三位半数字万用表设计

1、河北建筑工程学院课程设计报告 课程名称： 电子技术综合课程设计 题目名称: 3位半数字万用表设计 学 院： 电气工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子 132 学 号： 2013315202 学生姓名： 李天明 指导教师： 魏建新 职 称： 高级实验师 成 绩: 2015年7 月 12日一、摘要万用表结构简单、便于携带、使用方便、用途多样、量程范围广。它是维修电子设备和调试电路的重要工具，是电子工程技术人员最常用的一种测量仪表。设计目的是培养独立思考和创新意识，以及动手调试组装能力和分析解决问题的能力。通过对mc14433的设计，检验对基础知识的掌握程度。二、关键字1、三位半AD转换

2、器MC14433 在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式A、D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。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)就能执行三位半的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l00M僖陨希唬?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

3、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。图 1 MC14433原理框图除“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)，并锁存于三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实现三位半数码的扫描方式（多路调制方式）输出。MC14433内部的控

4、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位计数器开始计数，完成AD 转换。MC14433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偈保竦雌德饰?100kHz；当外接电阻为470k偈保竦雌德试蛭?66kHz，当外接电阻为750k偈保竦雌德饰?50kHz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信

5、号从CPI(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，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）。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=

6、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应根据实际条件而定。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。C14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考右图的引脚标注

7、，各主要引脚功能说明如下：模拟地 .VAG 1基准电压 VREF 2输入 V13R1 4R1/C1 5C1 6C01 7C02 8DU 9 CLK1 10CLK2 11VEE 12MC1443324 VDD 正电源23 Q322 Q2 21 Q120 Q019 千位选通18 百为选通17十位选通16个位选通15 OR超量程14 EOC A/D转换结束标志13 VSS 地U+积分元件自动调零电容实时输出控制端时钟脉冲输入端时钟脉冲输出端负电源BCD码输出图 2 MC14433引脚(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

8、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

9、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

10、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-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2、七段锁存-译码-驱动器CD4511图 Error! Main Document Only. CD4511CD4511 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，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LAT

11、CHENABLE）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；当LT = 1时，译码器输出状态由BI端控制。 BI (BLANKING)消隐端。当BI =

12、 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VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配见右图，真值表参见下图。使用CD451l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。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

13、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。图 4 MC14034高精度低漂移能隙基准电源MC1403MC1403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2.475V2.525V

14、 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。三、设计要求1、主要内容（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个实现数字万用表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能框图，描述其功能。（2）、其中对将要实验方案3位半位数字万用表方案 ，须采用中、小规模集成电路、MC 14433A/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，设计出电原理图。2、技术指标（1）测量直流电压200mv；2V；20V；200V;1000V； 测量交流电压2V；20V；200V;750V（2）测量直流电流2MA；20MA；200MA；20

15、A； 测量交流电流2MA；20MA；200MA；20A；（3） 电阻：200 、2K、20K、200K、2M、20M（4） 电容；200nF、20nF、2nF 20F、2F （5） 三位半数字显示。第1章系统概述1.1、设计方案：方案一：基于mc14433的数字万用表Mc14433是三位半A/D转换器。因此系统可以分为五部分：基准电压、A/D转换器(mc14433)、七段数码管（显示器）、驱动器(mc1413)、译码器(cd4511/mc4511)。外界信号经过外围电路进入系统，经过A/D转换器，mc14433把信号以8421码的形式输出给译码器,译码器译码后通过七段数码管显示。驱动器驱动七段

16、数码管工作。基准电压为A/D转换器提供基准电压。原理框图如下图 1.1原理框图方案二、基于80C51单片机的数字万用表该方案是利用80C51单片机来实现数字万用表的功能。单片机内部有自己的时钟信号，外部的信号经过相应的外部电路通过过A/D转换器进入单片机，利用程序写入单片机，单片机驱动数码管显示出信号数值。原理框图如下信号的输入A/D转换器mc14433基准电压译码器Cd4511驱动器Mc1413七段数码管图1.2 原理框图1.2、方案比较方案一：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果。缺点是工作速度低，优

17、点是精度较高，工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。器件价格合适，采购方便，成本低，易实施。方案二：选用单片机80c51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。综合比较两个方案，方案一结构简单，易实施，价格合适且工作精度高，比较稳定，抗干扰能力强；方案二价格稍贵且不易操作。综合比较我们选择了方案一。第2章单元电路的设计与分析1、 交流/直流电压测量首先，测交流电压时需要经过“桥式”整流电路，将交流电压转换为直流电压量，其余与直流电压值测量无差别。“桥式”整流电路如下图所示：

18、该电路为单向桥式整流电路，适用于大电压的整流。电路TR为电流变压器，它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的电压V2=Sinwt，四支整流二极管 D1D4接成电桥的形式。 如图中四个电阻串联分压设计，总电阻值为10M，当开关S1闭合时，为最小量程2V；当开关S2闭合时，衰减10倍，其量程为20V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V。 图 2.2图 2.1 通过电阻对不通电压进行不同的分压，从而得到固定范围内的相对较小的电压输入至MC14433进行模数转换，输出至数字显示器上。 2、交流/直流电流测量图 2.3 交流/直流电流

19、测量电路 3、电阻测量电路图 2.4电阻测量电路 4、电容测量电路图 2.5 电容测量电路 5、AC/DC转换电路图 2.6 AC/DC转换电路第三章 电路的安装与调试介绍电路需要在实验台上进行安装。将各个元件插到实验台的插孔上。根据实验电路的电路图进行实物的连接。安装完成之后，按照预定的试验指标进行调试。（一）电路的理想指标或功能的测试方法电路的理想指标即电路完成后，显示屏上可以按照时钟信号显示出0-2V的电压，并且电路工作稳定。（二）实验中的问题及解决办法问题一：数字显示器连接完成后不亮？解决方法：经检查发现元件管脚接口接错，还有些接口接触不良。重新检查电路图，正确接线后，问题解决。问题二：连接电路完成后结果显示不正常