三位半数字电压表设计.doc

一． 设计目的
此次课程设计主要目的，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、巩固以往学习的模电、数电内容，达到灵活应用的目的。在设计完成后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强动手能力。在此过程中培养从事设计工作的整体观念。
课程设计应强调以培养能力为主，在独立完成设计任务同时注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面：
1.独立工作能力和创造力。
2.综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。
3.查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。
4.熟悉常用电子操作使用和测试方法。
5.工程绘图能力。
6.写技术报告和编制技术资料的能力。　
二．设计要求
　　1.利用所学知识，或通过网上资源和书籍资料，设计三种数字电压表的方案，写出设计要求，绘制功能框图，并对三种方法加以比较。
2.技术指标要求为：直流电压测量范围 1999—0001V；199.9—0.1V；19.99—0.01V；1.999—0.001V； 交流电压测量范围1999—199V。
3．选择MC14433A/D转换器、CD4511等元器件设计3 1/2 位数字电压表，绘制电路原理图。写出元器件的功能，列出元器件清单。
4.画出整机原理图以及整机接线图。
5.组装并调试设计电路，自行排除故障。
6.总结设计过程，写出设计体验及收获。
三．设计方案
1. 选择MC14433A/D转换器、CD4511等元器件设计电路：
基准参考电压
量 程
转 换
整流
滤波
A/D
转换器
译码器
4位数码管
交流
直流
U

2. 用51单片机设计电路：
数码管驱动
程序
处理
数字量
模拟量
数码管显示

译码器

单片机芯片

模数转换

模拟被测电压

设计采用AT89C51单片机、A／D转换器ADC0808和共阳极数码管为主要硬件，分析了数字电压表Proteus软件仿真电路设计及编程方法。将单片机应用于测量技术中，采用ADC0808将模拟信号转化为数字信号，用AT89C51实现数据的处理，通过数码管以扫描的方式完成显示。

显示电路

电压转化芯片INC7107

被测电压

3. 选用专用电压转化芯片INC7107设计电路：

双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。

方案比较：
方案1：3位半双积分式A/D转换器MC14433转换精度为读数的±0.05%±1字，并能很方便地判断出是否超欠量程，以便于量程的自动切换功能的实现，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。缺点是工作速度低，且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。
方案2：设计电路简单，易于控制，且性能较稳定；但调试过程需要一定的编程基础，可利用Proteus软件仿真电路设计和调试。Proteus软件是一种电路分析和实物模拟仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以进行仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大，具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点，因此可用此软件方便调试电路。
方案3：利用专用电压转化芯片INC7107设计电路，思路简单，易于设计及调试；但是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。

四．电路设计
1.取样电路
此设计采用分压取样原理，利用900K、90K、９Ｋ、１Ｋ分段取压，以保障取样电压在芯片工作范围之内。
2.整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路,只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。
桥式整流电路的工作原理如下:e2为正半周时,对D1、D3和方向电压,Dl,D3导通;对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz 、D3通电回路,在Rfz ,上形成上正下负的半波整洗电压,e2为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2、D4导通;对D1、D3加反向电压,D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路,同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。
需要特别指出的是,二极管作为整流元件,要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。。如选择不当,则或者不能安全工作,甚至烧了管子;或者大材小用,造成浪费。另外,在高电压或大电流的情况下,如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件,可以把二极管串联或并联起来使用。
３．MC14433A/D转换器
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。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。
    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l00MΩ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(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Q0～Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1～DS4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，这是一种施密特触发式正反馈RC 多谐振荡器，一般外接电阻为360kΩ时，振荡频率为100kHz；当外接电阻为470kΩ时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750kΩ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OR（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件而定。若时钟频率为66kHz，CI一般取0.1μF。RI的选取与量程有关，量程为2V时，取RI为470kΩ；量程为200mV时，取RI为27kΩ。
选取RI 和CI 的计算公式如下：

式中，ΔUC为积分电容上充电电压幅度,ΔUC = VDD - UX(max) - ΔU,ΔU = 0.5V,

例如，假定CI=0.1μF，VDD=5V，fCLK=66kHz。当UX(max)=2V 时，代入上式可得RI=480kΩ，取RI=470kΩ。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，C1，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0.1μF。
(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，其脉冲宽度为时钟信号周期的1/2。
(15) 端：OR ，过量程标志输出端，当|UX|>VREF 时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。
(16)～(19) 端：对应为DS4～DS1，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。
４．CD4511译码器
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”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。

５.工作原理
三位半数字电压表通过位选信号DS1～DS4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。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的数位被选通，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DS4选通期间，Q0～Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0～9．在DS1选通期间，Q0～Q3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Q0～Q3的输出内容如下：
Q3表示千位数，Q3=0代表千位数的数宇显示为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RM 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供电燃亮小数点。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OR 。
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。MC14433的OR端与CD4511的消隐端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 ，CD4511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。
６.整体电路
此设计电路由取样电路、整流滤波电路、MC14433A/D转换器 、CD4511译码器、反相器、数码管等部分组成，具体结构及元器件清单如下：

五．实验调试
我们分小组在实验室的电工技术实验台对所设计的电路进行了调试，调试过程如下：
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转换器的输出波形，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，做好笔记。
六．设计总结
这是我们升入大学以来进行的第一次设计实习，第一次运用自己所学的理论知识进行实践。经过这次设计实习，不仅增强了我们的动手实践能力，还使我们对所学理论知识有了更深入的了解，明白了理论和实践之间还存在着一定差距，需要我们更努力、更刻苦、更深入的去学习。
设计过程还分小组工作，我们小组成员互相团结，一起努力攻克层层困难，将数字电压表的工作原理及电路各部分功能和实现方法一一搞清楚。在设计过程中，大家都贡献出了自己的力量。上台实验所有人动手操作，在大家的共同努力下最后终于将电路调试成功。
当然，在设计过程中我们也发现了自己的很多不足：首先，我们对基础理论知识掌握不牢，设计过程存在的很多问题都需要翻阅以前学习的理论知识来解决；其次,动手能力太差，调试过程不能准确查出电路故障，因此不能很快调试成功；再有，工作效率低，由于没有制定合理有序的工作计划，以致工作杂乱，没有节奏。
我会认真总结这次设计实习的经验教训，在以后学习中不断努力，改善自己的不足之处，提升自己的能力。
参考文献.
1. 贾更新 《电子技术基础·实验、设计与仿真》 郑州大学出版社 2006.10
2． 周中、任致程 《电力电测数字仪表·原理与应用指南》 中国电力出版社 2007.4
3. 马鑫金 《电工仪表与电路实验技术》 北京机械工业出版社 2007.8
4． 施金鸿、陈光明 《电子技术基础实验与综合实践教程》 北京航空航天大学出版社 2006.7
5. 网上资料搜索
- 10 -