《数字电压表》PPT课件

电子技术课程设计,电子教研室2009.11,-3又1/2位数字电压表,主要内容,1.1概述1.2电子电路设计的一般方法与步骤1.33又1/2位数字电压表任务与要求总体方案设计设计单元电路1.4时间安排,$1.1概述,一、课程设计的目的与要求目的：针对电子技术课程的要求，对学生进行综合性训练，培养学生运用课程中所学到的理论与实践紧密结合的能力，独立解决实际问题的能力。,要求：1、综合运用电子技术课程中所学到的理论知识去独立完成一个设计课题。2、通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决问题的能力。3、学会电子电路的EDA设计技能。4、学会电子电路的焊接与调试技能。5、进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。6、学会撰写课程设计总结报告。7、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。,二、课程设计的教学过程,课程设计大体可分成以下三个阶段：1、设计与计算阶段（预设计阶段）：根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证与选择，确定总体方案。此后对方案中单元电路进行选择和设计计算，包括元件的选用和电路参数的计算。最后画出总体电路图（管脚图和布线图）。,2、仿真、安装、调试阶段：应用EDA软件画电路原理图、PCB图。预设计经审查通过后，即可向实验室领取所需元器件等资料，焊接电路板，组装电路。此后是运用测试仪表进行电路调试，排除电路故障，调整元器件，修改电路，使之达到设计指标要求。此阶段是课程设计的重点与难点。,3、撰写总结报告阶段：总结报告是对课程设计全过程的系统总结。应按规定的格式编写设计说明书。说明书的主要内容有：1）、课题名称。2）、设计任务和要求。3）、方案选择与论证。4）、方案的原理图，器件的管脚图，总体电路图、布线图，以及他们的说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。5）、电路的调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。6）、收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。,1.2电子电路设计的一般方法与步骤,电子电路的一般设计方法与步骤包括如下：一、选择总体方案二、设计单元电路三、计算参数四、选择元器件五、绘总体电路图六、EDA画图、PCB制板七、电路的组装与调试,一、选择总体方案,总体方案：针对所设计的任务、要求和条件，根据已掌握的知识和资料，从全局着眼，将总体功能要求合理地分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能和总体工作原理的框图。通常符合要求的总体方案不止一个，设计者应仔细分析每个方案的可行性和优缺点，并从设计的合理性、技术先进性、可靠性、经济性等方面反复比较，选出最佳方案。,二、设计单元电路,设计单元电路前必须明确对各单元电路的要求，详细拟订出单元电路的性能指标，注意到各单元电路间的配合问题，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑到能使各单元电路采用统一的供电电源，以免造成总体电路复杂、可靠性、经济性均差等缺点。具体设计时可选用成熟的先进电路，也可在与设计要求较接近的电路基础上适当改进或进行创造性设计。,三、计算参数,在电路设计过程中，必须对某些参数进行计算后方可挑选器件，只有深刻地理解电路的工作原理，正确地运用计算公式和计算图表，才能获得满意的计算结果。在设计计算时，常会出现理论上满足要求的参数值不是唯一的，设计者应根据价格、体积和货源等具体情况进行选择，计算参数时应注意以下问题：1各元器件的工作电流、电压和功耗等应符合要求并留有适当裕量。2对于元器件的极限参数必须留有足够裕量，一般应大于额定值的1.5倍。3对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最不利的情况考虑。4电阻、电容的参数应选计算值附近的标称值。5在保证电路达到功能指标要求的前提下，应尽量减少元器件的品种、价格、体积等。,四、选择元器件,（一）集成电路的选择由于集成电路可以实现众多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用集成电路不仅可减少电子设备的体积和成本，提高可靠性，且使设计简化，安装、调试及维修大大方便。因此一般应优先选用集成电路。集成电路常见的封装方式有：双列直插式、扁平式和直立式三种，一般尽可能选用双列直插式，因为这种封装方式易于安装和更换。,（二）其它元器件选择的一般原则,1电阻器的选择选择电阻器除阻值和功耗等主要参数外，还应从以下几方面进行考虑：1）掌握所设计电路对电阻器的特殊要求，即对高频特性、过载能力、精度、温度系数等方面的技术要求。2）尽量优先选用通用型电阻器及较疏的标称阻值系列，因为此类电阻器价格低、货源足。3）所选电阻器的额定功率必须大于实际承受功率的两倍。,2电容器的选择,选择电容器除容量和耐压等主要参数外，还应考虑以下方面：1）合理确定对电容器精度的要求。2）注意对电容器高频特性的要求。3电位器的选择电位器的主要参数有：标称阻值、精度、额定功率、电阻温度系数等，选用时应根据所设计电路的要求确定。,五、绘总体电路图,总电路图是在总框图、单元电路设计、参数设计和元器件选择的基础上绘制的，它是组装、调试、印刷电路板设计的依据。因此总体电路图具有重要作用。绘制时应注意以下几点：1注意信号的流向：一般从输入端画起，由左至右（或由上至下）按信号流向依次绘出各单元电路，使全图易于阅读和理解。2注意总体电路图的紧凑和协调，做到布局合理，排列均匀，图面清晰。3、尽量将总体电路图绘在一张图纸上。如果电路较复杂，一张图纸内无法容纳，则应将主电路图画在同一张图纸上，而将其余部分按设计单元电路画在另一张图纸上或数张图纸上，并在各图纸所有断口两端做上标记，以此说明各图纸间电路连线的来龙去脉。4图中元器件的符号应标准化。5连接线一般画成水平线或垂直线，并尽可能减少交叉和拐弯。相互连通的交叉线，应在交叉处用圆点标出。,六、应用protel99SE电路设计软件画原理图、PCB图,原理图设计流程：,PCB的设计流程分为：规则设置、网表输入、元器件布局、布线、检查、复查、输出六个步骤。,七、电路的组装与调试,电子电路的组装与调试在电子设计技术中占有重要的位置，它是对理论设计进行检验、修改和完善的过程，任何一个产品往往都是在安装、调试并反复修改多次方能最终完成。1电子电路的组装组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法，无论采用哪种方法均应注意以下几方面：1）所有元器件在组装前应尽可能测试一遍，以保证所用的元器件均合格。2）所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确布线和查找。3）组装分立元件时应使其标志朝上或朝向易于观察的方向，以便于查找和更换。对于有极性的元件，例：电解电容、二极管等，组装时一定要特别注意，不要搞错。正确的组装方法和合理的布局，不仅可使电路整齐美观、工作可靠，而且便于检查、调试和排除故障。,2电子电路的调试,调试是指调整和测试。测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量，调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正，使满足设计要求。在调试前应拟订出测试项目、测试步骤、调测方法和所用的仪器等，做到心中有数，保证调试工作圆满完成。1）调试方法原则上有两种：,A、边安装边调试的方法。它是把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行安装和调试，在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。这种方法一般适用于新设计的电路。B、在整个电路全部焊接安装完毕后，实行一次性调试。这种方法一般适用于定型产品和需要相互配合才能运行的产品。,2）、调试步骤,A：通电前检查电路安装完毕后，不要急于通电，首先要根据原理电路认真检查电路接线是否正确，并且还要检查每个元件引脚的使用端数是否与图纸相符。查线时用数字万用表档的峰鸣器来测量，且尽可能直接测量元器件引脚，这样同时可以发现接触不良的地方。B：通电观察在电路安装没有错误的情况下接通电源。但接通电源后不要急于测量，首先要充分调动眼、耳、鼻、手观察整个电路有无异常现象，包括有无冒烟，是否有异味，是否有异声，手摸器件是否发烫，电源是否有短路或开路现象等。若出现异常，应该立即关掉电源，待故障排除后方可重新通电。然后再按要求测量各元器件引脚电源的电压，而不只是测量各路总电源电压，以保证元器件正常工作。,C：单元电路调试,在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。调试顺序按信号流向进行，这样可以把前面调试好的输出信号作为后一级的输入信号。在调试过程中应有详尽的记录。D：整机联调各单元电路调试好以后，并不见得由它们组成的整机性能一定很好，因此还要进行整机调试。整机调试主要是观察和测量动态性能，把测量的结果与设计指标逐一对比，找出问题及解决办法，然后对电路极其参数进行修正，直到全机的性能完全符合设计要求为止。,3故障诊断方法,整机出现故障后，首先应仔细观察有无元器件出现过热痕迹或损伤情况，有无脱焊、短路、断脚和断线情况。然后采用静态和动态查找法。静态查找法：用万用表测量元器件引脚电压、测量电阻值、电容漏电以及电路是否有断路或短路情况等。当静态查找仍不能发现故障原因时，可采用动态查找法。即通过相应的仪器、仪表在电路加上适当信号的情况下测量电路的性能指标、元器件的工作状态。由获得的读数和观察到的波形等可准确、迅速地查找到故障发生的部位及产生的原因。,1.3、具有自动量程转换功能的3又1/2位数字电压表,数字电压表是一种直接用数字显示的电压测量仪表。电压测量是电子测量中的一个重要内容，而数字电压表具有测量精度高、测量速度快、灵敏度高、操作简便、数字显示清晰、直观易读等优点，所以广泛应用于电子测量中。本题要求设计制作一个3又1/2位的数字电压表。所谓3又1/2位是能测量显示出十进制数00001999，即个位、十位、百位的范围为09，而千位为0和1两种状态，称为半位。,一、设计任务书二、总体方案三、设计单元电路,3又1/2位数字电压表：,一、设计任务书,(一).题目:3又1/2位数字电压表(二).设计任务设计具有自动量程转换功能的3又1/2位数字电压表。,图1数字电压表原理框图,(2).设计要求设计量程变换(转换)电路设计A/D转换电路。4次/s，fc=66kHz设计显示电路(包括LED驱动、译码)设计小数点处理电路组装数字电压表,(三)、设计要求基本要求:(1).设计指标测量范围：019.99V，20199.9V。用三位半表头或4位七段数码管显示测量结果。,二.总体方案,（一）设计思路1）、首先设计一个量程转换电路，将不同测量范围内的电压信号转换成A/D转换电路所需的标准电压范围内。2）、设计一个A/D转换电路，实现模拟量到数字量的转换。3）、字形译码驱动电路：将A/D数字信号经译码驱动电路接到七段显示器上。4）、字位驱动电路：字位信号还须经过驱动电路接到显示器的公共端。5）、小数点自动转换处理电路。,（二）、原理框图,(1).量程转换电路：把被测量的直流电压量程范围由02V，扩展成020V200V(2).A/D转换器：将02V直流电压信号转换成数字量(3).译码显示驱动器：把BCD码(数字量)转换成LED对应的字模。(4).显示处理：完成A/D转换过程的处理，即显示LED小数点移位处理，量程自动切换等。(5).LED显示器：显示测量值(电压值),具有自动量程转换功能的3又1/2位数字电压表原理图,三设计单元电路,1、3又1/2位A/D转换电路,目前市场上广泛流传的单片集成化双积分A/D转换器主要有下列类型：5G14433（国外MC14433）：它是廉价型3又1/2双积分型A/D转换器，3又1/2位精度，自校正，自动极性，单参考电压，动态位扫描BCD码输出，并有自动量程控制信号输出，因其价廉，抗干扰性能好，有着广泛的应用，转换速度约1-10次/秒。CH7106（ICL7106/ICL7107/ICL7126系列）：31/2位精度，具有自校正，自动极性，单参考电压，静态七段码输出，可直接驱动LED显示器，但没有专门的小数点驱动信号和自动量程转换电路。考虑实际应用情况，选择芯片144333又1/2位双积分型A/D转换器。,1)、A/D转换器(MC14433)MC14433A/D转换器是美国摩托罗拉公司生产的双积分型A/D转换器。1）、主要性能及特点：(1)属于CMOS大规模集成电路。(2)转换准确度为0.05%。(3)具有自动调零和自动极性转换功能。(4)具有转换结束和过量程标志(/OR)。通过(/OR)实现量程自动转换。(5)具有转换更新控制。通过输出控制端DU与转换结束端EOC连接使A/D转换结果更新，处于连续测量。(6)具有读数保持功能。(7)电压量程范围分两档0200mV、02V。(8)功耗低、抗干扰能力强(双积分型)。(9)转换速度310次/s。,2)MC14433电路结构,主要由模拟电路和数字电路组成。模拟部分主要包括：基准电压、模拟电压输入部分等。模拟电压输入量程分为199.9mV或1.999V。基准电压应为200mV和2V。数字部分：由BCD码及输出锁存器、逻辑控制、多路开关、极性判别、溢出检测及时钟等组成。MC14433采用动态扫描BCD码输出方式即千、百、十、个各位BCD码轮流地在Q0Q3输出，同时，DS1DS4端出现同步字位选通。,3)管脚图,1、VAG：接地端（模拟地）2、VR：基准电压输入端（可由5G1403通过分压提供+2V或200mV基准电压）3、VX：被测信号输入端4、R1、5R1/C1、6C1：外接电阻R1、电容C1端外接元件典型值：量程为2V时C1=0.1F，R1=470K量程为200mV时C1=0.1F，R1=27K7C01、8C02：外接失调补偿电容C0端C0=0.1F9DU：转换更新控制端10CLK1、11CLK0：外接振荡器电阻RC端RC=470K12VEE：模拟部分负电源端13VSS：公共接地端14EOC：转换周期结束标志每当转换周期结束，EOC端输出一个宽度为1/2CP的正脉冲15/OR：过量程标志当|VX|VR时，/OR输出低电平24VDD：正电源端，芯片工作电压为+5V、-5V,当DUEOC相接时，每次A/D转换结果的输出都被更新，处于连续自动转换状态。转换结果输出：转换结果以BCD码的形式分时按千、百、十、个位由Q3Q0（2023端）送出，相应的选通信号由DS1DS3（1916端）提供。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，相邻选通脉冲之间的间隔为2个时钟脉冲。当DS2、DS3、DS4选通期间，Q3Q0分别输出三个完整的BCD码。但在DS1选通期间（DS1=1），输出端Q3Q0除表示千位数的0或1外，还表示了转换结果的正负极性、输入信号是欠量程还是过量程。其规定如下表所示。,4）、时钟频率fc、时钟电阻RcMC14433是位双积分A/D转换器，结构原理见图所示：MC14433时钟振荡器由内部反相器、时钟电容、及外部时钟电阻Rc部反相器、时钟电容、及外部时钟电阻Rc组成。时钟频率fc与时钟电阻Rc关系如图所示。MC14433时钟一般可取50KHz、66KHz、100KHz。根据fc-Rc特征曲线可分别取Rc为750k、470k、360k。本次设计fc=66KHz，则Rc=470k。,5)积分电阻Ri、积分电容Ci,MC14433A/D转换器为双积分型A/D转换器。其原理首先把输入模拟电压信号转换为与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，其结果正比于输入模拟信号的数字量。在时钟脉冲fcp、计数时间一定、量程一定情况下，积分时间Ti及积分电阻Ri，积分电容Ci可求。积分电间可由下式计算：式中U积分电容上充电电压幅度。U=VDD-UImax-0.5V;VDD-电源电压，考虑最坏工作情况时,不允许U+UiVDD,式中0.5V是保险系数。Ti-积分时间；UImax输入最大值UImax=2V取Ci=0.1uF，VDD=5V，UImax=2V，fcp=66kHz代入、式则Ri=480k.,6)：精密低压基准电源5G1403芯片,5G1403它能提供2.5V高稳定度输出电压，作为精密电压源使用。主要特点：、温度系数小。(小于60ppm/c)、稳定性高，当输入从+4.5V到+15V变化输出变化小于3mV。本系统中主要作为5G14433的基准电源(+2V)其管脚见下图所示。,7)：ICL7660提供给5G14433的VEE端-5V电源,ICL7660变换器主要应用在直流供电系统，能将+5V电源简便地变换为-5V电源。主要特点：(1)+5V电源变换5V电源。(2)简便地实现倍压Vout=(-)nVin(Vout输出电压，Vin电源电压，n使用器件数)。(3)开路电压转换效率高达99.9%(4)电源电压范围：1.510.0V。,电路图,2、量程转换电路设计、参数计算,a).量程转换电路量程转换电路主要任务是把被测量直流电压转换成A/D输入端所能接受的电压范围，然后把其转换成数字量加以显示。本设计中选用A/D芯片为美国摩托罗拉公司生产的3又1/2位A/D转换器。即MC14433国内型号5G14433它具有获得超量程(OR)便于实现量程自动转换。电压量程分为两档；200mV、2V。由于设计指标为020V200V。因此对于连续测量020V200V的直流电压必须进行信号衰减。当选用量程为2V时；则对被测输入信号通过电阻分压，使高、低两档分别衰减10倍与100倍。(020V,20V200V)量程转换电路如图2-7所示：K1开关作用：测量范围为020V时断开，使Vi衰减10倍进入5G14433输入端。测量范围为20V200V时K1闭合，使Vi衰减100倍进入5G14433输入端。,各电阻值计算：,1）测量范围为020V时，K1断开，电路原理见图2-8：R1=9(R3+R4)选R1=10M,R3=1M,R4=120k2）测量范围为0200V时，K1闭合，电路原理见图2-9：R2*与R3*并联：R2*=0.12M选R2=100k,WR=20k,CD4052：双4选一的多路模拟选择开关.,3量程自动转换与小数点移位电路,1）保证当被测电压大于20V时，输入量程部分自动地把输入电压信号衰减100倍，保证MC14433量程为2V；2）同时LED数码管小数点从百位移到十位上，达到正确的显示。为此利用MC14433芯片具有超量程信号，通过D触发器和与非门等配合完成这一功能。电路工作原理：,3量程自动转换与小数点移位电路,仪表通电瞬间(开机)，由于G1与非门输出电容C2(2.2uf)接地作用。使G2=1、G3=0(/OR=1)三极管T1截止、T2导通，第三位小数点灭，第二位小数点亮，显示范围最大19.99V，量程为20V。开关K断开。开关K断开。使输入电压Vin被Ro、R1分压1/10后进入MC14433Vx端。(1)量程020V在量程020V范围内，(/OR)=1、F2D触发器复位端R=1，/Q=1。此时CD4511消隐端/BI=1，译码器正常译码，LED也正常显示。,(2)量程Vin20V,当输入电压信号Vin20V时，/OR=0使G2、G3、RS触发器状态发生翻转(/OR=0时，Q0=1、Q3=0所以输入为1输出G2=0)。T1导通，T2截止，第三位小数点亮，第二位小数点灭；同时，G2输出使K开关闭合，使R1与R2并联。通过R0与R1/R2分压，使输入电压信号分压1/100，进入MC14433，这样使量程扩展为200V。,(3)消隐电路,由于量程Vin20V，瞬间/OR=0会造成错误显示结果(首次转换)。为了让显示结果全部消隐，在电路中设置F2D触发器。当/OR=0时，F2的R=0，首次转换结果Eoc使/Q=0，即CD4511的/BI=0，达到全部消隐。第二次转换由于量程已扩展(Vx2V)，数据不在溢出，故/OR=1，F2的/Q=1，CD4511的/BI=1，显示又恢复正常。,双D触发器4013：管脚图、功能表:,(4)欠量程,在量程为200.0V时，若Vin20.00V，则A/D转换结果为“欠量程”。在DS1=1期间，Q0=Q3=1、G3=0，故G2、G3、RS触发器翻转为G2=1、G3=0。于是量程自动切换20.00V，开关K断开。小数点从第三位移到第二位显示，第三灭。,4、字形译码驱动电路芯片CC4511,CC4511为显示译码驱动器，其内部带有锁存器，当锁存允许端LE=0时，锁存器直通，输出端随数据输入端变化，因此将LE端接地。CC4511的输出端接限流电阻，当电源电压+VDD=+5V时每只电阻的阻值约为数百欧。CC14433A/D转换器的转换结果以BCD码的形式从Q0Q3输出，分别与CC4511的数据输入端AD相连接，当DS=1时，对应的显示器便显示出09的十进制数字。,若输入电压UI大于19.99V，/OR端输出为“0”，控制CC4511的灭灯端/BI，即/BI=0，显示器的数字全部灭，只有负号和小数点仍亮。CC4511管脚图,/LT：灯测试输入端；LT0，显示数字8。/BI：灭灯端（消隐端）。/BI=0，显示器