数字直流电压表设计

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（DigitalVoltmeter）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0.1µV—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)(SInTv做定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压-VREF做定压积分。)(SInTv与-VREF电压极性相反，这里设取样电压)(SInTv为正，则-VREF为负。图2双积分ADC电路原理图JQC1KRQ0Q1…Qn-1CCPn位二进制R计数器++AC&CPS-VREF)(SInTvLSBMSBD0D1Dn-10RCS1S2OtOvCvQSOtSOtQST1T2OtS1选IvS1选-VREFOvCv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，Ov=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，0Ov，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tSIOSIOtRCnTvvdnTvRCtv0)()0()(1)(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)(SInTv和积分器的时间常数RC有关。)(SInTv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)(2)()(11SICPnSIOnTvRCTTRCnTvTv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)(2)()()(1)(111SICPntTREFOREFOnTvRCTTtRCVTvdVRCtv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0)(tvO时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果BZ（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（0)(tvO）的时间T2为CPZTBT2并且，在计数器停止计数时刻，积分器输出电压为0，即0)(2)(221SICPnREFOnTvRCTTRCVTTv所以)(22SIREFCPnnTvVTT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)(22SIREFnCPZnTvVTTB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)(21SIREFnZnTvVB的单位模拟电压LSB为nREFVLSB2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1-5MC14433引脚图VDDVEE正负电源输入端VAGVSS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C01C02失调补偿电容端DU实时输出控制端CLKICLKO时钟信号输入输出端EOC转换周期结束标志输出端OR过量程标志输出端4DS~1DS个位、十位、百位和千位输出标志端0Q~3QBCD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：○1○2○6○7端为输入端，ABCD为四位BCD码输入○9~○15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LT=“0”时，七段译码器输出全为“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。BI消隐端。当BI=“0”时，控制译码器为全“0”输出，发光数码管各段全亮显示；当BI=“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1-8MC1413引脚和电路内部结构图图1-9MC1403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03VmV；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Q0Q1Q2Q3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