《数字电压表》ppt课件

1、电子技术课程设计 电子教研室 2021.11- 3又1/2位数字电压表主要内容 1.1 概述 1.2 电子电路设计的普通方法与步骤 1.3 3又1/2位数字电压表 义务与要求 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，对学生进展综合性训练，培育学生运用课程中所学到的实际与实际严密结合的才干，独立处理实践问题的才干。 要求： 1、综合运用电子技术课程中所学到的实际知识去独立完成一个设计课题。 2、经过查阅手册和文献资料，培育学生独立分析和处理问题的才干。 3、学会电子电路的EDA设计技艺。 4、学会电子电路的焊接与调试技艺

2、。 5、进一步熟习电子仪器的正确运用方法。 6、学会撰写课程设计总结报告。 7、培育严肃仔细的任务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： 根据所选课题的义务、要求和条件进展总体方案的设计，经过论证与选择，确定总体方案。 以后对方案中单元电路进展选择和设计计算，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： 运用EDA软件画电路原理图、PCB图。 预设计经审查经过后，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。 以后是运用测试仪表进展电路调试，排除电路缺点，调整元

3、器件，修正电路，使之到达设计目的要求。 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阐明书。阐明书的主要内容有： 1、课题称号。 2、设计义务和要求。 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，以及他们的阐明；单元电路设计与计算阐明；元器件选择和电路参数计算的阐明等。 5、电路的调试。对调试中出现的问题进展分析，并阐明处理的措施；测试、记录、整理与结果分析。 6、收获领会、存在问题和进一步的改良意见等。1.2 电子电路设计的普通方法与步骤电子电路设计的普通方法与步骤 电子电路的普通设计方法与

4、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：针对所设计的义务、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假设干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能和总体任务原理的框图。 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陷，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，选出最正确方案。二、设计单元电路 设计单元电路前必需明确对各单元电路的要求，详细拟订出单元电路的性能目的，留意到各单元电路间的配合

5、问题，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并思索到能使各单元电路采用一致的供电电源，以免呵斥总体电路复杂、可靠性、经济性均差等缺陷。 详细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根底上适当改良或进展发明性设计。 三、计算参数 在电路设计过程中，必需对某些参数进展计算后方可挑选器件，只需深化地了解电路的任务原理，正确地运用计算公式和计算图表，才干获得称心的计算结果。在设计计算时，常会出现实际上满足要求的参数值不是独一的，设计者应根据价钱、体积和货源等详细情况进展选择，计算参数时应留意以下问题： 1各元器件的任务电流、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

6、必需留有足够裕量，普通应大于额定值的1.5倍。 3对于环境温度、交流电网电压等任务条件应按最不利的情况思索。 4电阻、电容的参数应选计算值附近的标称值。 5在保证电路到达功能目的要求的前提下，应尽量减少元器件的种类、价钱、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本钱，提高可靠性，且使设计简化，安装、调试及维修大大方便。因此普通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，普通尽能够选用双列直插式，由于这种封装方式易于安装和改换。二其它元器件选择的普通原那么 1电阻器

7、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展思索： 1掌握所设计电路对电阻器的特殊要求，即对高频特性、过载才干、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，由于此类电阻器价钱低、货源足。 3所选电阻器的额定功率必需大于实践接受功率的两倍。2电容器的选择 选择电容器除容量和耐压等主要参数外，还应思索以下方面： 1合理确定对电容器精度的要求。 2留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

8、设计和元器件选择的根底上绘制的，它是组装、调试、印刷电路板设计的根据。因此总体电路图具有重要作用。绘制时应留意以下几点：1留意信号的流向：普通从输入端画起，由左至右或由上至下按信号流向依次绘出各单元电路，使全图易于阅读和了解。2留意总体电路图的紧凑和协调，做到规划合理，陈列均匀，图面明晰。3、尽量将总体电路图绘在一张图纸上。假设电路较复杂，一张图纸内无法包容，那么应将主电路图画在同一张图纸上，而将其他部分按设计单元电路画在另一张图纸上或数张图纸上，并在各图纸一切断口两端做上标志，以此阐明各图纸间电路连线的来龙去脉。4图中元器件的符号应规范化。5衔接线普通画成程度线或垂直线，并尽能够减少交叉和拐

9、弯。 相互连通的交叉线，应在交叉处用圆点标出。 六、运用protel 99 SE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： 规那么设置、 网表输入、 元器件规划、 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，它是对实际设计进展检验、修正和完善的过程，任何一个产品往往都是在安装、调试并反复修正多次方能最终完成。 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留意以下几方面： 1一切元器件在组装前应尽能够测试一遍，以保证所用的元器件均合格。 2一切集成电路的组装方向要

10、坚持一致，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察看的方向，以便于查找和改换。对于有极性的元件，例：电解电容、二极管等，组装时一定要特别留意，不要搞错。 正确的组装方法和合理的规划，不仅可使电路整齐美观、任务可靠，而且便于检查、调试和排除缺点。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任务形状进展丈量，调整那么是在测试的根底上对电路的某些参数进展修正，使满足设计要求。 在调试前应拟订出测试工程、测试步骤、调测方法和所用的仪器等，做到心中有数，保证调试任务圆满完成。 1调试方法 原那么上有两种： A、边安装边调试的方法。它是把复杂的电路按原理

11、框图上的功能分成单元进展安装和调试，在单元调试的根底上逐渐扩展安装和调试的范围，最后完成整机调试。这种方法普通适用于新设计的电路。 B、在整个电路全部焊接安装终了后，实行一次性调试。这种方法普通适用于定型产品和需求相互配合才干运转的产品。2、调试步骤 A：通电前检查 电路安装终了后，不要急于通电，首先要根据原理电路仔细检查电路接线能否正确，并且还要检查每个元件引脚的运用端数能否与图纸相符。查线时用数字万用表档的峰鸣器来丈量，且尽能够直接丈量元器件引脚，这样同时可以发现接触不良的地方。 B：通电察看 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丈量，首先要充分调动眼、耳、鼻、手察看整

12、个电路有无异常景象，包括有无冒烟，能否有异味，能否有异声，手摸器件能否发烫，电源能否有短路或开路景象等。假设出现异常，应该立刻关掉电源，待缺点排除后方可重新通电。然后再按要求丈量各元器件引脚电源的电压，而不只是丈量各路总电源电压，以保证元器件正常任务。 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展，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，因此还要进展整机调试。整机调试主要是察看和丈量动态性能，把丈量的结果与设计目的逐一对比，找出问题及处理方法，

13、然后对电路极其参数进展修正，直到全机的性能完全符合设计要求为止。3缺点诊断方法 整机出现缺点后，首先应仔细察看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：用万用表丈量元器件引脚电压、丈量电阻值、电容漏电以及电路能否有断路或短路情况等。 当静态查找仍不能发现缺点缘由时，可采用动态查找法。即经过相应的仪器、仪表在电路加上适当信号的情况下丈量电路的性能目的、元器件的任务形状。由获得的读数和察看到的波形等可准确、迅速地查找到缺点发生的部位及产生的缘由。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

14、丈量 仪表。电压丈量是电子丈量中的一个重要内容，而数字电压表具有丈量精度高、丈量速度快、灵敏度高、操作简便、数字显示明晰、直观易读等优点，所以广泛运用于电子丈量中。此题要求设计制造一个3又1/2位的数字电压表。所谓3又1/2位是能丈量显示出十进制数00001999，即个位、十位、百位的范围为09，而千位为0和1两种形状，称为半位。 一、设计义务书 二 、总体方案 三、设计单元电路3又1/2位数字电压表：一、一、 设计义务书设计义务书(一一). 标题标题 : 3又又1/2位数字电压表位数字电压表(二二).设计义务设计义务设计具有自动量程转换功能的设计具有自动量程转换功能的3又又1/2位数字电压表

15、。位数字电压表。图1 数字电压表原理框图(2).设计要求设计要求 设计量程变换设计量程变换(转换转换)电路电路 设计设计A/D转换电路。转换电路。4次次/s，fc=66kHz 设计显示电路设计显示电路(包括包括LED驱动、译码驱动、译码) 设计小数点处置电路设计小数点处置电路 组装数字电压表组装数字电压表(三三)、设计要求、设计要求根本要求根本要求 :(1).设计目的设计目的丈量范围：丈量范围：019.99V，20199.9V。用三位半表头或用三位半表头或4位七段数码管显示丈量结果。位七段数码管显示丈量结果。二 . 总体方案 一设计思绪 1、首先设计一个量程转换电路，将不同丈量范围内的电压信号

16、转换成A/D转换电路所需的规范电压范围内。 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、小数点自动转换处置电路。二 、原理框图 (1). 量程转换电路：把被丈量的直流电压量程范围由02V，扩展成 0 20V200V (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). 显示处置：完成A/D转换过程的处置，即显示LED小数点移位处置，量程自动切换等。 (5).L

17、ED显示器：显示丈量值(电压值)具有自动量程转换功能的具有自动量程转换功能的3 3又又1/21/2位数字电压表原理图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转换器主要有以下类型：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，有着广泛的运用，转换速度约1-10次/秒。CH7106ICL7106/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

18、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。思索实践运用情况，选择芯片14433 3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消费的双积分型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) 具有转换终了和过量程标志(/OR)。经过(/OR)实现量程自动转换。 (5) 具有转换更新控制。经过输出控制端DU与转换终了端EOC衔接使A/D转换结果更新，处于延续丈量。 (6) 具有读

19、数坚持功能。 (7) 电压量程范围分两档0200mV、02V。 (8) 功耗低、抗干扰才干强(双积分型)。 (9) 转换速度 310次/s。2) MC14433电路构造电路构造 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码轮番地在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

20、准电压输入端可由5G1403经过分压提供+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：转换周期终了标志每当转换周期终了，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24V

21、DD：正电源端，芯片任务电压为+5V、-5V当DUEOC相接时，每次A/D转换结果的输出都被更新，处于延续自动转换形状。转换结果输出：转换结果以BCD码的方式分时按千、百、十、个位由Q3Q02023端送出，相应的选通讯号由DS1DS31916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分别输出三个完好的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。 DS1Q3Q2Q1Q0输出结果形状11XX0千位数为010XX0

22、千位数为11X1X0输出结果为正值1X0X0输出结果为负值10XX1输入信号过量程11XX1输入信号欠量程4、时钟频率、时钟频率fc、时钟电阻、时钟电阻RcMC14433是位双积分是位双积分A/D转换器，构造原理见图所示：转换器，构造原理见图所示： MC14433时钟振荡器由内部反相器、时钟电容、及外部时钟电阻时钟振荡器由内部反相器、时钟电容、及外部时钟电阻Rc部部反相器、时钟电容、及外部时钟电阻反相器、时钟电容、及外部时钟电阻Rc组成。组成。时钟频率时钟频率fc与时钟电阻与时钟电阻Rc关系如下图。关系如下图。MC14433时钟普通可取时钟普通可取50KHz、66KHz、100KHz。根据。根

23、据fc-Rc特征曲线特征曲线可分别取可分别取Rc为为750k、470k、360k。本次设计本次设计fc=66KHz，那么，那么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，思索最坏任务情况时,不允

24、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、式那么 R i= 480k.6)：精细低压基准电源：精细低压基准电源5G1403芯片芯片 5G1403它能提供2.5V高稳定度输出电压，作为精细电压源运用。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)其管脚见以下图所示。7)：ICL7660提供应5G14433的VEE端-5V电源ICL7660

25、变换器主要运用在直流供电系统，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运用器件数)。(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 量程转换电路主要义务是把被丈量直流电压转换成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消费的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)

26、 便于实现量程自动转换。电压量程分为两档；200mV、2V。由于设计目的为020V200V。因此对于延续丈量020V200V的直流电压必需进展信号衰减。中选用量程为2V时；那么对被测输入信号经过电阻分压，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： 丈量范围为020V时断开， 使Vi衰减10倍进入5G14433输入端。 丈量范围为20V200V时K1闭合， 使Vi衰减100倍进入5G14433输入端。各电阻值计算： 1 丈量范围为020V时，K1断开，电路原理见图2-8： R1=9(R3+R4) 选 R1=10M , R3=1M

27、 , R4=120k 2 丈量范围为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=20kCD4052：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，到达正确的显示。为此利用MC14433芯片具有超量程信号，经过D触发器和与非门等配合完成这一功能。电路任务原理：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G

28、2=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MC14433 Vx端。(1)量程020V在量程020V范围内， (/OR)=1、F2 D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)量程量程Vin20V当输入电压信号Vin20V时，/OR=0使G2、G3、RS触发器形状发生翻转(/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

29、；同时，G2输出使K开封锁合，使R1与R2并联。经过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)消隐电路消隐电路 由于量程由于量程Vin20V，瞬间，瞬间/OR=0会呵斥错误会呵斥错误显示结果显示结果(初次转换初次转换)。为了让显示结果全部。为了让显示结果全部消隐，在电路中设置消隐，在电路中设置F2 D触发器。当触发器。当/OR=0时，时，F2的的R=0，初次转换结果，初次转换结果Eoc使使/Q=0，即即CD4511的的/BI=0，到达全部消隐。第二次，到达全部消隐。第二次转换由于量程已扩展转换由于量程已扩展(Vx2V)，数据不在溢，

30、数据不在溢出，故出，故/OR=1，F2的的/Q=1，CD4511的的/BI=1，显示又恢复正常。显示又恢复正常。双D触发器4013：管脚图、功能表:(4)欠量程欠量程 在量程为200.0V时，假设Vin20.00V，那么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

31、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码的方式从Q0Q3输出，分别与CC4511的数据输入端AD相衔接，当DS=1时，对应的显示器便显示出09的十进制数字。 假设输入电压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，只需负号和小数点仍亮。 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，显示器的数字全部灭。LE：锁存控制输入端。输 入输 出LE/BI/LTDCBAabcdefg显 示XX0XXXX111

32、11118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐111XXXX锁存锁存4511真值表显示元件 采用四个共阴极数码管实现。 参数1最大任务电流全亮- -400mA2