三位半数字万用表设计.docx

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三位半数字万用表设计

河北建筑工程学院

课程设计报告

课程名称：

电子技术综合课程设计

题目名称:

3位半数字万用表设计

学院：

电气工程学院

专业：

电子信息工程

班级：

电子132

学号：

2013315202

学生姓名：

李天明

指导教师：

魏建新

职称：

高级实验师

成绩:

2015年7月12日

一、摘要

万用表结构简单、便于携带、使用方便、用途多样、量程范围广。

它是维修电子设备和调试电路的重要工具，是电子工程技术人员最常用的一种测量仪表。

设计目的是培养独立思考和创新意识，以及动手调试组装能力和分析解决问题的能力。

通过对mc14433的设计，检验对基础知识的掌握程度。

二、关键字

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l00M僖陨希唬?

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。

图1MC14433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360k偈保竦雌德饰?

100kHz；当外接电阻为470k偈保竦雌德试蛭?

66kHz，当外接电阻为750k偈保竦雌德饰?

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。

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。

C14433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：

图2MC14433引脚

（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，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。

（13）端：

VSS负电源端．

（14）端：

EOC，转换周期结束标志输出端，每一A／D转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的1／2。

（15）端：

OR，过量程标志输出端，当|UX|>VREF时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。

（16）～（19）端：

对应为DS4～DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q。

～Q3输出的BCD代码是该对应位上的数据。

（20）～（23）端：

对应为Q0-Q3，分别是A／D转换结果数据输出BCD代码的最低位（LSB）、次低位、次高位和最高位输出端。

（24）端：

VDD，整个电路的正电源端

2、七段锁存-译码-驱动器CD4511

图3CD4511

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：

①LT（LAMPTEST）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。

②BI（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，引脚分配见右图，真值表参见下图。

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。

3．七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4MC1403

4．高精度低漂移能隙基准电源MC1403

  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噪声小；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，输出电压值变化量小于3mV；④输出电压值准确度较高，y。

值在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。

三、设计要求

1、主要内容

（1）、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字万用表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能框图，描述其功能。

（2）、其中对将要实验方案3位半位数字万用表方案，须采用中、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，设计出电原理图。

2、技术指标

（1）测量直流电压200mv；2V；20V；200V;1000V；

测量交流电压2V；20V；200V;750V

（2）测量直流电流2MA；20MA；200MA；20A；

测量交流电流2MA；20MA；200MA；20A；

（3）电阻：

200

、2K、20K、200K、2M、20M

（4）电容；200nF、20nF、2nF20μF、2μF

（5）三位半数字显示。

第1章系统概述

1.1、设计方案：

方案一：

基于mc14433的数字万用表

Mc14433是三位半A/D转换器。

因此系统可以分为五部分：

基准电压、A/D转换器（mc14433）、七段数码管（显示器）、驱动器（mc1413）、译码器（cd4511/mc4511）。

外界信号经过外围电路进入系统，经过A/D转换器，mc14433把信号以8421码的形式输出给译码器,译码器译码后通过七段数码管显示。

驱动器驱动七段数码管工作。

基准电压为A/D转换器提供基准电压。

原理框图如下

图1.1原理框图

方案二、基于80C51单片机的数字万用表

该方案是利用80C51单片机来实现数字万用表的功能。

单片机内部有自己的时钟信号，外部的信号经过相应的外部电路通过过A/D转换器进入单片机，利用程序写入单片机，单片机驱动数码管显示出信号数值。

原理框图如下

图1.2原理框图

1.2、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：

选用单片机80c51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。

综合比较两个方案，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；方案二价格稍贵且不易操作。

综合比较我们选择了方案一。

第2章单元电路的设计与分析

1、交流/直流电压测量

首先，测交流电压时需要经过“桥式”整流电路，将交流电压转换为直流电压量，其余与直流电压值测量无差别。

“桥式”整流电路如下图所示：

该电路为单向桥式整流电路，适用于大电压的整流。

电路TR为电流变压器，它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的电压V2=Sinwt，四支整流二极管D1~D4接成电桥的形式。

如图中四个电阻串联分压设计，总电阻值为10MΩ，当开关S1闭合时，为最小量程2V；当开关S2闭合时，衰减10倍，其量程为20V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V。

图2.2

图2.1

通过电阻对不通电压进行不同的分压，从而得到固定范围内的相对较小的电压输入至MC14433进行模数转换，输出至数字显示器上。

2、交流/直流电流测量

图2.3交流/直流电流测量电路

3、电阻测量电路

图2.4电阻测量电路

4、电容测量电路

图2.5电容测量电路

5、AC/DC转换电路

图2.6AC/DC转换电路

第三章电路的安装与调试介绍

电路需要在实验台上进行安装。

将各个元件插到实验台的插孔上。

根据实验电路的电路图进行实物的连接。

安装完成之后，按照预定的试验指标进行调试。

（一）电路的理想指标或功能的测试方法

电路的理想指标即电路完成后，显示屏上可以按照时钟信号显示出0-2V的电压，并且电路工作稳定。

（二）实验中的问题及解决办法

问题一：

数字显示器连接完成后不亮？

解决方法：

经检查发现元件管脚接口接错，还有些接口接触不良。

重新检查电路图，正确接线后，问题解决。

问题二：

连接电路完成后结果显示不正常？

解决方法：

经检查发现因为连线比较混乱，在连线过程中造成短路，致使理论结果和实际不一样，于是我们重新组装了电路，对电路进行了规范布线，从而问题得到了解决。

问题三：

数字显示器显示为非数字？

解决方法：

显示器坏损，线条不亮，更换了显示器，重新接线后问题解决。

第4章结束语

此次课程设计让我们自己来查阅资料、设计电路图、画电路图最后自已自已动手连接电路图。

这样的过程让我们自主学习，真正了解到三位半数字万用表的工作原理，也体会到了数字万用表设计的巧妙之处。

一开始要自已做课程设计时还是比较盲目的，无从下手。

到后来自已想办法到图书馆借书查阅资料，在网上查相应的文件，这才有些眉目。

再到实验室连接电路图时也不是很顺利，出现了数码管显示异常的问题。

在我们组员的努力下终于解决问题。

让我们体会到成功的喜悦。

体会到了辛苦后的回报。

也非常感谢魏建新老师的安排、指导。

让我们顺利完成这次课程设计。

五、特别鸣谢

河北建筑工程学院

河北建筑工程学院电子实验室

魏建新老师

六、元器件明细表

七、附录总电路图

参考文献

1．康华光《电子技术基础》模拟部分第五版高等教育出版社

2．闫石《电子技术基础》数字部分第五版高等教育出版社

3．沙占友《新型数字电压表原理与应用》第一版机械工业出版社

4．高吉祥、易凡《电子技术基础实验与课程设计》第二版电子工业出版社

5．沙占友《新型数字多用表实用大全》电子工业出版社

6．杨刚、周群《电子系统设计与实验》电子工业出版社

7．林德杰《电器测试技术》第三版机械工业出版社