参考模板三位半直流数字电压表的设计

山东电力高等专科学校毕业论文I三位半直流数字电压表的设计摘要本次设计的对象是一个三位半直流数字电压表。量程为1999V01999V，误差为50/00。电路主要由双积分模/数转换器、译码驱动器、反相器等器件构成的。当被测电压输入模/数转换器后，在位选信号有效期间，二进制码数据输出线依次输出四个四位二进制码，这个二进制码通过译码器转换为显示器的段驱动信号。数字输出采用动态扫描方式，多路选通脉冲输出端控制反相器轮流导通，产生显示器的位驱动信号。显示器的显示方式采用了由发光二极管组成的共阴极LED显示器。在段驱动信号和位驱动信号共同作用下在显示屏上显示所要测量的直流模拟电压。当被测电压超过基准电压时，过量程信号输出低电平，触发器的工作使译码驱动器的消引端的电平时高时低，从而使显示数字闪烁，指示过量程状态。如果在测量中，转换周期结束标志输出端和更新输出的模数转换数据结果的输入端接一只开关，可以实现电压表保持某一时刻的测量结果不变。电压表还可以实现自动转换量程。自动转换量程可以加快测量速度，提高测量准确度，实现测量自动化。该直流数字电压表具有功耗低、抗干扰能力强、精度高及使用灵活等优点，被广泛用于各种数字仪表中。关键词直流数字电压表；模/数转换器；显示器山东电力高等专科学校毕业论文II目录摘要IABSTRACTII第1章绪论3第2章总体方案设计4第3章单元电路的设计531A/D转换器的选择和设计5311转换精度8312转换时间832双积分A/D转换器5G144339321关于5G1443393225GL4433的外部电路连接与元件参数设计1233BCD锁存/译码/驱动器5G4511错误未定义书签。331编码器错误未定义书签。332译码器错误未定义书签。34显示部分错误未定义书签。355G1413、D触发器错误未定义书签。351达林顿驱动器错误未定义书签。352D触发器错误未定义书签。第4章三位半数字电压表的总体设计错误未定义书签。41电路组成错误未定义书签。42工作过程错误未定义书签。第5章三位半数字电压表的调试错误未定义书签。结论错误未定义书签。致谢错误未定义书签。参考文献15附录A错误未定义书签。附录B错误未定义书签。山东电力高等专科学校毕业论文3第1章绪论在生产和实验中，电压表是最常使用的测量仪器之一，目前市场上的数字电压表头已在逐渐取代以往的指针式表头。数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电压表有显示清晰直观，读数准确的特点。新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号。为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种“数字/模拟条图“仪表业已问世。“模拟图条“（ANALOFBARGRAPH）有双重含义第一，被测量为模拟量；第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM与模拟电压表之优点。智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和打印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。除此之外数字电压表还有分辨率高，准确度高，测量范围宽，测量速度快，扩展能力强，抗干扰能力强等特点。新一代数字仪表广泛采用新技术，不断开发新产品当中正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。山东电力高等专科学校毕业论文4第2章总体方案设计数字电压表以模/数（A/D）转换器为核心构成，总体电路由A/D转换器、译码驱动器、触发器、显示器和反相器组成。系统方框图如图11所示。图21系统方框图模拟直流电压经过A/D转换器把模拟量转换为二进制数字量，这个数字量经过译码驱动器在LED数码管上显示所要测试的模拟电压，在这个过程中维持阻塞D触发器和反相器件配合上述几种器件共同工作形成了三位半数字电压表。在这次设计中电压表的核心器件A/D转换部分采用的是三位半A/D转换器5G14433。5G14433是国产的三位半A/D转换器,是目前广为流行的最典型的双积分A/D转换器。它具有抗干扰性能好，转换精度高等特点。译码驱动器采用的型号是55G4511。5G4511为7段显示译码器，具有锁存/译码/驱动功能，它将连续的模拟量转换为数字量。反向器件是七路达林顿驱动器阵列5G1413。上述三种元件构成了电压表的基本模型。在组成电压表时触发器可加也可以不加，加上触发器可以及时的发现电压表的过量程状态。在本次设计中采用了维持阻塞D触发器。山东电力高等专科学校毕业论文5第3章单元电路的设计31A/D转换器的选择和设计A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它正比的数字量,既能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。模数转换的过程有四个阶段，即采样、保持、量化和编码。采样是将连续时间信号变成离散时间信号的过程。经过采样，时间连续、数值连续的模拟信号就变成了时间离散、数值连续的信号，称为采样信号。采样电路相当于一个模拟开关,模拟开关周期性地工作。理论上，每个周期内，模拟开关的闭合时间趋近于0。在模拟开关闭合的时刻（采样时刻），我们就“采”到模拟信号的一个“样本”。量化是将连续数值信号变成离散数值信号的过程。理论上，经过量化，我们就可以将时间离散、数值连续的采样信号变成时间离散、数值离散的数字信号。我们知道，在电路中，数字量通常用二进制代码表示。因此，量化电路的后面有一个编码电路，将数字信号的数值转换成二进制代码。然而，量化和编码总是需要一定时间才能完成，所以，量化电路的前面还要有一个保持电路。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号的过程。在量化和编码期间，保持电路相当于一个恒压源，它将采样时刻的信号电压“保持”在量化器的输入端。虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，工程上保持器总是与采样器做在一起。两者合称采样保持器。A/D转换器种类很多,但从原理上通常可分为以下四种并行A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器，电压频率变换式A/D转换器，双积分式A/D转换器。并行模数转换器是一种直接模数转换器，亦称快速模数转换器（FLASHADC）。N位并行数模转换器中有N21个电压比较器，每个电压比较器的一个输入端与采样保持电路的输出端相连接，另一个输入端则取N21个量化电平中的一个，作为参考电压。这N21个量化电平由一个N21抽头电阻分压器提供。因为采样电压同时馈入各个电压比较器，所以各个电压比较器同时输出高电平或低电平。显然，这N21个高电平或低电平表示一个N21位二进制代码，对应这一个量化电平。事实上，我们只需N位二进制代码就能表示N21个量化电平。也就是说，用N21位二进制代码表示N21个量化电平有很大的冗余度。于是，我们通过一个山东电力高等专科学校毕业论文6代码转换器将N21位二进制代码转换成N位二进制代码。并行模数转换器的优点是转换速度快，缺点是电路规模庞大。逐次渐进型模数转换器也是一种直接型模数转换器。与并行模数转换器不同，串行模数转换器的量化和编码受时钟脉冲控制。N位逐次渐进型模数转换器需要2N个时钟周期才能输出二进制代码。尽管转换速度不如并行模数转换器，逐次渐进型模数转换器是串行模数转换器中转换速度最快的一种。逐次渐进型模数转换器包含一个数模转换器，启动后，它先把一个N位二进制代码假想为转换结果，然后把这个假想结果通过数模转换器转换成模拟电压，接下来通过比较器来验证如果这个电压比待转换的电压低，那么就把一个较大的二进制代码作为新的假想结果；如果这个电压比待转换的电压高，那么就把一个较小的二进制代码作为新的假想结果。这个过程反复进行，直至假想结果最接近待转换的电压。显然，逐次渐进型模数转换器的设计思想是试凑法由粗到精、步步逼近。电压频率变换型模数转换器是另一种间接型模数转换器。这种模数转换器中有一个压控振荡器和一个计数器。待转换的模拟电压作为压控振荡器的输入，压控振荡器的输出则作为计数器的时钟脉冲。因为压控振荡器输出脉冲的频率与它的输入电压成正比，所以在计数时间一定的前提下，表示计数器最终状态的二进制代码也将与输入电压成正比。这个二进制代码就是与模拟电压对应的数字量。受计数时间的约束，电压频率变换型模数转换器的速度不可能很高；受压控振荡器性能的约束，电压频率变换型模数转换器的精度也不可能很高。电压频率变换型模数转换器常用于一般的工业测量场合。双积分型模数转换器是一种间接型模数转换器，属于电压时间变换型。双积分型模数转换器图21包含积分器、比较器、计数器、时钟脉冲发生器和一些控制逻辑。转换开始前，积分器的输出电压为0伏，计数器的状态为0。转换开始后，积分器对输入电压进行积分，其输出电压线性下降。与此同时，N位二进制加法计数器开始对来自时钟脉冲发生器的脉冲进行计数，其输出不断增长。假设时钟脉冲周期为CT秒，那么，经过12NCTT秒后，积分器的输出电压为11/TVRC伏，2TTMC计数器又回到0状态并产生一个进位脉冲。这个进位脉冲使积分器对输入电压1V的积分结束，同时使积分器对参考电压REFV的积分开始，其输出电压从11/TVRC伏线性上升。经过TMCT2秒后，积分器的输出电压又回到0伏，比较器翻转，使积分器对参考电压的REFV积分结束。这也是模数转换结束的时刻。为什么说这时模数转换结束了呢我们来分析一下计数器当前的状态与输入电压1V的关系。积分器第一次积分从输出电压等于0时开始，第山东电力高等专科学校毕业论文7图31双积分模数转换器二次积分到输出电压等于0时结束，所以第一次积分输出电压的变化量必然等于第二次积分输出电压的变化量，即112VRCTVRCTREF，12VRCTVRCMTCNREFC，12VVMREFN这个式子告诉我们，表示计数器当前状态的二进制代码M与输入电压1V成正比，因此，模数转换至此结束，M就是我们需要的结果。从这个式子我们还可以看出，双积分型模数转换器输出的数字量仅与基准电压REFV和输入电压1V有关，只要基准电压有较高的精度，转换结果就有较高的精度。因此，我们完全可以用精度比较低的元器件制成精度较高的模数转换器。双积分型模数转换器的另一个优点是抗干扰能力比较强。因为积分是求解输入电压平均值的过程，所以平均值接近于0伏的噪声几乎不会对输出电压产生任何影响。对信号采集系统来说，主要的输入噪声来自工频电源。为了抑制这种噪声，我们一般将积分时间设计成20毫秒的整数倍。双积分型模数转换器的缺点是转换速度低，一般用于对信号变化缓慢且噪声较强的工业控制场合。双积分式A/D转换器抗干扰能力强,转换精度也很高,但是，双积分型A/D转换器的最大缺点是速度较慢，所以主要用于数字电压表等低速测试山东电力高等专科学校毕业论文8系统中。基于双积分A/D转换器以上特点本次设计也采用了双积分A/D转换器。双积分型A/D转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素的影响。A/D转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度等。选择A/D转换器时，除考虑这两项技术指标外，还应注意满足其输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定度等方面的要求。311转换精度单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。3111分辨率A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数来表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，N位输出的A/D转换器能区分2N个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2N。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数，输入信号最大值为5V,那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为953MV。3112转换误差转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。312转换时间转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间可达到50NS以内，逐次比较型A/D转换器次之，它们多数转换时间在1050S以内，间接A/D转换器的速度最慢，如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围以及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的选用。山东电力高等专科学校毕业论文932双积分A/D转换器5G14433321关于5G144335G14433是国产的3位半A/D转换器,是目前广为流行的最典型的双积分A/D转换器，本次设计即选择采用该型号模数转换器。5G14433具有抗干扰性能好，转换精度高（相当于11位二进制数），自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。但其转换速度慢，约110次/秒。在不要求高速转换的场合，如温度控制系中，被广泛采用。5G14433的国外原型产品是美国MOTO1OLR公司的MC14433，两者完全相同，可以互换使用。5G14433的内部结构及引脚功能图325G14433的内部结构框图模拟电路部分有基准电压、模拟电压输入、模拟电压输入部分。量程为1999MV或1999V两种，与之相对应的基准电压相应为200MV或2V两种。数字电路部分有逻辑控制、BCD码及输出锁存器、多路开关、时钟以及极性判别、溢出检测等电路组成。5G14433采用字位动态扫描BCD码输出方式,既千、百、十、个位BCD码轮流地在03QQ端输出，同时14DSDS端出现同步字位选通信号。山东电力高等专科学校毕业论文10主要外接器件是时钟振荡器外接电阻CR、外接失调补偿电容和外接积分阻容元件1R、1C。5G14433芯片的引脚分布如图33所示。各引脚功能如下AGV（引脚1）被测电压XV和基准电压RV的接地端（模拟地）。RV（引脚2）外接输入基准电压（2V或200MV）。XV（引脚3）被测电压输入端。图335G1443芯片引脚分布1R、11/RC、1C（引脚4、5、6）外接积分电阻器和积分电容1C元件端，外接元件典型值（A）当量程为2V时，C101F,R1470K；（B）当量程200MV时，C101F,R127K。01C、02C引脚7、8外接失调补偿电容C0端，C0的典型值为01F。DU（引脚9）更新输出的A/D转换数据结果的输入端。当DU与EOC连接时，每次A/D转换结果都被更新。CLKI和CLKO（引脚10、11）时钟振荡器外接电阻RC端，RC的典型值为47OK，频率随着RC增加而下降。DDV正电源端，接5V。EEV（引脚12）模拟部分的负电源端，接5V。SSV（引脚13）除CLKO端外所有输出端的低电平基准（数字地）。当SSV接AGV（模拟地、数字地相连）时,输出电压度为AGDDVV（05V）当SSV接EEV（5V）时，输出电压幅度为EEVDDV（55V），10V的幅值。实际应用时一般是SSV接AGV，即模拟地与数字地相山东电力高等专科学校毕业论文11连。EOC（引脚14）转换周期结束标志输出。每当一个A/D转换周期结束，EOC端输出一宽度为时钟周期二分之一宽度的正脉冲。OR引脚15过量程标志输出，平时为高电平，当|XV|RV时，（被测电平输入绝对值大于基准电压）,OR端输出低电平。14DSDS（引脚1916）多路选通脉冲输出端。1DS对应千位，4DS对应个位。每个选通脉冲宽度为18个时钟周器，两个相临脉冲之间间隔2个时钟周期，其脉冲时序图如图24所示。30QQ（引脚2023）BCD码数据输出线。其中0Q为最低位，3Q为最高位。当2DS、3DS和4DS选通期间，输出三位完整的BCD码，即09十个数字任意一个都可。但在1DS选通期间，数据输出线30QQ除了表示千位的或0或1外，还表示了正负极性和欠量程还是过量程，其含义见表21。图345G1433选通脉冲图由表31可知（1）3Q表示千位（1/2位）数的内容,3Q“0”（低电平）时，千位为1；3Q“1”（高电平）时，千位数为0。（2）2Q表示被测电压的极性，2Q“1”表示正极性性，2Q“0”表示负极性。（3）0Q“1”表示被测电压在量程外（超量程），可用于仪表量程自山东电力高等专科学校毕业论文12动切换，当3Q“0”时，表示过量程；当3Q“1”时，表示欠量程，过量程时，|XV|RV且A/D转换输出读数为1999，欠量程时输出读数为179。表31DS1选通时，Q3Q0表示的输出结果3225GL4433的外部电路连接与元件参数设计尽管5G14433需外接的元件很少，但为使其工作于最佳状态，也必须注意外部电路的连接和元器件的选择。5G14433的转换误差为1LSB，输入阻抗大于100M，模拟输入电压范围为01999V或01999MV；片内提供时钟发生器，使用时只需外接一个电阻；也可采用外部输入时钟或外接晶体振荡电路，片内的输出锁存器用来存放A/D转换结果，经多路开关输出多路选通脉冲信号21DSDS及BCD码数据03QQ。典型的5G14433外部电路连接方法如图25所示。山东电力高等专科学校毕业论文13图355G14433外部电路连接图3221电源接法芯片工作电源为5V正电源接VDD，模拟部分负电源VEE，模拟地VAG与数字地VSS相连为公共接地端。为了提高电源的抗干扰能力，正、负电源分别通过去耦电容0047F、002F与VSS（VAG）端相连。3222基准电压输入的连接基准电压须外接，可由5G14433通过分压提供2V或20OMV的基准电压，接法如下图26（A）所示。在一些精度要求不高的小型智能化仪表中，于5V电源是经过三端稳压器稳压的，工作环境又比较好，这样就可以通过电位器对5V直接分压得到。如图26（B）所示。（A）（B）图365G14433基准电源的外部连接高精度能隙基准电源5G1403，对它输入5V电压，它可以输出精密25V电压。输出的25V电压作为5G14433的基准电压。引脚图如图27所示。山东电力高等专科学校毕业论文14引脚功能说明INV（引脚1）是5V电压输入端OUTV（引脚2）是25V电压输出端NDG（引脚3）接地图375G1403的内部结构3223外接元件参数的选定。积分电阻1R和积分电容1C的选取公式如下11MASXVTRCV式中MASXV输入电压量程；V积分器电容上的充电电压幅值，其值为05MASDDXVVVVT常数，T4000/CLKF例如，当1C01F，DDV5V，CLKF66KHZ时，若MAXXV2V,R1480K（取470K）；若MAXXV200MV,R128K（取27K）。外接补偿失调电容固定为01F,外接钟频电阻CR，当CR470K时，CLKF66KHZ；当CR200K时，CLKF140KHZ，一般取CR470K。3224DU端和ECO端短