发光二极管显示的3位数字电压表的设计

信息工程学院课程设计（论文）信息工程学院课程设计报告书题目:发光二极管显示的3位数字电压表的设计专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010年 9 月 20 日 信息工程学院课程设计任务书学 号学生姓名专业（班级）设计题目发光二极管显示的3位数字电压表的设计设计技术参数1. 要求测量直流电压测量范围（0200V）；2. 要求系统具有数字显示功能；3. 要求针对不同的电压能调节测试量程；4. 要求系统具有过压保护功能；5. 要求系统具有复位功能；6. 要求系统设计简单，价格低廉。设计要求1. 在visio里画出系统框图；2. 完成系统硬件设计；3. 完成系统软件设计；4. 在proteus内仿真。工作量 字数统计：6861字。工作计划第一周：搜集资料，并进行方案论证；第二周：完成系统硬件设计；第三周：完成系统软件设计；第四周：系统调试，并完成设计报告。参考资料1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052汤山俊夫 彭军编著，数字电路设计与制作，科学出版社；20053阎石主编，数字电子技术基础，高等教育出版社；20064张庆双等编著，实用电子电路200例，机械工程出版社；20035李中发主编，数字电子技术，中国水利水电出版社；2007指导教师签字教研室主任签字 2010年9月20 学生姓名： 李生鹏 学号： 030740803 专业（班级）：电子信息科学与技术课程设计题目：发光二极管显示的3位数字电压表的设计指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日信息工程学院课程设计成绩评定表摘 要数字电压表是常用的测量仪表之一，与同级别的指针式电压表相比较，使用方便，测量更准确，因此广泛使用。本设计中电压表可以测量直流电压测量范围（0200V）共分四档：200mv、2v、20v、200v，并且通过4位LED数码管显示其数值。它由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟部分包括转换式输入放大器、基准电压源和A/D转换电路。数字部分包括计数器、译码驱动显示及逻辑控制。本电压表具有设计方法合理、简单易行、成本低、安全实用等特点，并且具有一定的推广价值。关键词：A/D转换器 译码驱动 显示18Abstract Digital voltage meter is the one commonly used measuring instruments, and appearances with the voltage level of pointer comparison, easy to use, more accurate measurements, so widely used. The design voltage meter can measure DC voltage measurement range (0 200V) is divided into four steps: 200mv, 2v, 20v, 200v, and by four LED digital display its value. It consists of both analog and digital circuit components, including the conversion of analog input amplifier, voltage reference and A / D converter circuit. Digital section includes the counter, decoding driver display and logic control.This voltmeter has the design method reasonably, easy and feasible, the cost low, safe practical and so on characteristics, and has certain promoted value. Key word: A / D converter Decoding Driver Display 目 录1 任务提出与任务要求11.1任务提出11.2 任务要求12 总体设计22.1基本原理22.2基本方框图22.3 基本原理图23 详细设计33.1各部分功能33.2工作过程33.3在protel中画出电路图33.4在protus中仿真34 总结4参考文献5附录5 1 任务提出与任务要求1.1任务提出 设计一个利用发光二极管现实的3位数字电压表，该电压表是由模拟电路与数字电路两个部分组成，是由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中的各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换的结果通过计数译码电路变换成译码电路，最后驱动显示相应的数值，该设计的任务就是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数值显示。1.2任务要求（一） 基本要求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0.1mv4、 测量误差小于0.1%（二） 发挥部分具有正负电压极性显示，小数点显示，超标量显示，量程自动转换等功能。（三） 系统框图（四） 设计步骤1、 画出3位数字电压表的电路原理图2、 计算各元件参数值3、 安装所设计的电路，按照数字电压表的调试步骤，逐步进行调试与功能检查。4、 测试数字电压表的主要指标，在满足要求后，记录测试结果，并进行误差分析。（五） 器材仪表A/D转换器MC14433，MC1413驱动器阵列，CC4511，LED等。2 总体设计2.1基本原理 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。2.2基本方框图2.3基本电路图图1 电路图3 详细设计3.1各部分的功能： 3.1.1 AD 转换器 MCl4433 图2 双积分ADC原理框图（1）在数字仪表中，MC14433 电路是一个低功耗 3位半双积分式 AD 转换器。和其它典型的双积分 A/D 转换器类似，MC14433AD 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。（2）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 3位半的 AD 转换。MC14433 内部模拟电路实现了如下功能： 1）提高 AD 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达 100M以上；2）和外接的 RI、CI构成一个积分放大器，完成 VT 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 3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 AD 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 3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 AD 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 AD 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 位数器开始计数，完成 AD 转换。MCl4433 内部时钟发生器:MCl4433 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(原文资料为 CLKI)(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: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）。双斜率双积分 AD 转换器: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：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 27 k。选取 RI和 CI的计算公式如下：RI=UX(MAX)*T/(CI*UC )式中，UC为积分电容上充电电压幅度, UC=VDD-UX(MAX)-U, U=0.5V;T=4000/fclk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。MCl4433 采用 24 引线双列直插式封装，外引线排列，参考电路图引脚标注，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 Q0一 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。3.1.2 七段锁存-译码-驱动器 CD4511 CD4511 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。(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 。(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。3.1.3高精度低漂移能隙基准电源 MCl403 MCl403 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 2475V2.525V 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。3.1.4七路达林顿驱动器阵列 MCl413MCl413 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)。MCl413 引脚如图 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 MC1403引脚排列 图4 MC1413引脚排列和电路结构图3.2工作过程： 3.2.1各部分工作过程（1）3位半 AD 转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。（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(MC4511)：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。 数字电压表通过位选信号 DS1DS4进行动态扫描显示，由于 MCl4433 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 1及过量程、欠量程和极性标志信号。3.2.2在位选信号 DS1选通期间 Q0Q3的输出内容如下：（1）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。 （2）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 OR 输出低电平。（4）当 OR = 1 时，表示| UX| UR。平时 OR 输出为高电平，表示被测量在量程内。（5） MCl4433 的 OR 端与 MC4511 的消隐端 BI 直接相连，当 UX超出量程范围时， OR 输出低电平，即 OR = 0 BI = 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。3.2.3 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。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！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。3.3在protel中画出电路图：图5 protel中的电路图3.4在protus中仿真图6 在proteus内的2v档位图图7 在proteus内的20v档位图图8 在proteus内的200v档位图图9 在proteus内的200mv v档位图4 总结课设是为了让学生掌握实践知识。这次课程设计历时一个月，经过一个月的实践和体验下来，我学到的不仅复习了以前学的，更学到了一些新的知识。在这次实践中我明白了课程设计对我们的意义，实践操作的重要，实践使我们意识到数电课设中电路的连接是需要耐心和细心的，可能一个不小心的线路连接就造成之前的努力都付之东流，使实验失败。在此过程中，我们充分利用这次课程设计，充分利用这段时间，不断补充新的温习旧的知识，充分的发挥了我们的主动性，使我们自主的学习，不断充实自己也让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在整个课程设计中，我们充分利用所学知识，我们每个人都了解到的学习不应该只局限于我们的课本，因为课本上告诉我们的只是很有限的一部分，所涉及的面也是狭窄的。但是怎样在有限的范围内学习到无限的知识呢？那就要我们自己懂的竞争，懂的自学，懂的充分利用身边的任何资源，懂得与其他同学的合作。应该说，我们在这次的课程设计中学到了很多知识，这并不仅仅包括书本上的知识。但是在我们的设计中还有部分的不足，需要加以更新，我们的设计也只是所有课程中很小的一部分，并不能将所学的知识充分利用起来，这也是不足的地方。同时，通过这次课程设计，我们都意识到了自己在动手实践上还存在弱势，我们知道了实践操作对学习是很重要的，只有通过实际操作才能充分的了解自己的不足并掌握知识。相信通过这次的课程设计，更让我们深刻意识到自己在学习中的弱点，同时也找到了克服这些弱点的方法，这也是一笔很大的资源。在以后的时间中，我们应该利用更多的时间去动手实验，相信实际操作会让我们的动手能力得到很大的提高同时实践可以使我们掌握知识，并在掌握的基础上得到提高。5参考文献1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052汤山俊夫 彭军编著，数字电路设计与制作，科学出版社；20053阎石主编，数字电子技术基础，高等教育出版社；20064张庆双等编著，实用电子电路200例，机械工程出版社；20035李中发主编，数字电子技术，中国水利水电出版社；2007附录源程序代码#include unsigned char code dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7, 0xef,0xdf,0xbf,0x7f; unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,