数字直流电压表设计-(2).doc

数字直流电压表设计 (2)

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20

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电子技术
课程设计报告

题目名称:直流数字电压表的设计
姓 名：
学 号：
班 级：
指导教师:

目录
一·摘要
二·课程设计与任务要求
（一）设计目的
(二）设计要求
三·总体设计思路与方案选择
四·所用器件介绍
（一）双积分MC14433功能介绍
（二)MC14511B功能介绍
(三）MC1413功能介绍
(四)基准电源MC1403功能介绍
五·设计框图与工作原理，测量电压的转换与显示原理
六·数字电压表的安装调试
七·元器件清单
八·心得体会
九·参考文献

直流数字电压表

一·摘要：
传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低,读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高,速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。
数字电压表(Digital Voltmeter）简称DVM，由电阻网络（量程调整）、直流放大(运放组成）、电压极性判断、A/D转换、数码（液晶）显示等部分组成。PZ158A系列直流数字电压表具有6½；位显示，可测量0.1＆micro;V—1000V直流电压。该表由于采用了微处理器和脉冲调宽模数转换技术,自动校零,数字模拟滤波等技术,从而赋予本表极其稳定的零位和良好的线性和抗干扰能力,本表还带有RS232C接口，可方便地与计算机系统相连接,组成数据采集系统。采用八位VFD或LED显示,其中PZ158A/1为单量程(0。2V）VFD显示，读数清晰,光色柔和，适宜在科研、工业、国防等各种领域内使用。
本设计给出基于MC14433双积分模数转换器的一种电压测量电路。数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表.该系统由MC144333位半A\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、MC4543BCD七段锁存-译码—驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。本次设计的简单直流数字电压表的具体功能是：最高量程为1999V,分四个档位量程,即0～1。999V，0～19.99V0~199。9V,0~1999V，可以通过调档开关来实现各个档位。
直流数字电压表具有如下特点:
1显示清晰直观,读数准确；
2准确度高；
3分辨率高；
4测量范围宽;
5扩展能力强；
6集成度高，功耗低；
7抗干扰能力强。
二·课程设计任务与要求
2.1设计目的：
1了解直流数字电压表的基本构成,熟悉3位半双积分型A / D转换器MC14433（TC14433）的性能及其引脚功能;
2.掌握通用直流数字电压表的设计方法、测试与调试技术。
3掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A/D转换器件的设计方法；
4加强计算机运用·查阅资料和独立完成电路设计的能力；
2。2设计要求：

1）设计直流数字电压表；
2直流电压测量范围：0V～1.999V，0V~19。99V，0V～199.9V，0V~1999V。
3）直流输入电阻大于100kΩ。
4)画出完整的设计电路图,写出总结报告。
5）选做内容：自动量程转换.
三·总体设计思路与方案选择
方案选择:
根据设计要求和功能的实现，我们考虑了如下三个方案：

由于MC14433具有功耗低，外接元件少,输入阻抗高，电源电压范围宽，可测量正负电压值，精度高调试简单等特点,且具有自动调零和自动极性转换功能.所以选择方案三。
其原理框图为：

四·所用器件介绍，课程设计框图与工作原理:
（一）双积分MC14433功能介绍
图2是双积分ADC的电路原理图。电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS=0时，积分器对取样电压做定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压—VREF做定压积分。与-VREF电压极性相反,这里设取样电压为正，则-VREF为负。
图2 双积分ADC电路原理图
J Q
C1
K
R
Q0 Q1 …Qn-1 C

CP n位二进制
R 计数器
+
+
A
C
&
CP
S
-VREF

LSB
MSB
D0
D1
Dn-10
R
C
S1
S2
O
t

QS
O
t
S
O
t
QS
T1
T2
O
t
S1选
S1选-VREF

计数
进位回0时刻
图3双积分ADC工作波形

1．定时积分
在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。
启动信号S输入负窄脉冲（S=0），使计数器、JK触发器QS清零，开关S1选择取样电压作积分器输入。同时开关S2闭合，使积分电容放电，=0。负脉冲消失后(S=1），开关S2断开，积分器对取样电压做积分,积分器输出电压下降,,比较器输出逻辑1。允许n位二进制计数器对周期脉冲CP计数.当进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS=1，定时积分结束，定压积分开始。
取启动信号S的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CP的周期为TCP。则对取样电压的积分时间T1为
T1=2nTCP
是确定不变的.积分器输出电压为

积分器输出电压与时间成线性关系，其斜率是负的,与取样电压和积分器的时间常数RC有关。越大，负斜率也越大。定时积分的工作波形如图3所示，图中绘出了2个取样电压的情况。
定时积分结束时的积分器输出电压为

与取样电压成正比.

2．定压积分
在定时积分期间，当计数器的进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零和JK触发器QS=1，开关S1选择基准电压-VREF,积分器开始对基准电压-VREF做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从0继续计数。与此同时,积分器输出电压上升

积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数,与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。定压积分的工作波形如图11。3.9所示.当时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数,并保持计数结果B Z（通常为自然二进制数).从定压积分开始到计数器刚停止计数（）的时间T2为

并且，在计数器停止计数时刻,积分器输出电压为0,即

所以

定压积分时间T2与取样电压成正比。在此期间,计数器从0开始对周期脉冲CP计数,直到停止并保持计数值BZ.所以

计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量.实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步，导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为

的单位模拟电压LSB为

本设计运用MC14433实现双积分ADC模数转换功能。
MC14433引脚功能说明:
MC14433采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图1-5所示，各引脚功能如下：

图1-5　MC14433引脚图

VDD VEE
正负电源输入端
VAG VSS
模拟地和接地端
Vref
基准电压端
VX
被测电压输入端
R1
外接积分电阻端
R1/C1
外接积分元件电阻和电容的接点
C1
外接积分电容端
C01 C02
失调补偿电容端
DU
实时输出控制端

时钟信号输入输出端

转换周期结束标志输出端

过量程标志输出端
~
个位、十位、百位和千位输出标志端
~
BCD码输出端

其输出选通脉冲时序图如下

MC14433输出选通脉冲时序图

（二）MC14511B功能介绍：
本设计采用的MC14511B引脚图如下:

端为输入端,ABCD为四位BCD码输入
～为输出端。当输出为高电平时显示器对应段亮
VDDVSS端:正负电源端。
LE端：锁存允许端，当LE=“1"时,处于锁存状态，锁封输入，此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码;当LE=“0”时，处于选通状态，输出即为输入的代码。
由此可见,利用LE端的控制作用可以讲某一时刻的输入BCD代码寄存下来
使输出不再随输入变化。
· 灯测试端。当=“0”时,七段译码器输出全为“1”，发光数码管各段全亮显示；当=“1"时译码器输出状态由端控制。
消隐端。当=“0"时，控制译码器为全“0"输出，发光数码管各段全亮显示；当=“1”时,译码器正常输出，发光数码管正常显示。
由以上可知。消隐端灯测试端锁存允许端共同实现锁存译码功能.当LE=“1”时，处于锁存状态，锁封输入，此时它的输出为前一次LE=“0"时输入的BCD码；当LE=“0”时，处于选通状态。
（三）MC1413功能介绍
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OC门)。MC1413电路结构和引脚如图1-8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。

图1-8 MC1413引脚和电路内部结构图 图1-9 MC1403引脚图
(四)基准电源MC1403功能介绍
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：①温度系数小；②躁声小;③输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4.5V变化到+15V时，输出电压值变化量；④输出电压值准确度较高，在2.475V～2。525V以内；⑤压差小,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采用8引线双列直插标准封装,如上图1—9所示.在本设计中通过电阻分压为MC14433提供精确的2V参考电压.
五·设计框图与工作原理，测量电压的转换与显示原理：

基于MC14433设计的数字直流电压表图:

5.1)。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 上的数字信号经七段译码器CC4511译码后顺序输出.位选信号DS1 ~ DS4通过位选开关MC1413分别控制着千/百/十/个位上的4只LED数码管的阴极.由于选通重复频率较高，看到四位数码管同时显示的效果。
5.2)当参考电压VR＝2V 时，满量程显示1。999V；VR＝200mV时,满量程为199。9mV.可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h段经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。选作自动量程控制！
5。3).最高位（千位)显示时，只接LED数码管的b、c段,千位只显示1或不显示,用千位的g段来显示模拟量的负值(正值不显示），由MC14433的Q2 端。通过MC1413的负极性控制 g段。
5.4).精密基准电源MC1403：A / D转换采用MC1403集成精密稳压源作A / D转换的参考电压，MC1403的输出电压为 2.5V，电压变化在3 ～ 0.6mV.输出最大电流为10mA.
5。5） MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构， 电流增益大，输入阻抗高，能把电压信号转换成电流信号驱动各种负载。电路内含有7个集电极开路反相器（OC门）.MC1413电路为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的抑制二极管。
5。6）数码显示电路部分仿真见下图：

5。7）工作原理：
数字电压表将被测模拟量转化为数字量,并进行实时数字显示。该系统由MC14433位半A\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CC4511七段锁存—译码—驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成.
各部分的功能如下:
1)3位半A\D转换器（MC14433）：将输入的模拟信号转化成数字信号。
2)基准电源（MC1403）：提供精密电压,供A\D转换器作参考电压。
3)译码器(CC4511）:将二—十进制（BCD）码转换成七段信号。
4）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。
5）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。
六·数字电压表的安装调试
6.1.数码显示部分的组装与调试
1) 先将后三位数码管同名笔划段与显示译码CC4511的相应输出端连在一起,最高位数码管只将b、c、g三笔划段接入电路。
2) 插好芯片CC4511与MC1413，试将CC4511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;将MC1413的1、2、3、4脚接至逻辑开关输出插口上。
3)用检查动态显示的方法分别检查数码管的显示数及选通情况。
6。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10KΩ电位器，使其输出电压为2.00V,调整结束后去掉电源线。
6. 3. 总装测试的方法与步骤
1）接线:按设计电路接好线路,并插上MC(TC)14433及MC1413等芯片.
2) 通电显示检查：接通+5V、—5V电源及地线，当输入端接地,此时显示器将显示“000”值，否则，应依次检测电源正负电压,用示波器测量、观察DS1～DS4 ，Q0～Q3波形,判别故障所在。
3） 电压粗测：调节输入电压VX 的高低,4位输出显示数码应相应变化，然后进入下一步精调.
4)测量基准校正: 用标准数字万用表（示波器)测量输入电压，调节电位器，使VX＝1。000V,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) 测量电压极性显示检查：改变输入电压VX极性，使Vi＝－1。000V,检查是否有“－” 显示，并校准显示值.
6) 在+1。999V～0～－1。999V量程内再一次仔细调整(调基准电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。
6.4。测定设计制作数字电压表的误差等级
分别列表记录输入电压为±1。999，±1。500，±1.000,±0.500，0.000时的标准数字电压表的测量读数与制作数字电压表的测量显示值，计算测量误差，确定仪器的测量误差等级.
七．课程设计器材和供参考选择的元器件
表2-2 元器件
元器件的名称
数目
数字电压表组装套件一套
1套
万用表一块
1块
焊接工具、无感起子、十字起子
各1把
MC14433
1片
CC4511(或74LS48）
1片
MC14511B
1片
MC1403
1片
七段显示器
4片
电阻、电容、连动开关、导线等
若干
八．总结设计数字电压表的体会
(1） 通过查资料知道数字电压表的具体应用电路是有很多种的，只要掌握了基本原理，最主要是模数转换原理。就可以举一反三地、越来越熟练地按照自己的构思，得心应手地设计好数字电压表电路。
（2）本次设计中的元器件例如MC14433在Multisim中并没有就无法仿真.整体设计电路无法知道是否正确。但局部电路仍可仿真验证其功能。
（3）有的元器件功能不知道可以通过网络进行查找。
（4） 课程设计是培养综合运用所学知识，发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对实际工作能力的具体训练。
回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，学到很多很多的的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论。从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，最后在老师的帮助下顺利解决了。
我通过对直流数字电压表的模拟、数字电路的综合设计，了解了一般数字电路综合设计的过程，设计要求以及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、巩固以往对数字电子技术的学习，并达到灵活运用的目的。在设计完成后还要将设计的电路安装，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。
在设计中，对芯片MC14433的掌握感觉比较难,还需要继续学习。不管结果怎么样，我享受的是做事的过程，和团队的合作.在不懂的时候和同学讨论或咨询唐老师,通过唐老师的提示和讲解才逐渐懂得如何运用。与此同时明白了要多花时间去熟悉理论知识，多参考一些相关的文献让自己的思维发展，并且应该加强自己的动手能力。
这次设计唯一遗憾的是没有做出完整的仿真图，没有进行电路的安装调试。
在完成设计任务的同时，我也注重下面几点能力的培养和提高：
1） 团队工作分工明细，提高效率，同时也培养独立工作能力和创造力；
2） 综合运用专业以及基础知识，解决实际设计技术问题的能力;
3） 查阅图书资料，产品手册的能力;
4） 写电子技术设计报告的能力。
九·参考文献
1) 《实用数字电子技术项目教程》朱向阳 罗国强 北京：科学出版社，2009；
2) 《数字电子技术基础》 唐治德 北京:科学出版社, 2010.
3) 《电子技术课程设计指导》彭介华编著,北京：高等教育出版社 ， 1996 年 。
4) 《电子技术基础实验与课程设计》,高吉祥主编，北京：电子工业出版社，2005年.。
5) 《中国集成电路大全》编写委员会编，中国集成电路大全TTL集成电路。北京：国防工业出版社，1985。