简易数字电压表电路课设

1、沈阳航空航天大学课 程 设 计 任 务 书课程名称 电子线路课程设计 院（系） 电子信息工程学院 专业 电子信息工程班级 84020105 学号2008040201141 姓名张超伟 课程设计题目简易数字电压表电路的设计课程设计时间: 2010 年 12 月20日至 2011年01月02日课程设计的内容及要求：一、设计说明设计一个简易数字电压表，它可以测量直流、交流电压。其参考原理框图如图1所示。ux分压电路输入保护及缓冲电路交、直流转换电路压频转换电路计数、译码显示电路ACACDCDC图1数字电压表的原理框图二、技术指标测量电压的技术指标如下表1所示。表1测量项目量程准确度(23±

2、5)输入电阻分辨力最大允许电压DCV2V±（0.5%RDG+3字）10M1mV500V20V10mVACV(RMS)(40Hz1kHz)2V±（1.0%RDG+3字）10M1mV±500V20V10mv三、设计要求1在选择器件时，应考虑成本，要求采用LED显示。各量程的转换采用开关转换。2根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。四、实验要求1根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。2进行实验数据处理和分析。五、推荐参考资料1沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术. M北京：人民邮电出版社，19

3、93年2. 阎石.数字电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2006年3. 童诗白、华成英.模拟电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2006年4. 戴伏生.基础电子电路设计与实践. M北京：国防工业出版社，2002年5. 谭博学主编.集成电路原理与应用.M北京：电子工业出版社，2003年六、按照要求撰写课程设计报告指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日成绩评定表评语、建议或需要说明的问题：指导教师签字： 日期：成 绩一、概述本设计是简易数字电压表，随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为

4、普遍。而本次任务是可以测量直流、交流电压，分为2V和20V两档，输入电阻为10M，精确度要求达到1mV、10mV，通过参考多种材料及分析仿真，做成了简易数字电压表。通过此次课设使我对我们所学的知识有了更深的认识和体会，对自我动手的能力也提高了很多。二、方案论证方案一：数字电压表可以测量直流、交流电压，最终经转换通过LED显示。其原理框图如图2所示分压电路输入保护及缓冲电路交、直流转换电路压频转换电路计数译码显示电路ACACDCDC图2数字电压表的原理框图输入电压经分压电路分成2V和20V两档，再通过电压跟随器构成的保护缓冲电路后输出，如果为直流，则直接通过压频转换送到计数译码显示电路，若为交流

5、先经过交直流转换电路，再通过压频转换，到计数译码驱动电路，最终通过LED数码管显示出来。方案二：方案二的原理框图如图3所示，电路由分压电路，输入保护及缓冲电路，交、直流变换电路，A/D转换电路，单片机及译码显示电路组成。前几个模块的功能与方案一相同，不同的是方案中用到单片机对经过A/D转换器后的数字信号进行记录然后通过译码显示电路进行显示。分压电路输入保护及缓冲电路交、直流转换电路A/D转换电路译码显示电路ACACDCDCux图3方案2的原理框图由于仿真软件中无设计要求的A/D转换芯片，所以本次课设采用的是方案一的设计。三、电路设计1.分压电路及保护缓冲电路电压表测量交、直流共用一个分压电路，

6、通过电阻进行分压将电压表的量程分为2V，20V。分压电阻的总阻值为 10 M，各档的分压比通过量程转换开关S2加以选择，并且按照10倍率关系来改变。该分压器将0500V被测交、直流电压一律衰减到2V以下，以便于将电压送入A/D转换电路进行测量及显示。分压电路如图3所示，当电路中开关J1拨到上面时测的是直流电压，而当开关S1拨到下面时测的是交流电压。 R14、R5是分压电阻，J2是量程转换开关，从上到下量程分别为2V，20V。电路中Ui1即电阻R5端为电压输入端，Uo1即OP22HS6端为分压后电压输出端。缓冲部分由两个分压电阻、二极管以及一个电压跟随器组成。输入保护电路由R11、D4、D5组成

7、。其中R11起限流作用，D4和D5组成双向限幅电路进行过压保护，电位器用以调整失调电压。分压缓冲保护电路如图4所示。R11为输入，6端口为输出。图4分压缓冲保护电路图2.交直流转换电路的设计交、直流变换电路是用来将交流电压变换成直流电压，而最终得到的直流电压大小相当于交流电压的有效值。该电路的设计需要滤波器和放大器，滤波器的作用是将交流变换成直流，放大器的作用是将电压平均值转换成有效值。交直流电压转换电路如图5所示，电路中U1端为交流输入端，U0端为将交流转换成直流的输出端，电路采用以正弦波平均值为响应的AC/DC转化的原理。在电路中由微功耗单运放的U7（ICL7611DCBA）和二极管D6(

8、1N4148)组成半波整流电路。采取将U1接成反向放大器，D6仅在正半周时导通，进行半波整流。副半周时D6截止，D7导通，D7，R19的作用是防止U7的输出端出现电压饱和现象，并使U7的反相输入端的电压保持稳定。放大器U8（MC3476）与电容器C8构成有源滤波器，以便获得平均电压值 VO，对半波整流而言，正弦波与平均值的关系为：V=2.22 VO这就要求U8的电压放大倍数KV>2.22倍，才有调整余量。U8的负反馈电阻Rf=R21+R22，反相输入端的电阻为R18。因此R22是可调电阻，调整其以改变反馈电阻值，进而控制MC347的增益使输出电压在数值上恰好是被测交流电压的有效值。现取R

9、21=39K，R2220 K，只需调节R22= 5.4K电路中R24是ACV档的校整电位器。选择U8的原则是功耗低，快速实现放大功能。可编程运算放大器MC3476输入失调电压2mV，输入偏置电流15 mA，转换速率为10mV/s，选择MC3476满足电路设计要求。R15为交流电压输入口，MC3476U为直流电压输出。图5交、直流变换电路3.压频转换电路压频转换电路是本次设计的难点，先通过运算放大器LM324进行电压放大，然后再通过LM324J进行电压积分，其次通过理想运放，经过一系列整流反馈，将输入进来的电压放大为频率，通过改变电路中电阻、电容等的参数，最终电压和频率放大关系为一千倍左右。压频

10、转换电路如下图6所示。电阻R1处为电压输入，74LS008D为频率输出。图6 压频转换电路4.计数译码显示电路 在计数译码显示电路中，计数器采用74LS160十进制计数器，并且采用同步预置法进行计数，通过CD4511译码器译成七段码通过LED显示出来，由于精度显示的需要，本次显示需用4片数码管显示输出，因此用了四个计数器。通过接每个计数器的高位输出端将次计数器变成能够输出为0-9999的计数器。计数译码显示电路如图7所示。图7计数译码显示电路四、性能的测试（1）分压缓冲测试：分压缓冲保护电路如图8所示图8 分压缓冲电路性能测试当输入电压为1V时，我们选择直流挡2V量程，输出电压为999.832

11、mV。当输入电压为2V20V之间的交流电压时，输出电压值为输入值的10倍率减小。如图9所示图9 直流电压测量值表1电压测量输入电压测量值理论值1V999.832mV1V5V500.158mV500 mV10Vrms1V1V20Vrms2.001 V2.0 V（2）交直流转换测试：交直流转换电路如图10所示图10 交直流转换电路半波整流部分输入电压为2V时，输出电压为V=-Rf/R5=0.5Vin=-1V。最终输出电压与输入电压在数值上近似相等，如图11a所示，同时整流后的波形，如图11b所示图11a 交直流转换电路显示图11b整流后的波形显示表交直流转换电压值输入电压测量值理论值V1.98VV

12、V4.951VV10V9.776V10V20V19.819V20V由于电路连接及参数本身存在一定问题，电容的充放电速度都会影响电路测量电压值，所以存在一定误差。（3）压频转换电路性能测试 压频转换电路测试如图12所示图12 压频转换电路性能测试输入2v直流电压，转换成的频率如图13所示图13 压频转换电路显示表3压频转换频率值输入电压测量值理论值V2.182KHZ2KHZV5.045KHZ5KZ10V9.989KHZ10KHZ15V15.032HZ15KHZ（4）计数译码显示电路性能测试 当给一个方波脉冲，其频率为1KHZ，计数器开始工作通过译码然后在数码管上显示出来，如图14所示 。计数器能

13、够显示0-9999区间的数值，保证电压表精度显示需要。图14 计数译码显示电路测试五、结论、性价比数字电压表设计有多种不同的方法，根据所需的功能设计出的电压表可以将各个功能实现，因此可以根据不同的用途选择不同的元器件组成不同的电路，很多新型的数字电压表设计采用集成芯片作为核心电路，再加上运算放大器等电路，集成度高，电路规模小，适合用于要求比较稳定的电压场合；而有的电压表设计则结构比较简单，成本自然较低，但电压不是很稳定。本次课程设计的电压表设计采用模块化设计方案，通过对整个课设题目的分析理解，对题目划分四个模块，逐块分析仿真，设计思路明确易懂，电路图可读性好，从器件选择到设计整体都考虑器件的常

14、见度。本次的设计不足之处在于设计多用到的是晶体管电路，对实物自作来说可能性价比不是很高。但总体看来本次电路都遵循性价比原则，各个器件都比较常见，而且每个功能模块都实现。同时按照输入电阻的大小，结果的分辨率大小以及电压的量程比对，任务结果基本符合课设要求。六、课设体会及合理化建议通过这两周的课程设计使我学到了很多，在此次课设期间我借阅了大量关于电压表方面的设计资料，学到了很多关于数字电压表电路的知识。由于是初次实用Mutlisim仿真软件，操作起来不是很熟练，但经过这次课程设计使我初步学会实用这款软件，相信这次的课设在我以后的工作和学习中一定会让我受益匪浅。我认为做每一样事情结果并不是最重要的，

15、过程是最重要的。本次课设也一样，用什么样的态度去做课设就决定了你对学习的态度，或许自己做出来的电路不是最完美的，但在课设的过程中，自己去思考去琢磨，这带我我一大笔财富。因为课设培养了我认真的态度以及坚定的信念。我非常感谢此次指导我的课设老师，老师给了我很多思路以及建议，再加上通过自己的分析设计及调试让我能最终设计出具体的符合要求的电路。在此次课程设计的过程中也看到了我自身的不足，如以前学习的原理知识掌握不踏实，曾经学过的知识如今却不会应用。我们即将踏入大四，还要经过两次课设，这次课设提供给我很多的锻炼机会来培养自己实践能力，对于以后的课设很有帮助。同时我觉得此次课设让我所感悟到的对我今后在社会

16、的发展，将产生很大的影响。参考文献1 沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术.M北京：人民邮电出版社，1993年2 童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2006年3 戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.M北京：国防工业出版社，2002年4 谭博学主编.集成电路原理与应用. M北京：电子工业出版社，2003年5 沙占友、李学芝编著.数字万用表电路图集.M北京：人民邮电出版社，1996年6 赵文博等编著.新型常用集成电路.M北京：人民邮电出版社出版，2006年7 孙肖子等编著.模拟电子技术基础.M西安：西安电子科技大学出版社，2001年附录1 总电路图附录2

17、元器件清单序号编号名称型号数量1R1、R6、R7电阻1K1/2W32R2电阻5K1/2W13R3电阻41K1/2W14R4、R14、R11电阻100K1/2W35R15、R17、R19电阻10K1/4W36R24、R 12滑动变阻器100K27R13电阻6.8 K1/4W18R16、R23电阻1M1/4W29R18电阻20K1/4W110R20电阻18K1/4W111R21电阻39K1/4W112R22滑动变阻器10K113R8电阻50K114R9电阻40K115R5电阻9001/4W116C7瓷片电容30pF117C8 电解电容20uF118C3 、C5瓷片电容0.01uF219C2瓷片电容100pF120C1瓷片电容7.3nF121C6瓷片电容47uF122C12薄膜电容0.33uF, 50V123D7、D6、D