数字电压表设计.docx
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数字电压表设计
xx
课程设计报告
题目名称：
31/2位数字电压表
31/2数字电压表
一、设计目地
此次课程设计通过模拟、数字电路的综合设计，以熟悉一般模拟、数字电综合设计过程为目的，按照设计要求，完成工作内容和具体的设计方法。
通过设计也有帮助于复习、巩固以往的学习内容，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。
课程设计以培养能力为主，在独立完成设计任务的同时注重多方面能力的培养与提高，主要包括以下几方面：
1、独立工作能力和创造能力；
2、综合运用专业以及基础知识，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、工程绘图能力；
5、写技术报告和编制技术资料的能力。
二`设计指标
测量直流电压1999-0001V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V；测量交流电压1999-19。
三`设计方案及其选择
1、数字电压表是一种数字测量仪表。
31/2位数字电压表是指输出的数字量的四位十进制的最高位仅0和1，其余低位为0~9。
以下有三种设计31/2位数字电压表的方案。
方案一：
电压频率转换型31/2数字电压表，其原理图如下：
方案二：
由MC14433构成的三位半数字电压表，其原理图如下：
方案比较：
方案一比较简单但是器件比较贵，而且功耗比较大，不易实现。
方案二：
采用集成块，电路简单，易于操作，功率消耗较底，并采用动态扫描便于动态控制，并由于试验室器材的限制，方案二较好，我们选用方案二。
四·单元电路的设计及其介绍
1、A/D转换器：
由MC14433芯片构成，主要用于将模拟电压转成四位二进制BCD码。
它属于大规模集成电路。
能获得超量程、欠量程信号，便于自动转换量程。
其电路结构和引脚图如图3所示
表2MC14433引脚功能说明表
引脚线
代号
功能
说明
1
VAG
模拟地
输入信号的公共端
2
VREF
基准电压
当量程为1.999V时，VREF=2V；当量程为199.9V时，VREF=0.2V。
3
VX
被测电压
Vx的输入端
4
5
6
R1
R1/C1
C1
积分电阻
积分电阻、电容
积分电容
C1=0.1μF（聚酯薄膜电容器），R1=470KΩ（2V量程）。
R1=27KΩ（200ｍV量程）。
7、8
C01、C02
外接失调补偿电容
两脚外接电容，起到内部失调补偿的调零作用，通常取0.1μF。
9
DU
实时输出控制
若与EOC（14脚）端连接，则每次A/D转换均显示。
10、11
CLK1、
CLK2
时钟输入
时钟输出
典型值为470KΩ
12
VEE
负电源
接－5V
13
Vss
数字地
除CP外所有输入端的低电平基准
14
EOC
转换结束标志
转换周期结束标记输出端，每一次A/D转换周期结束，EOC输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的1/2。
15
OR
过量程
当|Vx|＞VREF时，OR输出为低电平。
16
17
18
19
DS4
DS3
DS2
DS1
位选输出
DS1对应于千位，DS2对应于百位，DS3对应于十位，DS4对应于个位
20
21
22
23
Q0
Q1
Q2
Q3
数据输出BCD
该A/D转换器以BCD码方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位、千位的BCD数据。
同时在DS1期间输出的千位BCD还包括过量程、欠量程和极性标志量程。
24
VDD
正电源
接+5V
MC14433具有自动调零，自动极性转换等功能，可测量正或负的电压值。
当CP1、CP0端接入470KΩ电阻时，时钟频率大约为66KHZ，每秒钟可进行4次A/D转换。
它的使用和调试简便，能与微处理机或其他数字系统兼容，广泛用于数字面板表、数字万用表、数字温度计、数字量具、遥测及遥控系统。
2·反向驱动器：
试验的时候可用分离元件组合，大大减少热试验的成本。
3·显示器，桥式整流（因电源一给定，所以不必用），等.
五·主要器件的工作原理：
MC14433：
MC14433主要包括A/D转换器、数字电路两大部分。
⑴A/D转换器
A/D转换器首先将输入的模拟电压信号交换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量，下面图4是双积分ADC的逻辑框图。
它由积分器、过零比较器A1、N位二进制计数器、开关控制电路、门电路、参考电压VREF与时钟脉冲源CP组成。
图4双积分ADC的逻辑框图
开始转换以前，要对计数器进行清零，并通过控制电路接通开关SO，使电容C充分放电。
由于计数器进位输出QC＝0，控制电路使开关S接通vi，模拟电压与积分器接通，同时，门G被封锁，计数器不工作。
积分器输出VA线性下降，经零值比较器A2获得一方波Vc，打开门G，计数器开始计数，当输入2n个时钟脉冲后t＝T1，各触发器输出端Dn-1～DO由111…1回到000…0，其进位输出QC＝1，作为定时控制信号，通过控制电路将开关S转换至基准电压源－VR，积分器向相反方向积分，VA开始线性上升，计数器重新从0开始计数，直到t＝T2，VA下降到0，比较器输出的正方波结束，此时计数器中暂存二进制数字就是vi相对应的二进制数码。
完成一次A/D转换大约需要16400个时钟周期（T0）。
整个A/D转换分六个阶段进行：
①模拟调零占4000T0；②数字调零，小于800T0；③重复模拟调零占4000T0；④正向积分，T1=4000T0；⑤重复数字调零，小于800T0；⑥反相积分，T2≤4000T0。
其中，阶段①与阶段③都是消除缓冲器和积分器的失调电压。
在阶段②用计数器将比较器的失调电压△Uos记下来，存入锁存器中；阶段⑤则是在反相积分之前先扣除△Uos的影响使计数器复位。
⑵数字电路
数字电路包括时钟振荡器、31/2位计数器、锁存器、多路选择开关、控制逻辑、极性检测器和过载指示器。
MC14433内部没有段译码器。
2、基准电压
MC14433A/D转换器的精度主要取决于基准电源VREF的精度，故该设计选用精密基准电源MC1403，它可提供一个高精度和高稳定度的基准电源。
其引脚排列如图5。
87651—VIN2—VOT3—GND
MC14034—N.C.5—N.C.6—N.C.
12347—N.C.8—N.C.
图5MC1403引脚图
3、量程转换
电路图如图6所示，图中四个电阻形成的分压器将待测电压衰减至0—2V，同时实现了对电压表量程的选择。
选取R1=900KΩ,R2=90KΩ,R3=9KΩ,R4=1KΩ。
4、交流整流电路
选用桥式整流电路，如图7所示。
VI2VVX
900KΩR120V
90KΩR2200V
9KΩR32000V
1KΩR4
图6电压衰减电路图7整流滤波电路
5、译码驱动控制
由CD4511七段译码器和MC1413达林顿反相驱动器组成。
用于将MC14433输出的BCD码转换成七段显示驱动信号和动态扫描显示的逐位控制信号。
CD4511的引脚图如图8所示。
引脚功能:
A0、A1、A2、A3、A4—BCD码输入端
a、b、c、d、e、f、g—译码输出端，输出“1”有效，用来驱动LED数码管
LT—测试输入端，LT=“1”时，译码器输出全为“1”
BI—消隐输入端，BI=“1”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”时的值，LE=“0”为正常译码。
图8CD4511引脚图
MC1413采用NPN达林顿复合晶体的结构，因此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（OC门）。
MC1413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。
其引脚图如图9所示。
６、数字量显示
由四个LG5011AH组成，其引脚图如图10所示。
图9MC1413引脚图 图１０LG5011AH引脚图
由于电路采用了动态扫描逐位显示技术，显示器显示时，一方面由MC14433的位选通信号DS1—DS4依次输出高电平信号去控制达林顿反相驱动器MC1413选通控制相应的千位、百位、十位和个位数码管；另一方面，由MC14433的Q3—Q0同步依次输出各位计数器的BCD码，再通过CD4511输出的译码驱动信号驱动相应的数码管显示出四位十进制数字。
动态扫描逐位显示的波形如图11所示，DS1各位状态真值表如表2所示，其中DS1—DS4和Q3—Q0输出的波形如图11（a）所示经MC1413后输出的波形如图11（b）所示。
表2
DS1对应数码
状态意义
Q3Q2Q1Q0
0
“千”位数1
1
“千”位数0
1
正极性
0
负极性
0
量程合适
01
过量程
11
欠量程
（a）
（b）
图11MC14433和MC1413
输出波形图
五、参数计算
防止二极管因电流过大而烧毁，应在二极管上接一电阻R，一般选取R=150Ω。
六、设计方案的工作原理
由MC14433构成的31/2位数字电压表的总电路原理图见附件所示。
其工作过程：
将输入的直流电压或交流电压经过整流后变成的直流电压接至MC14433的端，经芯片内部A/D转换后，变成相应的BCD码从MC14433的Q3—Q0（23—20）端输出，再经过外接的CD4511译码驱动LG5011AH。
同时MC14433还依次输出4个与Q3—Q0同步的位选通信号DS1—DS4，该信号经达林顿反相驱动器反相后再分别接至４个数码管阴极，与CD4511输出的七段译码驱动信号相配合，使相应的数码管分别轮流选通而显示各自对应的十进制数字。
七、元件明细表
电路中所用的元件如表3所示。
表3元件明细表
序号
名称
型号
数量
1
双积分单片A/D转换器
MC14433
1块
2
BCD七段译码器/驱动器
CD4511
1块（可用若干晶体管替代）
3
精密基准电压控制器
MC1403
1块（用2伏电压源）
4
达林顿反相驱动器
MC1413
1块
5
LED七段显示数码管
LG5011AH
4只
6
电阻、电容、二极管、导线
若干
八、电路的调试
1、按图12（见附图）接好全部线路。
2、将输入端接地，接通+5V，-5V电源，此时电路将显示“000”值，如果不是，应检测电源正负电压。
用示波器测量、观察DS1—DS4，Q0—Q3的波形，判断故障所在。
3、把Vx接入0-18伏交流电压的插孔，VR接基准电压2V。
调节电压旋钮，四位数码将相应变化.
4、用数字万用表测量输入电压，使Vx=1.000，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电源，使指示值与标准电压表之间的误差尽量最小。
5、改变输入电压Vx的极性，使Vx=-1.000V，检查“-”是否显示，并按4方法校准显示值。
6、在整个量程内再一次仔细调整基准电源电压，使全部量程内的误差尽量最小。
至此一个所要求的31/2位数字电压表调试成功。
五：
设计心得：
设计终于做完了，不知道自己做的到底怎么样。
感觉这次设计学到了很多东西，就拿这个设计来说吧，以前从来都是学习没个分离元件的特性和功能，也学习了不少集成器件。
但是从来都没有把这么多的元件组合在一起来学习过，更没有常识过设计，但是经过一段时间的努力，和老师的帮助讲解下我门终于做到了。
决得很有成就感，我想这就是学习的乐趣吧。
就拿设计和调试过程来说真的很难。
调试的时候接了好几遍线，总是接着接着就不知道该接哪了，眼前都是密密麻麻的线感到头都大了，只好都拆了从头再接，心里想这还真是个磨性子的活，慢慢的就把时间观念给忘了，经过一遍遍努力终于理清了所有的路线和原理。
还有实验的时候总是找不到需要的器件，比如说；反向驱动器，实验室没有这个器件我们都不知道该怎么办，后来老师说可以用分离元件自己动手组装一个，后来想想自己真是死板啊。
通过这次实习我们学到的不仅仅是知识更多的要开动脑筋，学习对付生活学习中遇到的各种麻烦。
使我门收益非浅。
只有付诸实践才知道理论和实践完全是两嘛事，虽然我们的理论知识已经掌握的很充分但是我们的动手能力真的恨差，这就是所说的眼高手低。
这让我们在以后记得了实践的重要性。
经过这次设计是我门认识了各种我门没见过的工具，知道了应用查资料和工具书来解决问题。
更让我们学到了遇事冷静对待的好习惯，对我门以后的学习和生活有很大的帮助，在此特感谢老师的帮助。
六·参考文献
1康华光.电子技术基础.第四版.北京：
高等教育出版社.1999年.447页
2杨刚、周群.电子系统设计与实践.第一版.北京：
电子工业出版社.2004年.337页
3于淑萍.电子技术实践.第一版.北京：
机械工业出版社.2004年.151页
4卿太全、李萧、郭明朗.常用数字集成电路原理与应用.第一版.北京：
人民邮电出版社.2006年.278页
5沙占友.新型数字电压表原理与应用.第一版.北京：
机械工业出版社.2006年.56页—73页
6阎石.数字电子技术基础.第五版.北京：
高等教育出版社.1983年.153页
7吴慎山.电子线路设计与实践.第一版.北京：
电子工业出版社.2005.161页
七·总体方案设计电路图
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