简易数字电压表设计报告.doc

目录摘要-21.数字电压表的简介-31.1数字电压表的发展-31.2数字电压表的分类-42.设计的目的-53.设计的内容及要求-54.数字电压表的基本原理-54.1数字电压表各模块的工作原理-54.2数字电压表各模块的功能-54.3数字电压表的工作过程-65.实验器材-76.电路设计实施方案-76.1.实验步骤-76.2各个模块设计-86.2.1 基准电压模块-86.2.2 3 1/2位A/D电路模块-106.2.3 字形译码驱动电路模块-126.2.4 显示电路模块-136.2.5 字位驱动电路模块-167.总结-17参考文件-18附录-19摘要本文介绍了一种简易数字电压表的设计。该设计主要由五个模块组成：A/D转换模块、译码器模块、数据处理模块、驱动模块及显示模块。A/D转换主要由芯片MC14433来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块。数据处理则由芯片CD4511来完成，其负责把MC14433传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示;该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。此数字电压表可以测量0-1.999V的1路模拟直流输入电压值，并通过一个四位一体的7段数码管显示出来。关键词:数字电压表、A/D转换、MC1403、MC14433、CD4511、MC14433、LEDAbstractThis paper introduces the design of a simple digital voltage meter. The design consists of five modules: A/D module, decoding module, data processing module, driver module and display module. A/D conversion is mainly completed by the MC14433, it is responsible to collect the analog conversion to digital quantity corresponding to the transmitted to the data processing module. Data processing is mainly completed by the CD4511 chip, which is responsible for the digital MC14433 transmission after data processing, the generated code to display the display module to display the corresponding; the system of the digital voltage meter circuit is simple, the use of fewer components, low cost, and high measuring accuracy and reliability. The digital voltmeter to measure the 1 0-1.999V DC analog input voltage value, and displayed on the 7 segment digital tube is an integration of the four.Keywords: Digital voltage meter, A/D conversion, MC1403, MC14433, CD4511, MC14433, LED一、数字电压表简介：1.1数字电压表的发展  数字电压表出现在50年代初，60年代末发起来的电压测量仪表，简称DVM。它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。如今，数字电压表已绝大部分取代了传统的模拟指针式电压表。因为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，读数时也非常方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，显示出强大的生命力。  数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一，二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达1NV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。1.2数字电压表的分类 目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法，而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。而常用的分类方法有如下几种： 1按用途来分：有直流数字电压表，交、直流数字电压表，交直流万用表等。2按显示位数来分：有4位，5位，6位，7位，8位等。 3按测量速度来分：有低准确度，中准确度，高准确度等。 4按测量速度来分：有低速，中速，高速，超高速等。 但在日常生活中，数字电压表一般是按照原理不同进行分类的，目前大致分为以下几类：比较式，电压时间变换式，积分式等。 在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量。其中，电压量的测量最为经常。随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的，是一种必不可少的电子测量仪表。二、实验目的(1)掌握数字电压表的设计、组装与调试方法(2)熟悉集成电路MCl4433，MCl413，CD451l 和MCl403 的使用方法，并掌握其工作原理。三、设计的内容与要求数字电压表是一种直接用数字显示的电压测量仪器。本课题要求设计制作一个3 1/2位的数字电压表.所谓3 1/2位是能测量显示出十进数00001999,即个位,十位,百位的范围为09.而千位为0和1两种状态,称为半位.四、数字电压表的基本原理4.1数字电压表各模块的工作原理数字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（如图1 所示）可采用MC144333 12 位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MCl403 和共阴极LED 发光数码管组成。 本系统是3 12 位数字电压表，3 12 位是指十进制数00001999。所谓3 位是指个位、十位、百位,其数字范围均为09，而所谓半位是指千位数，它不能从0 变化到9，而只能由0 变到l，即二值状态，所以称为半位。4.2数字电压表各模块的功能3 12 位AD 转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源(MC1403)：提供精密电压，供AD 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：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出AD 转换结果。4.3数字电压表的工作过程3 12 位数字电压表通过位选信号DS1DS4 进行动态扫描显示，由于MCl4433 电路的AD 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。DS1DS4 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Q0Q3 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，Q0Q3 输出BCD 全位数据，即以8421 码方式输出对应的数字09在DS1 选通期间，Q0Q3 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Q0Q3 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MCl413 中的一只晶体管控制，符号位的“一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“一”(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“一”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Q3=0且Q0=1时表示UX 处于过量程状态。当Q3=1且Q0=1时表示UX 处于欠量程状态。当OR >0 时，|UX|>1999，则溢出。X R |U |>U 则OR 输出低电平。当OR <1时，表示R |U X |<U 。平时OR 输出为高电平，表示被测量在量程内。MCl4433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. 图1 12位数字电压表五、实验器材(1) MCl4433 1 片 (5)4位七段显示器 1片(2) MC4511 1 片 (6)电位器1 k 1个(3) MC1413 1 片 (7)电容0.1F 2个(4) MCl403 1 片 (8)导线若干(9)电阻100 * 7 470 k*2 680*2六、电路设计实施方案6.1.实验步骤数字电压表原理框图如下:基准电压 积分RC元件 3 12位A/D电路字形译码驱动电路显示电路LED字位驱动电路由数字电压表原理框图可知,数字电压表由五个模块构成,分别是基准电压模块, 3 12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.6.2各个模块设计6.2.1基准电压模块这个模块由MC1403和电位器构成, 提供精密电压，供AD 转换器作参考电压. 芯片MC1403: 6.2.2 3 1/2位A/D电路模块 器件介绍：MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，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。具有外接元件少，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，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下： 精度：读数的±0.05%±1字 模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档转换速率：2-25次/s 输入阻抗：大于1000M 电源电压：±4.8V±8V 功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值） 采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0Q3轮流输出，同时在DS1DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。 MC14433的引脚说明：1Pin1（VAG）模拟地，为高科技阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。2 Pin2（VR）基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲（VR），就能够复为至转换周期的起始点。3 Pin3（Vx）被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：因此，满量程的Vx=VR。当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际的应用电路中，根据需要，VR值可在200mV2.000V之间选取。4 Pin4-Pin6（R1/C1，C1）外接积分元件端。次三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470k，而满量程为200mV时，R1取27k。5 Pin7、Pin8（C01、C02）外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄膜电容即可。6 Pin9（DU）更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。7 Pin10、Pin11（CLK1、CLK0）时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300k即可。8。 Pin12（VEE负电源端。VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。8 Pin13（Vss）数字电路的负电源引脚。Vss工作电压范围为VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。9 Pin14（EOC）转换周期结束标志位。每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。10Pin15（ ）过量程标志位，当|Vx|VREF时，输出为低电平。11 Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）多路选通脉冲输出端。DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。12 Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）BCD码数据输出端。该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息，这些信息所代表的意义见下表。13 Pin24（VDD）正电源电压端。6.2.3字形译码驱动电路模块七段锁存-译码-驱动器CD4511:CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，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)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用LE 端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端： LT (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。 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的一些特殊功能。(3) 驱动器：利用内部设置的NPN 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。CD4511电源电压VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见图2。使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。6.2.4显示电路模块这个模块由LG5641AH构成,将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出AD 转换结果。LED数码管及引脚图资料:7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，使用非常广泛，它的外观如下： 这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阴极是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如下图所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。那么，实际的数码管的引脚是怎样排列的呢？对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角那个脚为1脚，以逆时针方向依次为110脚，左上角那个脚便是10脚了，上面两个图中的数字分别与这10个管脚一一对应。注意，3脚和8脚是连通的，这两个都是公共脚。还有一种比较常用的是四位数码管，内部的四个数码管共用adp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有四个数码管，所以它有四个公共端，加上adp，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为112脚，下图中的数字与之一一对应。6.2.5字位驱动电路模块七路达林顿驱动器阵列MC1413 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OC0门)。MC1413电路结构和引脚如图3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续流二极管。图3 MC1413 管脚功能图及内部结构七、总结经过一段时间的努力，简易数字电压表基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计是我第一次设计电路，并用Multisim实现了仿真。在这过程中，我对电路设计，Multisim的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Multisim软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。 数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应用好，测量电压准确，精度高。系统功能、指标达到了课程的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的调试。 通过本次设计，我对电子工艺设计这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在仿真软件方面。设计中还用到了模/数转换芯片MC14433，通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升参考文献1 朱定华电子技术工艺基础清华大学出版社2007年8月2 张立毅电子工艺学教程北京大学出版社2006年8月3 胡斌图表细说电子元器件电子工业出版社2005年6月4 毕满清电子工艺实习教程国防工业出版社2003.55 6 .7 电子工艺技术等相关杂志附录：元器件明细表MCl44331片MC45111片MC14131片MCl4031片4位七段显示器1片电位器1 k1个电容0.1F2个导线若干电阻1007个电阻470 k2个电阻6802个仪器设备清单电源(+5V,-5V,0V)1台函数发生器(0-5V)1台系统使用说明外加电源+5V，5V，0V测量范围0V1.999V注意事项：1.接电之前要用万用表通过点触法分段测试，直到没问题再接电调试。2.接电时要先关闭电源开关，检查是否完全正确，直到完全正确后再通电检查器件。3.接入输入电压之前要把函数发生器输出值调到最小，确保没问题再慢慢增大，但一定不要超出量程。4有问题要仔细检查，及时反思总结，没问题的要争取想出优化方案。电路图图纸