自动量程直流电压测试仪.docx
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自动量程直流电压测试仪
自适应直流电压测试仪
摘要：
在智能仪器中，常常用到自动量程转换技术，这使得仪器在很短的时间自动选取最合适的量程，实现高精度的测量。
自动量程的实现一般通过控制输入信号的衰减/放大倍数实现，就电压表来说，其输入测试电压大于其AD转换器的输入范围，所以他的量程切换基本上是信号衰减倍数切换的过程。
本设计采用了以AD转换器搭建一些其他元件而构成的自动转换数字电压表的设计方案，首先确定A/D转换器MC14433器件，然后再确定分压电路、量程自动切换电路和数字显示电路等，而设计出了一种量程可以自动切换且具有高清晰度显示的数字式直流电压表。
关键词：
自适应、A/D转换器、量程、直流电压、分压电路
Abstract：
Insmartinstruments,oftenusedinautomaticrangeconversiontechnology,whichmakestheinstrumentinaveryshortperiodoftimeautomaticallyselectthemostappropriaterange,highprecisionmeasurements.Generallythroughtherealizationofautomaticrangecontrolinputsignalattenuation/amplificationachieved,voltmeter,thetestvoltageisgreaterthantheinputADconverterinputrange,sohisrangeswitchisbasicallytheprocessofswitchingsignalattenuationfactor.ThisdesignusesabuiltinADconverterconsistingofanumberofothercomponentsautomaticallyconverteddigitalvoltagemeterdesign,firstdeterminetheA/DconverterMC14433device,andthendeterminethevoltagedividercircuit,automaticrangeswitchingcircuitanddigitaldisplaycircuit,anddesignedarangecouldautomaticallyswitchandhasahighdefinitiondigitaldisplayDCvoltagemeter.
Keywords：
Adaptive,A/Dconverter,range,DCvoltage,Dividercircuit
目录
1.前言1
2.总体方案设计2
2.1方案比较2
2.2方案比较2
2.3方案论证3
2.4方案选择3
3.单元模块电路简介与设计4
3.1各单元模块功能介绍及电路设计4
3.1.1自动量程切换电路模块4
3.1.2A/D转换电路模块5
3.1.3数字显示电路模块6
3.1.4电源模块6
3.2特殊元件的介绍8
3.2.1MC144338
3.2.2CD451110
3.2.3MC141311
3.2.4CC4019411
3.2.5CC401312
3.2.6CC406613
4.软件设计15
4.1使用的软件介绍15
5.系统设计及调试16
5.1系统设计16
5.2硬件调试16
6.系统功能、指标参数18
7.设计总结19
7.1设计小结19
7.2设计收获19
7.3设计改进19
7.4致谢19
8.参考文献20
附录一：
自适应直流电压测试仪原理图：
21
1.前言
广义的电子测量是指利用电子技术进行的测量。
非电量的测量属于广义电子测量的内容，可以通过传感器将非电量变换为电量后进行测量。
目前市场上流通的普通数字式万用表大部分都是手动选择量程，这种仪器很容易在超量程状态下使用以至于是损坏仪器，并且需要根据所测量的大小来手动调整量程很麻烦会使使用者增加工作量。
量程自动转换式电压表免去了在超过当前量程时需要手动转换量程的缺点，在当前量程不合适时可以自动且快速的选择合适量程。
量程转换的意义在于，对于范围很宽的信号，由于AD的量化范围有限，若对整个范围采取同一放大或衰减倍数则测量的分辨率会比较小；若对待测信号的可能幅度值进行分段，各个段依据AD的量化范围选取合适的放大或衰减倍数，这样可以充分利用AD的量化范围，使得各个段的分辨率可以满足技术要求，达到在整个测量范围内分辨率都满足要求的目的。
过载保护是量程自动转换式仪表不可缺失的部分，因为量程的自动转换在实现上必然会遇到用小量程测大信号的情况。
一个较好的量程转换式仪表的过载保护电路必须具备两个特点：
能使系统在较大过载时仍然能保持完好并能恢复正常工作；能从过载保护状态快速切换到正常工作状态。
在智能仪器中，常常用到自动量程转换技术，这使得仪器在很短的时间自动选取最合适的量程，实现高精度的测量。
自动量程的实现一般通过控制输入信号的衰减/放大倍数实现，就电压表来说，其输入测试电压大于其AD转换器的输入范围，所以他的量程切换基本上是信号衰减倍数切换的过程。
随着技术与经济的发展，量程自动转换式测量仪器将会越来越多的被普遍使用并最终完全取代老一代的手动选择量程的测量仪器。
2.总体方案设计
2.1方案比较
设计一个自适应直流电压测试仪，该电压测试仪具有下述功能：
（1）测量范围：
电压：
100mV~1000V；
（2）工作方式：
自适应；
（3）显示方式：
四位数码管。
2.2方案比较
方案一：
积分式直流数字电压表的设计方案
图2.1积分式直流数字电压表的原理框图
主要由模拟和数字两部分构成。
模拟电路部分为被测电压信号通过自动量程选择电路，采用双积分A／D转换成数字信号，双积分A／D转换器是由OP07集成运放和LM393运算放大器组成，利用CD4066电子开关来实现自动校零和量程转换功能。
数字电路部分以AT89S52为核心，控制由光电耦合器6N137耦合过来的数字信号，由6位数码管LED自动显示量程和电压值。
其设计原理框图如图2.2。
方案二：
自动量程转换数字电压表的设计方案
图2.2自适应直流电压测试仪的原理框图
该系统以MC14433为电路的核心器件，搭建一些其他元件而构成的自动转换量程数字电压表的设计方案，其原理方框图如图2.3。
自动量程切换电路主要由MC14433的过量程标志位引脚和移位寄存器CC40194共同实现。
分压电路则由四双向模拟开关CC4066和特定值电阻构成。
MC14433器件实现A/D转换功能，输出转换后的电压。
数字显示电路由七达林顿驱动器MC1413、七段译码器CD4511和共阴极数码管组成。
2.3方案论证
方案一：
CD4066电子开关可对噪声和某些特定频率（如工频）的干扰有非常好的抑制作用，因而，非常适合在噪声和工频干扰严重的环境中。
光电耦合器6N137能有效地抑制尖脉冲和各种噪声，使信噪比大为提高，其响应延迟时间只有10斗s左右，响应速度快，实现了模拟信号与数字信号的隔离。
由于积分电容的温度稳定性差，并且OP07运放的温度稳定性不理想，失调电流大，都易造成误差分布不均。
方案二：
该电路是以A／D转换器MCl4433芯片为核心组成的3位半数字电压测量电路，同时外接分压电路和量程自动切换电路，但都离不开MC14433的共参与和反馈，间接增大MC14433的功能。
从原理框图和各器件的类型，体现出它具有外接元件少、功耗低、精度高、性能稳定及使用方便等优点。
2.4方案选择
根据上述两个方案的方案论证，综合两方案的优缺点以及这次设计的要求：
测量范围：
电压：
100mV~1000V；工作方式：
自适应；显示方式：
四位数码管。
我选择了方案二作为本次设计的采用方案。
3.单元模块电路简介与设计
该设计所包含的主要模块有自动量程切换电路、A/D转换电路和数字显示电路和电源四个模块，下面对各个模块及其电路和所用到的元件做一个简单的介绍。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1自动量程切换电路模块
图3.1自动量程切换电路模块
利用MC14433的超量程信号¯OR,可直接用来控制双向移位寄存器CC40194的移位方向，其移位脉冲CP由MC14433的EOC、DS1、DS2、Q0组成。
信号超过当前量，¯OR=0且MC14433在位选通信号DS1的输出Q0=1,形成一个移位脉冲送到移位寄存器，使之产生一次位移。
因S1=0.S0=0使CC40194向右移升量程；欠量程时¯OR=1，Q0=1,但S1=1.S0=0使74ls194向左移降量程；
3.1.2A/D转换电路模块
图3.2A/D转换电路图
在电路中，其起核心作用的就是A/D转化器MC14433。
MCl403为基准电压源电路，为MCl4433提供高精度、高稳定的参考电源，当参考电压分别为200mV和2V时，电压量程分别为199．9mV和1．999V。
该电路主要包括时钟振荡器，3½位十进制计数器，锁存器，多路选择开关，控制逻辑，极性检测器和超量程指示器。
A/D转换器MC14433的输入信号从第三脚输入，输入的是模拟信号，经过A/D转换后，从Q0,Q1,Q2,Q3口输出为BCD码的形式，DS1,DS2,DS3,DS4为选通信号端，决定哪一位输出信号，将输出的信号送入锁存器的输入端口，将选通信号送到锁存器的使能端。
其工作原理图如图3.2。
3.1.3数字显示电路模块
图3.3数字显示电路图
该电路主要由七达林顿驱动器MC1413、七段译码器CD4511和三位半共阴极数码管组成。
CD4511接受MC14433输出的BCD码，经译码后送给4个LED七段数码管，四个LED七段数码管的a-g分别并联在一起。
四个LED七段数码管的片选信号来自达林顿驱动器MC1413驱动的MC14433位选信号DS1-DS4，当某位选通信号为高电平时，相应位的数据被显示。
小数点设在从低位起的第一位和第二位之间。
EOC为脉宽为T0/2的窄脉冲，且当EOC正脉冲过后按照百位、十位、个位小数点后一位的顺序依次选通数码管，A/D转换器相应地依次将各位数据送至CD4511。
电压显示的极性符号“-”由MC14433的Q2端控制，当输入负电压时，Q2=0，“-”通过电阻R12点亮；当输入正电压时，Q2=1，“-”熄灭，小数点由电阻R11点亮。
数码管动态显示各位数据，显示读数=V0*200.0/Vref,调整电位器R7使Vref=2V。
其电路原理图如图3.3所示。
3.1.4电源模块
电源电路主要是为系统提供电源，整个系统用5V和-5V电压的电源，所以采用下面这种正负电压型电源。
原理图如下图3.4：
图3.45V和-5V电源电路图
7805为三端稳压电路，主要的三端稳压电路属性如表3.1所示：
参数型号
极性
PD（w）
Vi（v）
Vo（v）
Iq（A）
封装
7805
＋
0.625/10
30
5±0.25
0.055/1
T0.92T0.220
7806
＋
0.625/10
30
6±0.3
0.060/1
T0.92T0.220
7809
＋
0.625/10
30
9±0.45
0.060/1
T0.92T0.220
7812
＋
0.625/10
30
12±0.6
0.060/1
T0.92T0.220
7905
－
0.625/10
30
5±0.25
0.055/1
T0.92T0.220
7906
－
0.625/10
30
6±0.3
0.060/1
T0.92T0.220
7909
－
0.625/10
30
9±0.45
0.060/1
T0.92T0.220
7912
－
0.625/10
30
12±0.6
0.060/1
T0.92T0.220
表3.1三端稳压电路
3.2特殊元件的介绍
3.2.1MC14433
图3.5MC14433内部结构引脚功能图
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。
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。
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采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考图3.5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。
3.2.2CD4511
图3.6CD4511引脚功能图及其真值表
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，引脚分配和真值表参见图3.6。
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
3.2.3MC1413
图3.7MC1413内部结构及管脚功能图
MC1413是七路达林顿驱动器阵列，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3.7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。
3.2.4CC40194
CC40194为4位通用移位寄存器，具有并行输入/并行输出，左移、右移等功能。
其工作模式由控制输入端S1和S0是用来进行移位方向控制的，S0为高电平时，移位寄存器处于向左移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以实现串行输入；在S1为低电平时，移位寄存器处于向右移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下逐位移出寄存器（低位在前，高位在后）。
其逻辑符号及管脚图如图3.8。
在串行输入、并行输出的转换中，若将四位二进制数码全部送入寄存器内（四位寄存器）。
由于每个CP脉冲移位寄存器只移一位，四位二进制数码需要四个CP脉冲。
但若四位二进制数码还含有其它检验码（如奇偶校验码），则总数码有几位就需要几个CP脉冲。
图3.8CC40194逻辑图及管脚图
其中D0、D1、D2、D3为并行输入端，Q0、Q1、Q2、Q3为并行输出端，SR为右移串行输入端，SL为左移串行输入端，S1、S0为操作模式控制端，CR非为直接无条件清零端，CP为时钟脉冲输入端。
CC40194有五种不同操作模式：
并行送数寄存，右移（方向由Q0-Q3），左移（方向由Q0-Q3），保持及清零。
其S1、S0和CR非端的控制作用如表3.2。
输入
输出
功能
CP
CR非
S1
S0
SR
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
清除
×
0
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
送数
上升沿
1
1
1
×
a
b
c
d
a
b
c
d
右移
上升沿
1
0
1
DSR
×
×
×
×
DSR
Q0
Q1
Q2
左移
上升沿
1
1
0
×
×
×
×
×
Q1
Q2
Q3
DSL
保持
上升沿
1
0
0
×
×
×
×
×
Q0n
Q1n
Q2n
Q3n
下降沿
1
×
×
×
×
×
×
×
Q0n
Q1n
Q2n
Q3n
表3.2S1、S0和CR非端的控制作用表
3.2.5CC4013
CC4013是一种双上升沿D触发器，由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出。
此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
其功能表如表3.3。
引出端符号：
1D－2D数据输入端
1CP－2CP时钟输入端
1SD－2SD，1RD－2RD直接复位端
1Q－2Q原码输出端
1Q－2Q反码输出端
VDD正电源
Vss地
输入
输出
CP
D
RD
SD
Q
Q非
上升沿
L
L
L
L
H
上升沿
H
L
L
H
L
下升沿
×
L
L
保持
×
×
H
L
L
H
×
×
L
H
H
L
×
×
H
H
H
表3.3CC4013的功能表
3.2.6CC4066
CC4066是四双向开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输，引出端排列与CC4016一致，但具有比较低的导通阻抗。
另外导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。
CC4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p和n器件在控制信号作用下同时开关。
这种结构消除了开关晶体管阀值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。
其管脚图如图3.9（a）,Vdd为正电源，Vss端可以接地也可以接负电源，接负电源可以增大关断电阻。
图3.9（b）为其中一个模拟开关的逻辑图。
（a）CC4066管脚图（b）逻辑图
图3.9CC4066管脚图及逻辑图
引出端符号：
1C-4C开关控制端
1I/O-4I/O输入/输出端
1O/I-4O/I输出/输入端
Vdd正电源
Vss地
与单通道开关相
升级会员 