数字电压表课程设计

1、电子技术综合课程设计第1章设计目的课程设计主要目的：是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。通过设计也有助于复习、巩固以往的学习模电、数电内容，达到灵活应用的目的。在设计完成以后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强学生的动手能力。在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计任务同时应注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面：独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法；工程绘图能力；写技

2、术报告和编制技术资料的能力。培养同学之间合作与交流的能力；电路检测与故障排查能力；第2章设计要求及技术指标具体要求：1、利用所学知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计三个实现数字万用表的方案；只要求写出实现原理，画出原理功能框图，描述其功能。说明：采用原理、方案不限，也可以自行设计。2、其中对将要实验方案3 1/2数字电压表，需采用中、小规模集成电路、mc14433 a/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。技术指标：1、测量直流电压1999-1v；199.9-0.1v；19.99-0.01v；1.999-0.001v；2、测量交流电压1999-199v；3、三位半显

3、示；4、比较设计方案与总体设计；5、根据设计过程写出详细的课程设计报告；第3章设计方案及原理3.1方案一基于mc14433的数字电压表方案一框图如下：方案一基于mc14433的数字电压表此方案是对电压量进行测试并显示的数字电路。对于交流可以采用桥式整流，通过电阻分压，再用放大器放大，把平均值转换为有效值，最后输送给双积分型a/d转换器mc14433 vx测试输入端。再通过cd4511七段锁存/译码器送到led显示，完成电压的测试。mc14433基准电压vref可由恒压源提供,芯片本身有两个量程2v、200ma此时对应电阻为470k、27 k。3.2方案二cc7107数字电压表方案二原理框图如下

4、：方案二cc7107数字电压表该方案把直流电压和交流电压转换电路直接同芯片cc7107连接组成，cc7107是cmos 3 1/2位单片双积分式a/d转换器，它有极大的优点，它将模拟部分的如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字部分如振荡器、计数器、锁存器、译码器、驱动器、和控制器、逻辑电路全部集成在一个芯片上。使用时只需接少量的电阻、电容和显示器件，就可以完成模拟量到数字量的转换。3.3方案三msc7106 tst106方案三原理框图如下：方案三msc7106 tst106采用msc7106型单片3 1/2位ac/dc转换器，配字高12、5mm（折合0.5英寸）led

5、显示器；通过tst106双积分a/d转换器驱动3位半lcd显示器做动态扫描显示。第4章方案比较及可行性分析方案一主要采用mc14433、cd4511作为显示部分，而且外围器件比较简单，只需电阻和电容即可。另外mc14433的抗干扰能力较强，需只在输入端增加一级rc高频滤波器，由r1、r2、c构成t型滤波器，有两个作用：消除外界噪声干扰，提高仪表的信噪比；通过r1、r2起到限流作用，防止因输入信号电流过大而损坏芯片。mc14433本身功耗就很低，而且采用动态扫描每一刻只有一个数码管在亮这又省四分之一的电。采用本电路接线简单原理易明白，只需按原理把硬件电路接好就可以实现数字万用表的功能，无需软件上

6、的编程，技术上易懂，即使是非专业人员也可以进行安装、调试、检修，而且器件价格合适，采购方便，为专业制作万用表的芯片。成本低，推广起来易实施。方案二主要采用cc7107，本芯片简单易实施，而且集a/d转换器、译码器、锁存器于一身，只需把个接线接到对应的接口就可以实现数字的显示，不过它采用全程扫描不是很省电。并且本芯片可以组成数字称、狮子温度计、数字压力计、数字式水平仪等具有体积小、重量轻等数字仪表上。另外cc7107配有专门的小数点驱动信号，也可以显示负号、工作电压过低等信号。采用本方案接线简单，但所需接线3数量较多，因为它是对数码管的每一根脚进行控制，不过本芯片价格稍贵点，但只需一个芯片。方案

7、三电路整体简单，能达到设计测量电压的目的，但与方案一和方案二相比所用器件较贵，性价比降低且电路稳定性差。mc14433与cc7107的区别比较见下表：项目mc14433cc7107转换速率310次/s0.115次/s输入阻抗1000m10000m基准电压2000v（200mv量程）1000v（100mv量程）2000v（2v量程）1000v（1v量程）封装形式dip-24dip-40电源电压双电源供电，电源电压范围是+4.5v+8v。一般取典型值+5v单电源供电，电源电压范围是715v，典型值为9v显示器共阴极led显示器lcd显示器显示方式动态扫描方式，驱动线少静态显示，驱动线多显示特点亮度

8、高，亮暗对比度大，显示清晰，色彩绚丽，寿命长，功耗高亮度低，亮暗对比度小，寿命短，微功耗输出功能具有bcd码输出，可配计算机进行数据处理，自动控制自动打印结果无bcd码输出，不能配计算机或打印机外围电路需配基准电源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂外围电路简单，只需5个电阻和5个电容经过方案比较之后，我们决定采用方案一。第5章测试部分电路设计 （1）数字电压表原理框图如下 由数字电压表原理框图可知,数字电压表由六个模块构成,分别是整流电路模块，基准电压模块, 3 1/2位a/d电路模块,字形译码驱动电路模块,显示电路模块,字位驱动电路模块.现简介各个结构如下：5.1 电压衰减电路 如左图中四

9、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。 量程转换电路图 5.2 单相桥式整流滤波电路电路图如下图： 单相桥式整流滤波电路 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。5.3 基准电压模块 这个模块由mc1403和电位器构成, 提供精密电压，供a/d 转换器作参考电压。5.4 3 1/2位a/

10、d电路模块直流数字电压表的核心器件是一个间接型a / 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。 5.5 字形译码驱动电路模块 5.6 显示电路模块 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。 （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

11、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/d转换结果。工作过程如下：  三位半数字电

12、压表通过位选信号ds1ds4进行动态扫描显示，由于mc14433电路的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。ds1ds4输出多路调制选通脉冲信号。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q0q3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ds2，ds3和ds4。其中ds1对应最高位(msd)，ds4则对应最低位(lsd)。在对应ds2，ds3和d

13、s4选通期间，q0q3输出bcd全位数据，即以8421码方式输出对应的数字09在ds1选通期间，q0q3输出千位的半位数0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q0q3的输出内容如下：q3表示千位数，q3=0代表千位数的数字显示为1，q3=1代表千位数的数字显示为0。q2表示被测电压的极性，q2的电平为1，表示极性为正，即ux>0；q2的电平为0，表示极性为负，即ux<0。显示数的负号(负电压)由mc1413中的一只晶体管控制，符号位的“-阴极与千位数阴极接在一起，当输入信号ux为负电压时，q2端输出置“0”， q2 负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻r

14、m 使显示器的“-”(即g 段)点亮；当输入信号ux为正电压时，q2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻rm接地，使“-”旁路而熄灭。小数点显示是由正电源通过限流电阻rdp供电点亮小数点。若量程不同则选通对应的小数点。过量程是当输入电压ux超过量程范围时，输出过量程标志信号。当q3=0,q0=1时，表示ux处于过量程状态；当q3=1,q0=1时，表示ux处于欠量程状态。当 = 0 时，|ux|>1999，则溢出。|ux|>ur则 输出低电平。当 = 1时，表示|ux|<ur 。平时or输出为高电平，表示被测量在量程内。mc14433的端与mc4511的消隐端 直

15、接相连，当ux超出量程范围时，输出低电平，即 = 0 = 0 ，mc4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。1.三位半a/d转换器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，mc14433a/d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a/d转换。

16、0;   mc14433内部模拟电路实现了如下功能：（1）提高a/d 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00m以上；（2）和外接的ri、ci构成一个积分放大器，完成v/t 转换即电压时间的转换；（3）构造了电压比较器，完成“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。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)

17、作用下，实现a/d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内部的控制逻辑是a/d 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a/d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a/d 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

18、触发式正反馈rc 多谐振荡器，一般外接电阻为360k时，振荡频率为100khz；当外接电阻为470k时，振荡频率则为66khz，当外接电阻为750k时，振荡频率为50khz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信号从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（低有效）。mc14433是双斜率双积分a/d 转换器，采用电压时间间隔(v/t)方式，通过先后对被测模拟量电压ux和基准电压vref 的两次

19、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=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a/d转换。积分电阻电容的选择应根据实际条

20、件而定。若时钟频率为66khz，ci一般取0.1f。ri的选取与量程有关，量程为2v时，取ri为470k；量程为200mv时，取ri为27k。 选取ri 和ci 的计算公式如下：式中，uc为积分电容上充电电压幅度,uc = vdd - ux(max) - u,u = 0.5v,例如，假定ci=0.1f，vdd=5v，fclk=66khz。当ux(max)=2v 时，代入上式可得ri=480k，取ri=470k。mc14433设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。mc14433a/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

21、可转换4次。 mc14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考图1的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：(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：ri/ci，外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6) 端，ci，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

22、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a/d转换周期结束，eoc端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时

23、钟信号周期的1/2。(15) 端：，过量程标志输出端，当|ux|>vref 时，输出低电平，正常量程为高电平。(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a/d 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mc4511    mc4511 是专用于将二-十进制代码(bcd)转换成七段显示信

24、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

25、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 = 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。mc4511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。mc4511采用16引线双列直插式封装，引脚分

26、配和真值表参见图2。使用mc451l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。实际试验中，我们将用五个三极管和若干电阻代替mc14433。4高精度低漂移能隙

27、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+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 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。图1 数字电压表结构图11 第6章 元器件清单元件名称型号个数a/d转换器mc144331七段译码器cd45111基准电源mc14031七路达林顿管mc14131双

28、d触发器mc40131共阴极七段led显像管-4100-101k-12 k-54 k-49k-110k划动变阻器-110k-447k-290k-1470k-2900k-10.1f-4二极管in40014三极管-5单刀三掷开关-1单刀四掷开关-1开关-2第7章 电路的安装与调试1、 数码显示部分的组装与调试；(1) 将4只数码管插入7号板，将4个数码管同名笔划段与显示译码的相应输出端连在一起，其中最高位只要将b、c、g三笔划段接入电路，按图接好连线，但暂不插所有的芯片，待用。(2) 插好芯片cd4511，并将cd4511的输入端a、b、c、d接至拨码开关对应的a、b、c、d四个插口处。(3)将c

29、d4511接好，并将由三极管代替 mc1413的驱动电路接好。(4) 检查译码显示是否正常。如果所有4位数码管显示正常，则去掉数字译码显示部分的电源，备用。2、 标准电压源的连接和调整； 插上mc1403基准电源，用标准数字电压表检查输出是否为2.5v，然后调整10k电位器，使其输出电压为2.00v，调整结束后去掉电源线，供总装时备用。3、 总装总调；(1) 插好芯片mc14433，接电路全图接好全部线路。(2) 将输入端接地，接通+5v，5v电源（先接好地线），此时显示器将显示“000”值，如果不是，应检测电源正负电压。用示波器测量、观察ds1ds4 ，q0q3 波形，判别故障所在。(3)

30、用电阻、电位器构成一个简单的输入电压vx 调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。(4) 用标准数字电压表（或用数字万用表代）测量输入电压，调节电位器，使vx1.000v，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。(5) 改变输入电压vx极性，使vi1.000v，检查“”是否显示，并按(4)方法校准显示值。(6) 在+1.999v01.999v量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。 至此一个测量范围在±1.999的三位半数字直流电压表调试成功。4、 记录输入电压为±1.999，±1.500，±1.000，±0.500，0.000时（标准数字电压表的读数）被调数字电压表的显示值，列表记录之。5、连接好量程选择电路，用电压表测试经过衰减后的电压的比例关系是否为1000：100：10：1