电子测量技术与仪器课程设计

1、应用科技学院电子测量课程设计报告i设计题目：精度三位半的电压测量仪专业班级：12级物联网工程2班姓名：祁鹏宇学号：20指导老师：高家宝时间： 2014年 11 月 13 日 2014年 1125 日地点：四教4613 实验室一课程设计题目三位半精度的电压测量仪二内容摘要数字电压表是常用的测量仪表之一，与同级别的指针式电压表相比较，使用方便，测量更准确，因此广泛使用。它由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟部分包括转换式输入放大器、基准电压源和A/D 转换电路。数字部分包括计数器、译码驱动显示及逻辑控制。三位半精度直流数字电压表具有以下7 大特点： （ 1） 显示清晰直观，读数准确 （ 2） 显示

2、位数本设计中显示的位数为3 位（3） 高准确度（ 4） 分辨率高 （ 5） 测量速率快（6）输入阻抗高（7）集成度高，微功耗，新型数字3 设计内容及要求1 . 了解双积分式A / D 转换器的工作原理2 .熟悉位A / D转换器MC14433勺性能及其引脚功能3 . 掌握用MC14433勾成直流数字电压表的方法4 .设计一个具有三位的十进制数字显示电压表电压表采用CMOS1成电路，整机功耗很低。4 实验设计清单基准电源 （ 1 个） D 转换器 （ 1 个） 译码驱动 （ 1 个） 共阴极数码管（ 4个） （ ULN2003） （1 个） 6. 电阻：10K（3 个）1K（2 个）47K（2个

3、）3K（1个）470K （2个）100Q （10个）10K的滑动变阻器（2个）7.电容：F （1个） 亚F （3个）8. 排针若干9. 覆铜板（ 2 个） 10. 导线若干11. 电池盒（ 2 个）5 设计方案74位数译码器 直流数字电压表的核心器件是一个间接型 A / D转换器，它首先将输入的模 拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器计 时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。1、V T变换型双积分A / D转换器图1是双积分ADC的控制逻辑框图。它由积分器（包括运算放大器A1和RC积分网络）、过零比较器A2, N位二进制计数器，开关控制电路，门控电路，

4、参考电压VR与时钟脉冲源CP组成。图1双积分ADO理框图转换开始前，先将计数器清零，并通过控制电路使开关SO接通，将电容C充分放电。由于计数器进位输出 Q谖0,控制电路使开关S接通vi ,模拟电压 与积分器接通，同时，门G被封锁，计数器不工作。积分器输出 vA线性下降， 经零值比较器A2获得一方波vC,打开门G,计数器开始计数,当输入2n个时 钟脉冲后t=T1,各触发器输出端Dn-1DO由11"T回到000-P,其进位输 出Q谖1,作为定时控制信号，通过控制电路将开关 S转换至基准电压源-VR 积分器向相反方向积分，vA开始线性上升，计数器重新从 0开始计数，直到t = T2, vA

5、下降到0,比较器输出的正方波结束，此时计数器中暂存二进制数字就 是vi相对应的二进制数码。2、3?位双积分A / D转换器MC14433勺性能特点MC1443犯CMOS积分式3?位A / D转换器，它是将构成数字和模拟电路 的约7700多个MOSj体管集成在一个硅芯片上，芯片有24只引脚，采用双列直 插式，具引脚排列与功能如图2所示。18| 17| 1臼 15 1 4Vdd Qa Qi Qi Qo Dsi D懿 Dsa Dsu UK EOC VssCC 14433Vag Vr Vxl| N N 4Ri? DU CPl CPo VekMC14433 1叫 11 叼图2 MC14433引脚排列引脚

6、功能说明：VAG （1脚）：被测电压VX和基准电压VR的参考地VR （2脚）：外接基准电压（2V或200mV输入端VX （3脚）：被测电压输入端R1 （4脚）、R1 /C1 （5脚）、C1 （6脚）：外接积分阻容元件端C1= f f （聚酯薄膜电容器），R1= 470KQ （2V量程）；R1= 27KQ （200mV1程）。C01 （7脚）、C02 （8脚）：外接失调补偿电容端，典型值以f oDU （9脚）：实时显示控制输入端。若与EOC（14脚）端连接，则每次A / D转换均显示。CP1 （10脚）、CPo （11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为 470KQ。VEE （12脚）：电路的电源

7、最负端，接一5V。VSS （13脚）：除CP外所有输入端的低电平基准（通常与 1脚连接）。EOC （14脚）：转换周期结束标记输出端，每一次 A / D转换周期结束， EOC输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的二分之一。OR （15脚）：过量程标志输出端，当| VX| >VR时，O输出为低电平。DS4DS1 （1619脚）：多路选通脉冲输入端，DS1对应于千位，DS2对 应于百位，DS3对应于十位，DS4对应于个位。Qg Q3 （20 23脚）：BC则数据 输出端，DS2 DS3 DS4选通脉冲期间， 输出三位完整的十 进制数，在DS1选 通脉冲期间，输出 千位0或1及过量 程、欠量程和被测

8、 电压极性标志信 号。MC14433具有 自动调零，自动极 性转换等功能。可 测量正或负的电压 值。当CP1、CP0端 接入470KQ 电阻 时，时钟频率= 66KHz;每秒钟可进 行4次A / D转换。图3三位半直 流数字电压表线路 图3、CD4511 译码算T段百言喜存s旨苗宅君君国与Dm含«出笈 2寓去U1E史-= L«q mi >n re rn eejg r，齐同打答个西芭:m日m 2口3> AAZ.jjjiu引脚功能：A B、C、D-BCD 码输入端；a、b、c、d、e、f、g-译码 输出端，输出“1”有效。LT -测试输入端，LT = "0

9、”时，译码输出全为 “1" ； BI'-消隐输入端，BI' = "0”时，译码输出全为“ 0" ； LE-锁定 端，LE= "1”时译码器处于锁定状态，译码输出保持在LE= “0”的数值，LE= "0” 为正常译码。寞国震A朝出LEEILTDcBAbCrBTXX0X工XXL!1I1i1iX0XXXXXDQ0fia00整01t0009l11IlJ0ga1i口0c10:1d00DiDtiQ0E1GIQ12QiI001!I1J!a013口t1Q10aD1100114Qt1Q1ciI011311501i011D001ILI16Q110I

10、II110a0Q7ai!1A0*Ii11111ft口II100II(10a11?上1tA5JFa00c由10d1I1X崎出及显示取决于版界明费需CD-1511引脚功能图及其真值袤4、3?位直流数字电压表的组成线路结构如上图所示。(1) 被测直流电压VX经A / D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端Q0 Q1 Q2 Q3上的数字信号(8421码)按照时间先后顺序输出。位选信 号DS1DS2 DS3 DS4通过位选开关MC141价别控制着千位、百位、十位和个位 上的四只LED数码管的公共阴极。数字信号经七段译码器 CC4511译码后，驱动四只LED数码管的各段阳极。这样就把 A / D转换器按

11、时间顺序输出的数据 以扫描形式在四只数码管上依次显示出来， 由于选通重复频率较高，工作时从 高位到低位以每位每次约300仙S的速率循环显示。即一个4位数的显示周期是， 所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。(2) 当参考电压 VR= 2V时，满量程显示；VR= 200mV寸，满 量程为。可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。(3) 最高位(千位)显示时只有b、c二根线与LED数码管的 b、c脚相接，所以千位只显示1或不显示，用千位的g笔段来显示模拟量的负值(正 值不显示)，即由CC14433勺Q2端通过NPNft体管901

12、3来控制g段。(4) 精密基准电源 MC1403A / D转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于A / D转换器的精度。本实验采用MC14031成精密稳压源作参考电压，MC1403 的输出电压为，当输入电压在15V范围内变化时，输出电压的变化不超过 3mV 一般只有左右，卒出最大电流为 10mAMC1403I脚排列见下图。(5) 实验中使用CMOS BCD段译码/驱动器CC4511(6) 七路达林顿晶体管列阵MC1413MC141探用NPN&林顿复合晶体管的结构，因此有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受 MOSE CMOS1成电路的输出信号，并把电压信号转换

13、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OC门)。MC1413t路结构和引脚排列如下图所示，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抑制二极管6 制作并调试1. 测试导线及数码管等分立元器件的性能是否良好，保证导线及分立 元器件能正常工作。2. 分块搭接电路，分别测试整波电路、 MC14433A/D转换器及CD4511 等接线后是否能正常工作，用示波器观察MC14433A/D专换器的输出波形，并 与理论波形比较，调试使其正常输出。3. 将分立电路整体连接，输入电压，观察数码管是否正常显示数值， 并与标准数字电压表进行对照，计算误差。4. 调整电路的稳定性，使数码管显示数值尽量在小范围内波动或不波 动，使测试数值更精确。5. 总结调试过程中出现的问题以及针对此问题的解决方法，总结调试 成果及收获，做好