基于MC14433的数字电压表

河北建筑工程学院《电子技术》课程设计报告设计题目：三位半数字电压表电路的设计院（系）:_河北建筑工程学院电气系___专业班级:_电子班__学生姓名:学号:指导老师：_____设计地点（单位）:河北建筑工程学院电气实验室设计时间:2011年6月6日-2011年6月19日数字电压表设计报告一、设计目的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。通过设计有助于复习、巩固以往的学习内容，达到灵活应用的目的。设计完成后在实验室进行自行安装、调试，从而加强学生的动手能力。在该过程中培养从事设计工作的整体概念。二、设计要求1、利用所学的知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计三个实现数字万用表的方案；只要求写出实验原理，画出原理功能框图，描述其功能。2、其中对将要实验方案31/2数字电压表，需采用中、小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工作原理，计算出参数。3、技术指标：Ⅰ、测量直流电压1999-1V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V；Ⅱ、测量交流电压1999-199V；Ⅲ、三位半显示；Ⅳ、比较设计方案与总体设计；Ⅴ、根据设计过程写出详细的课程设计报告；三、设计方案及原理方案一、基于MC14433的数字电压表方案一基于MC14433的数字电压表方案一：该方案大致分为五个模块，分别为基准电压模块；A/D转换模块；字形译码驱动模块；显示电路模块；字位驱动模块。由上图可以清楚地看出，交流电流经过AC/DC转换成直流，经过电阻分压集稳压放大后进入双积分转换器MC14433测量，再通过CD4511译码器经过A/D转换器位选电路送到LED显示，完成电压测试。方案二、基于INC7107数字电压表方案二，基于INC7107数字电压表方案二：该方案将直流电压和交流电压转换电路直接同芯片INC7107连接组成，INC7107将转换后的数据显示在LED显示数码管上。INC7017为CMOS31/2为单片双积分式A/D转换器，集模拟部分的缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字部分的振荡器、计数器、锁存器、译码器、驱动器、控制器和逻辑电路于一身的芯片。使用时只需少量电阻、电容等器件即可完成模拟量到数字量的转换。方案三、基于AT89C52的数字电压表方案三、基于AT89C52的数字电压表方案三：该方案采用12M晶振产生脉冲做AT89C52的内部时钟信号，通过软件设置单片机的内部定时器T0产生中断信号。利用中断设置单片机的P2.4口取反产生脉冲做AT89C52的时钟信号。单片机软件设置ADC0808开始A/D转换并将转换结果存到片内RAM。系统调出显示子程序，将保存结果转化为0.00－5.00V分别保存在片内RAM；系统调出显示子程序，将转化后数据查表，输出到LED显示电路，将相应电压显示出来，程序进入下一个循环。方案比较：方案一：选用A/D转换芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403实现电压的测量，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是工作速度低，优点是精度较高，工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。器件价格合适，采购方便，成本低，易实施。方案二：选用专用电压转化芯片INC7107实现电压的测量和控制。它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管。用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。优点是价格低廉。方案三：选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0809实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是价格稍贵；优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。综合比较三个方案，方案一结构简单，易实施，价格合适且工作精度高，比较稳定，抗干扰能力强；而方案二虽然价格低廉，但是精度较低；方案三价格稍贵且不易操作。综合比较我们选择了方案一。四、３１/２位数字电压表部件构成：◆三位半A/D转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。◆基准电压（MC1403）：提供精密电压，供A/D转换器做参考电压。◆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。◆显示器：将译码输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。工作过程：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UX0，Q2的电平为0，表示极性为负，即UX0。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MC4511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，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。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。如果必要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。MC14433原理框图除“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，参考右图的引脚标注，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