三位半数字万用表电路专业课程设计.doc

河北建筑工程学院
课程设计汇报书

课程名称： 《电子技术》综合课程设计
学 院： 电气工程学院
专 业：
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导老师：
职 称：

年 月 日

目录

一、课程设计目标.…………………………………………… 2
二、设计要求及技术指标.………………………………………2
三、设计方案及原理….…………………………………………2
四、测试部分电路设计 ................................ 3
（1）数字电压表原理框图 3
电压衰减电路 3
单相桥式整流滤波电路 4
基准电压模块 5
3 1/2位A/D电路模块 5
字形译码驱动电路模块 6
显示电路模块 6
（2）试验电路工作过程及芯片介绍 7
工作过程 7
三位半A／D转换器MC14433 8
七段锁存-译码-驱动器MC4511 8
七路达林顿驱动器阵列MC1413 9
高精度低漂移能隙基准电源MC1403 9
五、总电路图及电路分析................................9
六、元器件清单.................................... ...10
七、组装、调试内容....................................11
八、设计心得和体会....................................11
九、 参考文件.........................................12
十、电路搭建完成照片................................13

第一章 课程设计目标
课程设计关键目标：是经过电子技术综合设计，熟悉通常电子电路综合设计过程、设计要求、应完成工作内容和具体设计方法。经过设计也有利于复习、巩固以往学习模电、数电内容，达成灵活应用目标。在设计完成以后，还要将设计电路进行安装、调试以加强学生动手能力。在此过程中培养从事设计工作整体观念。
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培养和提升，关键包含以下方面：
独立工作能力和发明力；
●综合利用专业及基础知识，处理实际工程技术问题能力；
●查阅图书资料、产品手册和多种工具书能力；
●熟悉常见电子仪器操作使用和测试方法；
●工程绘图能力；
●写技术汇报和编制技术资料能力。
●培养同学之间合作和交流能力；
●电路检测和故障排查能力；
第二章 设计要求及技术指标
具体要求：
1、利用所学知识，经过上网或到图书馆查阅资料，设计三个实现数字万用表方案；只要求写出实现原理，画出原理功效框图，描述其功效。
说明：采取原理、方案不限，也能够自行设计。
2、其中对将要试验方案3 1/2数字电压表，需采取中、小规模集成电路、MC14433 A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案具体工作原理，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、三位半显示；
4、总体设计；
5、电阻、电容
6、依据设计过程写出具体课程设计汇报；

第三章 设计方案及原理

基于MC14433数字电压表

基于MC14433数字电压表

此方案是对电压量进行测试并显示数字电路。对于交流能够采取桥式整流，经过电阻分压，再用放大器放大，把平均值转换为有效值，再将待测直流电压Vx加到MC14433芯片3脚，经MC14433完成A/D转换后，经过CD4511七段锁存/译码/驱动器送到LED显示，LED位选是由MC14433DS4-DS1经MC1413反向后提供，MC1403为MC144433提供基准电压。

第四章 测试部分电路设计
（1）数字电压表原理框图以下

由数字电压表原理框图可知,数字电压表由六个模块组成,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.现介绍各个结构以下：

4.1 电压衰减电路

如左图中四个电阻串联分压设计，总电阻值为10MΩ，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

4.2 单相桥式整流滤波电路

电路图以下图：

单相桥式整流滤波电路

电路为单向桥式整流电路，适适用于大电压整流。电路TR为电流变压器，它作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求电压V2=Sinwt，四支整流二极管D1~D4接成电桥形式。
4.3 基准电压模块

这个模块由MC1403和电位器组成, 提供精密电压，供A/D 转换器作参考电压。

4.4 3 1/2位A/D电路模块

直流数字电压表关键器件是一个间接型A / D转换器，这个模块由MC14433和积分元件组成,将输入模拟信号转换成数字信号。

4.5 字形译码驱动电路模块

4.6 显示电路模块

这个模块由LG5641AH组成,将译码器输出七段信号进行数字显示，读出A/D 转换结果。
（2）试验工作过程及芯片介绍
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（图1所表示）可采取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,三位半是指十进制数0000～1999。所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为0～9，而所谓半位是指千位数，它不能从0改变到9，而只能由0变到l，即二值状态，所以称为半位。
工作过程以下：
  三位半数字电压表经过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，因为MC14433电路A/D转换结果是采取BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就能够将转换结果以数字方法实现四位数字LED发光数码管动态扫描显示。DS1～DS4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数位被选通，此时该位数据在Q0～Q3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DS4选通期间，Q0～Q3输出BCD全位数据，即以8421码方法输出对应数字0～9．在DS1选通期间，Q0～Q3输出千位半位数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Q0～Q3输出内容以下：
Q3表示千位数，Q3=0代表千位数数字显示为1，Q3=1代表千位数数字显示为0。
Q2表示被测电压极性，Q2电平为1，表示极性为正，即UX>0；Q2电平为0，表示极性为负，即UX<0。显示数负号(负电压)由MC1413中一只晶体管控制，符号位“-’阴极和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，经过限流电阻RM 使显示器“-”(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经过限流电阻RDP供电点亮小数点。若量程不一样则选通对应小数点。
过量程是当输入电压UX超出量程范围时，输出过量程标志信号OR(----)。
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OR(----) = 0 时，|UX|>1999，则溢出。|UX|>UR则OR(----) 输出低电平。
当OR(----) = 1时，表示|UX|<UR 。平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内。
MC14433OR(----)端和MC4511消隐端BI(____) 直接相连，当UX超出量程范围时，OR(____)输出低电平，即OR(---) = 0 →BI(----) = 0 ，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点仍然发亮。
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。和其它经典双积分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。假如必需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和自动调零赔偿电容C0)就能实施三位半A/D转换。
    MC14433内部模拟电路实现了以下功效：（1）提升A/D 转换器输入阻抗，使输入阻抗可达l00MΩ以上；（2）和外接RI、CI组成一个积分放大器，完成V/T 转换即电压—时间转换；（3）结构了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压和零电压进行比较，依据二者差值决定极性输出是“1”还是“0”。比较器输出用作内部数字控制电路一个判别信号；（4）和外接电容器C0组成自动调零电路。
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(0～1999)，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A/D转换结果锁定和存放。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0～Q3，并输出对应位多路选通脉冲标志信号DS1～DS4实现三位半数码扫描方法（多路调制方法）输出。
MC14433内部控制逻辑是A/D 转换指挥中心，它统一控制各部分电路工作。依据比较器输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换各个阶段开关转换，产生定时转换信号和过量程等功效标志信号。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。
2．七段锁存-译码-驱动器MC4511
    MC4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号专用标准译码器，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)：它功效是将输入A，B，C 和D代码寄存起来，该电路含有锁存功效，在锁存许可端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据作用。
当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它输出为前一次LE=0时输入BCD码；
当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入代码。
由此可见，利用LE 端控制作用能够将某一时刻输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入改变。
(2) 七段译码电路：未来自四位锁存器输出BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中七段译码器有两个控制端：
①LT(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。
② 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部分特殊功效。
(3) 驱动器：利用内部设置NPN 管组成射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。
3．七路达林顿驱动器阵列MC1413
    MC1413采取NPN达林顿复合晶体管结构，所以含有很高电流增益和很高输入阻抗，可直接接收MOS 或CMOS 集成电路输出信号，并把电压信号转换成足够大电流信号驱动多种负载．该电路内含有7个集电极开路反相器(也称OC0门)。MC1413电路结构和引脚图3所表示，它采取16引脚双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量续流二极管。实际试验中，我们将用五个三极管和若干电阻替换MC14433。
4．高精度低漂移能隙基准电源MC1403
    MC1403输出电压温度系数为零，即输出电压和温度无关．该电路特点是：
① 温度系数小；② 噪声小；③ 输入电压范围大，稳定性能好,当输入电压从+4．5V改变到+15V时，输出电压值改变量小于3mV；④输出电压值正确度较高，y。值在2.475V～2.525V 以内；⑤ 压差小，适适用于低压电源；⑥ 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。
第五章 总电路图及电路分析
三位半A/D转换器(MC14433)：将输入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：将译码器输出七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。

过程分析：电压衰减部分，经过分别连接S1、S2、S3、S4选择不一样量程，使输出电压在不一样量程，从而扩大了万用表总量程。若输入为交流电，则需要经过单相桥式整流滤波电路使交流电变成整流电路要求电压V2=Sinwt。取得电压接MC144333脚。经MC14433使模拟信号转换成数字信号，由MC1403为MC14433提供参考电压，确保数据合理性。数字信号经由MC4511译码器将二-十进制码转换成七段信号。信号输入到驱动显示器a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动发光数码管LED将输入电压进行显示。整个过程完成。

第六章 元器件清单
元件名称
型号
个数
A/D转换器
MC14433
1
七段译码器
CD4511
1
基准电源
MC1403
1
七路达林顿管
MC1413
1
双D触发器
MC4013
1
共阴极七段LED显像管
-
4
100Ω
-
10
1kΩ
-
1
2 kΩ
-
5
4 kΩ
-
4
9kΩ
-
1
10kΩ划动变阻器
-
1
10kΩ
-
4
47kΩ
-
2
90kΩ
-
1
470kΩ
-
2
900kΩ
-
1
0.1μf
-
4
二极管
IN4001
4
三极管
-
5
单刀三掷开关
-
1
单刀四掷开关
-
1
开关
-
2
第七章 电路安装和调试
1、 数码显示部分组装和调试；
(1) 将4只数码管插入7号板，将4个数码管同名笔划段和显示译码对应输出端连在一起，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，但暂不插全部芯片，待用。
(2) 插好芯片CD4511，并将CD4511输入端A、B、C、D接至拨码开关对应A、B、C、D四个插口处。
(3)将CD4511接好，并将由三极管替换 MC1413驱动电路接好。
(4) 检验译码显示是否正常。
假如全部4位数码管显示正常，则去掉数字译码显示部分电源，备用。
2、 标准电压源连接和调整；
插上MC1403基准电源，用标准数字电压表检验输出是否为2.5V，然后调整10KΩ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，假如不是，应检测电源正负电压。用示波器测量、观察DS1～DS4 ，Q0～Q3 波形，判别故障所在。
(3) 用电阻、电位器组成一个简单输入电压VX 调整电路，调整电位器，4位数码将对应改变，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，调整电位器，使VX＝1.000V，这时被调电路电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值和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Vi＝－1.000V，检验“－”是否显示，并按(4)方法校准显示值。
(6) 在+1.999V～0～－1.999V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内误差均不超出个位数在5之内。
至此一个测量范围在±1.999三位半数字直流电压表调试成功。
4、 统计输入电压为±1.999，±1.500，±1.000，±0.500，0.000时（标准数字电压表读数）被调数字电压表显示值，列表统计之。
5、连接好量程选择电路，用电压表测试经过衰减后电压百分比关系是否为1000：100：10：1，经过电压跟随器后，连接到MC14433输入端。拨动量程开关到20V，输入电压为2~20V时，观察输出电压数值。
6、连接好AC-DC转换电路，设置一个交流/直流选择档，假如输入是交流，则必需经过AC-DC转换电路，将交流电压有效值转换为直流电压，这么才能经过MC14433进行A/D转换。
第八章 心得体会
两周时间急忙而过，两周课程设计伴随电路搭建和汇报提交也画上了句号。从对进行课程设计好奇到亲自经历课程设计过程中，心里波浪起伏。第一周第一天，心里是满满好奇，当老师把课程题目部署完以后，并把原理图讲清以后，发觉头脑中空无一物，不知从何下手。对元器件不了解，对电路图不会分析，对工作原理了解不熟悉，满满恐惧感涌上心头。人不逼自己一下，就不会知道自己潜力有多大。去图书馆查找资料，上网搜索，向老师请教，加紧了我们认知步伐，确定了试验方案，并开始了仿真工作。我们先下载了Multisim和Protel两个软件，找了多种资料却还是无法达成我们预期目标。电路搭建时，认为只要根据原理图把元器件一个个连起来就好，结果问题重重，自己动手能力太差，到最终试验结果不太理想不过数能显示出来，不过有点虚，可是线路太多，接触不良造成，不过我们尽力啦。
在这次课程设计过程中我深深体会到，空有原理而没实践是不够，更何况原理还没吃透。经过实践来把漏知识填补起来，实践过程要学会结合文件资料并思索，做这一步时要想到下一步，逐步完善步骤，达成自己预想结果。
最终很感谢吕英丽老师和张晔老师在方案调试中对我们细心指导和帮助！
第九章 参考文件
[1]．《PROTEL电路设计教程》，江思敏、姚鹏翼、胡荣等编著，清华大学出版社
[2]．《常见电子测量仪器使用》，[英]A .M.L鲁特金著，谢瑞和、黄志良、谢自美、王观兰译电子工业出版社 1999
[3]．《数字电路和逻辑设计》，刘斌（主编）汪良能、刘鑫、刘炜（编著），电子工业出版社
[4]．《数字万用表原理、使用和维修》，沙占友、沙占为（编著）电子工 业出版社 1988
[5] 庚华光 《电子技术基础》 数字部分
[6] 梁德厚 《数字电子技术及应用》 机械工业出版社
[7] 周长源 《电路理论基础》 高等教育出版社
[8] 谢自美 《电子线路设计》华中科技大学出版社
第十章 电路搭建完成照片

仿真图