术 2 1 设计实验任务 设计一个3位半的直流数字电压表 2 2 数字电压表主要指标与功能要求 1 直流电压测量范围 2 000V 2 000V 2 具有正负电压极性 测量超量程 小数点显示 数字电压表设计 2020 3 26 1 2 设计实验任务与要求 1 实验目的 长江大学电工电子实验中心龙从玉 2 2020 3 26 2 3 数字电压表的测量原理与主要器件性能分析 直流数字电压表的核心器件是一个间接型A D转换器 3 1 双积分A D转换器1 转换方式 V T型间接转换ADC 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 2 电路结构 图 1是这种转换器的原理电路 积分器A1 定时信号控制开关S2 Qn为不同电平时 极性相反的输入电压Vx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A2 确定积分器的输出电压V0过零的时刻 V0 0时比较器输出VC为低电平 当V0 0时 VC为高电平 输出信号接至时钟控制门 G 作为关门和开门信号 长江大学电工电子实验中心龙从玉 3 2020 3 26 3 控制电路 N位2进制计数器 QC VA VC A1积分 A2比较 G闸门电路 时钟源 R C VX VREF Vo VOm 0 t1 t2 t T1 T2 图 1双积分式A D转换电路及波形图 S1 S2 Vo 计数器和定时器 由n 1个触发器FF0 FFn 1串联组成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 FF0 FFn 1均回到0态 而FFn翻转到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 门打开 时钟脉冲通过门加到触发器FF0的输入端 t3 长江大学电工电子实验中心龙从玉 4 2020 3 26 4 双积分A D转换就是在一个测量周期内 先对被测电压进行定时积分 再对基准电压进行定值积分 通过积分比较 确定被测电压值正比于时钟脉冲计数量 清零 控制电路提供CR信号使计数器清零 同时使开关S1闭合 待积分电容放电完毕后 再使S1断开 第1积分对被测电压进行定时积分 当t t0时 开关S1接通对被测电压VX 积分器A1对VX正向积分 输出电压VO上升 当VO 0时 t t t1 从过零比较器A2翻转 输出由低电平跳到高电平打开闸门起 计数器在CP作用下从0开始计数 经过预定时间T1 t2 t1 预置数N 以后产生溢出脉冲 通过逻辑控制电路使开关S1换接基准电压VR 定时积分结束 Vom VXT1 RC VXN1 Rcfo 第2积分对基准电压进行定值积分 当t t2时 积分器A1对基准电压VREF做反向积分 其输出电压VO线性下降 当VO 0 比较器A2再次翻转 S输出由高电平跳变到低电平 闸门关闭停止计数 定值积分结束时VO Vom VREFT RC 定值积分时间为T2 t3 t2 N2 f0 结论 VX VREFN2 N1 3 数字电压表的双积分A D转换工作原理 长江大学电工电子实验中心龙从玉 5 2020 3 26 5 多路选择开关 锁存器 个 十 百 千 时钟 溢出 极性判别 控制逻辑 CMOS模拟电路 15 OR 16 19DS1 DS4 20 23 Q0 Q3 R 9 DU 14 EOC R 2 VREF 1 VAG 3 Vx 图 2MC14433的电路结构图 11 CLK0 10 CLK1 45678 长江大学电工电子实验中心龙从玉 6 2020 3 26 6 VAG 电压接地端 VR 基准电压 外接基准电压端 MC14433的正基准电压可测量正 负电压 VX 被测电压输入端 MC14433为双积分型A D转换器 未知电压与基准电压有以下关系 读数 VX VR 1999 满量程的Vx VR 满量程 1 999V R1 R1 C1 C1 外接积分电阻电容元件端 C01 C02 外接失调补偿电容端 DU A D转换结果输出显示控制端 如与 脚相联 则每次转换结果都显示 CLK1 CLK0 时钟外接元件端 选择电阻即可设定时钟频率 如时钟频率为66kHz时 外接电阻取300k VEE 负电源端 VEE的电流约为0 8mA 驱动电流并不流经此引脚 对此负电压的电源电流要求不高 VSS 输出信号接地端 EOC 转换周期结束标示输出端 OR过量程标志输出端 多路选通脉冲输入端DS4 个 DS3 十 DS2 百 DS1 千位 21 22 23 BCD码数据输出端 24 VDD 正电源端 4 MC14433电路的引脚说明 长江大学电工电子实验中心龙从玉 7 2020 3 26 7 龙从玉数电课件 图 3 采用MC14433的电压表参考电路 MC14433 CC4511 MC1413 千百十个161514139 VAGVRVXR1R1 CC1CO1CO2DUCP1CP2VEE VDD24Q323Q222Q121Q320DS119DS218DS317DS416 OR15EOC14VSS13 12345678 6D2C1B7A4BI8 5V Ya137Yb126Yc114Yd102Ye91Yf159Yg1410 R R 0 1u 0 1u 470k 5v 5v MC1403 VX 316 5v 12 R 过量程 负极性 100 Yg 长江大学电工电子实验中心龙从玉 8 2020 3 26 8 3 2 数字电压表测量电压的转换与显示过程 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Q0Q1Q2Q3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 2 当参考电压VR 2V时 满量程显示1 999V VR 200mV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 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 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 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 长江大学电工电子实验中心龙从玉 9 2020 3 26 9 4 数字电压表的安装调试 4 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 4 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 ViVoGND 8765MC14031234 161514121211109MC141312345678 长江大学电工电子实验中心龙从玉 10 2020 3 26 10 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DS1 DS4 Q0 Q3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VX 1 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Vi 1 000V 检查是否有 显示 并校准显示值 6 在 1 999V 0 1 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 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 4 4 测定设计制作数字电压表的误差等级 4 3 总装测试的方法与步骤 长江大学电工电子实验中心龙从玉 11 2020 3 26 11 5 量程转换电路的设计 利用MC14433 TC14433 的超量程信号 OR 可直接用来控制双向移位寄存器74LS194的移位方向 其移位脉冲CP由MC14433的EOC DS1 DS2 Q0组成 74LS194 MC14433 74LS74 74LS86 Q0DS1DS2EOC20191814 51Q 31CP 1 1 1 1 1 Q0Q1Q2Q315141312 ABCDE 16134561098VCCCRD0D1D2D3S1S0GND 15 OR 11RD 1SD4 VCC 见教材P269 DSL7 CP11 图 4自动量程转换电路 信号超过当前量 OR 0且MC14433在位选通信号DS1的输出Q0 1 形成一个移位脉冲送到移位寄存器 使之产生一次位移 因S1 0 S0 0使74ls194向右移升量程 欠量程时 OR 1 Q0 1 但S1 1 S2 0使74ls194向左移降量程 长江大学电工电子实验中心龙从玉 12 2020 3 26 12 6 1 根据直流电压表设计实验的要求 利用现有元器件设计实验电路 画出实验电路图 6 2 计算电路元件参数 6 3 安装数字电压表电路 记录分步调试步骤 逐级进行测试与检查 特别要记下调试过程中出现的