三位半数字电压表 王永申

1、河北建筑工程学院 电子技术课程设计报告 设计题目： 三位半数字电压表电路的设计 院（系）:_河北建筑工程学院电气系 _ 专业班级: _电控102_ 学生姓名: 王永申 _ 学 号: 2010308216 _ 指导老师： 赵艳秋、杜春晖 _ 设计地点（单位）:河北建筑工程学院电气实验室 设计时间: 2012年6月4日-2012年6月17日 目录 一、题目及设计目的 . 2 二、设计要求 . 2 三、方案设计与论证 . 2 （1）主控芯片 . 2 （2）显示部分 . 2 四、设计原理及电路图 . 3 1）数字电压表原理框图 . 3 （量程转换模块 . 3 基准电压模块 . 3 A/D电路模块 .

2、3 字形译码驱动电路模块 . 4 显示电路模块 . 4 （2）实验芯片简介 . 5 三位半AD转换器MC14433 . 5 七段锁存-译码-驱动器CD4511 . 8 七路达林顿驱动器阵列MC1413 . 9 高精度低漂移能隙基准电源MC1403 . 9 五、元器件清单 . 11 六、参数计算 . 11 七、结论与心得 . 11 八、参考文献 . 12 数字电压表电路设计报告 一、 题目及设计目的 1、题目：3 1/2位数字电压表 2、设计目的：通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法，同时复习、巩固以往的模电、数电、 电路内容。二、 设

3、计要求 1、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字电压表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能图，描述其功能。 2、对将要实验方案，须采用中、小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工作原理，计算出参数。 3、技术指标： 测量直流电压 1999-1V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V； 测量交流电压 1999-199V。 三、方案设计与论证 1、主控芯片 方案1：选用A/D转换芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403实现电压的测量，用四位数码管显示出最后的转换电压结

4、果。缺点是工作速度低，优点是精度较高，工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。 方案2：选用专用电压转化芯片INC7107实现电压的测量和控制。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管。用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。优点是价格低廉。 方案3：选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0809实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是价格稍贵；优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。 基于课程设计的要求，我们优先选用了：方案1 2、显示部分 方案1：选用4个单体的共阴数码管。优点

5、是价格比较便宜；缺点是焊接时比较麻烦，容易出错。 方案2：选用点阵显示器。优点是能显示文字和数字；缺点是其内部结构较为复杂，不易连接。 方案3：选用液晶显示器。优点是能显示大量的文字、数字和图形，而且清 晰化程度高；缺点是成本高。 基于课程设计的要求，我们优先选用了：方案1 四、 设计原理及电路图 （1）数字电压表原理框图如下： 方案1的原理框图如图a所示； 方案2的原理框图如图b所示； 方案3的原理框图如图c所示。 显示电路 形字 基准电压码译23 1/动驱 量程选择A/D位 电路 电路字位驱 积分 RC元件动电路 图a 显直片芯转化电压 示流 INC7107 电稳 路压 图b 显示模块 直

6、 AT89S52 流 A/D主控系统 转换模块 稳 压 量程选择模块 c 图分别数字电压表由五个模块构成由数字电压表原理框图可知鉴于选用方案一，,字,A/D, 3 1/2是基准电压模块位电路模块字形译码驱动电路模块,显示电路模块. 位驱动电路模块: 各个模块设计如下 量程转换模块 Output 4图 90K，可设计四个分压电阻大小分别为900K采用多量程选择的分压电阻网络，。用无触点模拟开关实现量程的切换1K，9K和 。 基准电压模块 5图转换器作参考电压提供精密电压，供A/D 这个模块由MC1403和电位器构成, . A/D电路模块3 1/2位 6图 直流数字电压表的核心器件是一个间接型A

7、/ D转换器，这个模块由MC14433和积分元件构成,将输入的模拟信号转换成数字信号。 字形译码驱动电路模块 图7 这个模块由MC4511构成 ,将二十进制(BCD)码转换成七段信号。 显示电路模块 图8 这个模块由LG5641AH构成,将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D 转 换结果。 MC1443引脚图 引脚功能介绍如下： VAG(1脚) ：模拟地。 VREF(2脚)：基准电压输入端。 VX（3脚)：被测电压输入端。 R1、R1/C1和C1（46脚）：外接积分阻容元件，4脚和6脚为输入线，5脚为积分波形输出端。若时钟为66 kHz，R1为470 k(2 V)或27 k(200 m

8、V)时，一次转换的时间约为250 ms。 C01和C02（7和8脚）：外接失调补偿电容。通常取0.1F。 DU(9脚)：定时输出控制端。若输入一个正脉冲，则使转换结果送至结果寄存器。 EOC(14脚)：一次转换结束标志输出。每一次A/D转换结束时便输出一个正脉冲，其宽度为时钟周期的1/2。若把9脚和14脚相连接，则每次转换结束都送到输出锁存器。在实际电路中常把它们相连。 CLKI和CLKO(10和11脚)：时钟信号输入、输出端。通常外接一个300 K左右的电阻。 OR(15脚)：过量程标志。当VVR时，输出低电平。 DS4DS1(1619脚)：个、十、百、千位选通特征位输出信号，宽度为18个时

9、钟周期。当DS11时，输出为千位数；DS2时，输出为百位数。 Q3Q0(脚)：经转换后的BCD码结果输出端。 VEE(12脚)：负电源，为电路最低电平端。 VSS（13脚）：输出低电平基准，为数字地或称系统地。 VDD（24脚)：正电源。若VSSVAG，则输出幅度为VAG VDD ；若VSS VEE，则输出幅度为VEE VDD 。 （2）实验芯片简介： 数字显示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（如图1 所示）可采用MC14433三位半A/D 转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发

10、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。 各部分的功能如下： 三位半A/D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A/D 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A

11、/D转换结果。 工作过程如下： 三位半数字电压表通过位选信号DSDS进行动态扫描显示，由于MC14433电路41的A/D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。DSDS输出多路41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QQ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30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DS，DS和DS。其中DS对应最高位(MSD)，DS41324则对

12、应最低位(LSD)。在对应DS，DS和DS选通期间，QQ输出BCD全位数据，即33420以8421码方式输出对应的数字09在DS1选通期间，QQ输出千位的半位数030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QQ的输出内容如下： 30Q表示千位数，Q=0代表千位数的数宇显示为1，Q=1代表千位数的数字显示为3330。 Q表示被测电压的极性，Q的电平为1，表示极性为正，即U0；Q的电平为0，22X2表示极性为负，即UU则OR当OR = 0 时，|U|1999，则溢出。RXX- 输出为高电平，表示被测量在量程内。 。平时OR当OR = 1时，表示|U|V 时，OR输出低电平，正

13、常量程ORREF为高电平。 (16)(19) 端：对应为DSDS，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位14和千位输出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q。Q 输出的BCD 代码是该对应3位上的数据。 (20)（23）端：对应为Q-Q，分别是A/D 转换结果数据输出BCD代码的最低位(LSB)、30次低位、次高位和最高位输出端。 (24) 端：V，整个电路的正电源端。 DD2七段锁存-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

14、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

15、；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V的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。 DD CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见图2。 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阻。CD451l使

16、用3七路达林顿驱动器阵列MC1413 MC1413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。 4高精度低漂移能隙基准电源MC1403 MC1403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+1

17、5V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4所示。 数字电压表结构图1 图 五、元器件清单 （1）MC14433 1片 （2）CD4511 1片 （3）MC1413 1片 （4）MC1403 1片 （5）CC4501 1片 （6）74LS194 1片 （7）LM324 1片 （8）七段显示器 4片 （9）电阻、电容、导线等 六、参数计算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，C一

18、般取 0.1IF。 R的选取与量程有关。 I量程为 2V 时，取 R为 470k； I量程为 200mV 时，取 R为 27 k。 I选取 R和 C的计算公式如下： IIR=U*T/(C*U ) CIIX(MAX)式中，U为积分电容上充电电压幅度, CU=V-U-U, U=0.5V; X(MAX)DDCf T=4000/clk例如，假定 C=0.1F，V=5V，f=66kHz。当 U(max)=2V 时，代入上式可得 XIDDCLKR=480k，取 R=470k。MC14433 设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。 IIMC14433A/D 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。 七、结论与心得 通过本次课程设计，