数字直流电压表设计.docx
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数字直流电压表设计
电子技术
课程设计报告
题目名称:
直流数字电压表的设计
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班级:
指导教师:
一·摘要
二·课程设计与任务要求
(一)设计目的
(二)设计要求
三·总体设计思路与方案选择
四·所用器件介绍
(一)双积分MC14433功能介绍
(二)MC14511B功能介绍
(三)MC1413功能介绍
(四)基准电源MC1403功能介绍
五·设计框图与工作原理,测量电压的转换与显示原理
六·数字电压表的安装调试
七·元器件清单
八·心得体会
九·参考文献
直流数字电压表
一·摘要:
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,读数时也非常的方便,抗干扰能力强等优点而被广泛应用。
数字电压表(DigitalVoltmeter)简称DVM,由电阻网络(量程调整)、直流放大(运放组成)、电压极性判断、A/D转换、数码(液晶)显示等部分组成。
PZ158A系列直流数字电压表具有6½位显示,可测量0.1µV—1000V直流电压。
该表由于采用了微处理器和脉冲调宽模数转换技术,自动校零,数字模拟滤波等技术,从而赋予本表极其稳定的零位和良好的线性和抗干扰能力,本表还带有RS232C接口,可方便地与计算机系统相连接,组成数据采集系统。
采用八位VFD或LED显示,其中PZ158A/1为单量程(0.2V)VFD显示,读数清晰,光色柔和,适宜在科研、工业、国防等各种领域内使用。
本设计给出基于MC14433双积分模数转换器的一种电压测量电路。
数字电压表是采用数字化测量技术,把连续的模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
该系统由MC144333位半A\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、MC4543BCD七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。
本次设计的简单直流数字电压表的具体功能是:
最高量程为1999V,分四个档位量程,即0~1.999V,0~19.99V0~199.9V,0~1999V,可以通过调档开关来实现各个档位。
直流数字电压表具有如下特点:
1显示清晰直观,读数准确;
2准确度高;
3分辨率高;
4测量范围宽;
5扩展能力强;
6集成度高,功耗低;
7抗干扰能力强。
二·课程设计任务与要求
2.1设计目的:
1了解直流数字电压表的基本构成,熟悉3位半双积分型A/D转换器MC14433(TC14433)的性能及其引脚功能;
2.掌握通用直流数字电压表的设计方法、测试与调试技术。
3掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A/D转换器件的设计方法;
4加强计算机运用·查阅资料和独立完成电路设计的能力;
2.2设计要求:
1)设计直流数字电压表;
2直流电压测量范围:
0V~1.999V,0V~19.99V,0V~199.9V,0V~1999V。
3)直流输入电阻大于100kΩ。
4)画出完整的设计电路图,写出总结报告。
5)选做内容:
自动量程转换。
三·总体设计思路与方案选择
方案选择:
根据设计要求和功能的实现,我们考虑了如下三个方案:
由于MC14433具有功耗低,外接元件少,输入阻抗高,电源电压范围宽,可测量正负电压值,精度高,调试简单等特点,且具有自动调零和自动极性转换功能。
所以选择方案三。
其原理框图为:
四·所用器件介绍,课程设计框图与工作原理:
(一)双积分MC14433功能介绍
图2是双积分ADC的电路原理图。
电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。
由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。
当QS=0时,积分器对取样电压做定时积分;当QS=1时,积分器对基准电压-VREF做定压积分。
与-VREF电压极性相反,这里设取样电压为正,则-VREF为负。
1.定时积分
在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。
启动信号S输入负窄脉冲(S=0),使计数器、JK触发器QS清零,开关S1选择取样电压作积分器输入。
同时开关S2闭合,使积分电容放电,=0。
负脉冲消失后(S=1),开关S2断开,积分器对取样电压做积分,积分器输出电压下降,,比较器输出逻辑1。
允许n位二进制计数器对周期脉冲CP计数。
当进位C=1时,下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS=1,定时积分结束,定压积分开始。
取启动信号S的负脉冲刚消失的时刻为时间零点,并设时钟脉冲CP的周期为TCP。
则对取样电压的积分时间T1为
T1=2nTCP
是确定不变的。
积分器输出电压为
积分器输出电压与时间成线性关系,其斜率是负的,与取样电压和积分器的时间常数RC有关。
越大,负斜率也越大。
定时积分的工作波形如图3所示,图中绘出了2个取样电压的情况。
定时积分结束时的积分器输出电压为
与取样电压成正比。
2.定压积分
在定时积分期间,当计数器的进位C=1时,下一个CP脉冲使计数器复零和JK触发器QS=1,开关S1选择基准电压-VREF,积分器开始对基准电压-VREF做定压积分。
由于比较器输出逻辑1,计数器从0继续计数。
与此同时,积分器输出电压上升
积分器输出电压同样与时间成线性关系,其斜率是正常数,与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。
定压积分的工作波形如图11.3.9所示。
当时,比较器输出逻辑0,计数器停止计数,并保持计数结果BZ(通常为自然二进制数)。
从定压积分开始到计数器刚停止计数()的时间T2为
并且,在计数器停止计数时刻,积分器输出电压为0,即
所以
定压积分时间T2与取样电压成正比。
在此期间,计数器从0开始对周期脉冲CP计数,直到停止并保持计数值BZ。
所以
计数器的二进制数与取样电压成正比,是取样电压对应的数字量。
实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步,导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。
故上式应修正为
的单位模拟电压LSB为
本设计运用MC14433实现双积分ADC模数转换功能。
MC14433引脚功能说明:
MC14433采用24引线双列直插式封装,外引线排列如图1-5所示,各引脚功能如下:
图1-5 MC14433引脚图
VDDVEE
正负电源输入端
VAGVSS
模拟地和接地端
Vref
基准电压端
VX
被测电压输入端
R1
外接积分电阻端
R1/C1
外接积分元件电阻和电容的接点
C1
外接积分电容端
C01C02
失调补偿电容端
DU
实时输出控制端
时钟信号输入输出端
转换周期结束标志输出端
过量程标志输出端
~
个位、十位、百位和千位输出标志端
~
BCD码输出端
其输出选通脉冲时序图如下
MC14433输出选通脉冲时序图
(二)MC14511B功能介绍:
本设计采用的MC14511B引脚图如下:
端为输入端,ABCD为四位BCD码输入
~为输出端。
当输出为高电平时显示器对应段亮
VDDVSS端:
正负电源端。
LE端:
锁存允许端,当LE=“1”时,处于锁存状态,锁封输入,此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码;当LE=“0”时,处于选通状态,输出即为输入的代码。
由此可见,利用LE端的控制作用可以讲某一时刻的输入BCD代码寄存下来
使输出不再随输入变化。
灯测试端。
当=“0”时,七段译码器输出全为“1”,发光数码管各段全亮显示;当=“1”时译码器输出状态由端控制。
消隐端。
当=“0”时,控制译码器为全“0”输出,发光数码管各段全亮显示;当=“1”时,译码器正常输出,发光数码管正常显示。
由以上可知。
消隐端灯测试端锁存允许端共同实现锁存译码功能。
当LE=“1”时,处于锁存状态,锁封输入,此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码;当LE=“0”时,处于选通状态。
(三)MC1413功能介绍
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OC门)。
MC1413电路结构和引脚如图1-8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抑制二极管。
图1-8MC1413引脚和电路内部结构图图1-9MC1403引脚图
(四)基准电源MC1403功能介绍
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躁声小;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;④输出电压值准确度较高,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。
MC1403采用8引线双列直插标准封装,如上图1-9所示。
在本设计中通过电阻分压为MC14433提供精确的2V参考电压。
五·设计框图与工作原理,测量电压的转换与显示原理:
基于MC14433设计的数字直流电压表图:
5.1).被测直流电压VX经A/D转换后以动态扫描形式输出,数字量输出端Q0Q1Q2Q3上的数字信号经七段译码器CC4511译码后顺序输出。
位选信号DS1~DS4通过位选开关MC1413分别控制着千/百/十/个位上的4只LED数码管的阴极。
由于选通重复频率较高,看到四位数码管同时显示的效果。
5.2)当参考电压VR=2V时,满量程显示1.999V;VR=200mV时,满量程为199.9mV。
可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h段经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。
选作自动量程控制!
5.3).最高位(千位)显示时,只接LED数码管的b、c段,千位只显示1或不显示,用千位的g段来显示模拟量的负值(正值不显示),由MC14433的Q2端.通过MC1413的负极性控制g段。
5.4).精密基准电源MC1403:
A/D转换采用MC1403集成精密稳压源作A/D转换的参考电压,MC1403的输出电压为2.5V,电压变化在3~0.6mV.输出最大电流为10mA。
5.5)MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构,电流增益大,输入阻抗高,能把电压信号转换成电流信号驱动各种负载。
电路内含有7个集电极开路反相器(OC门)。
MC1413电路为16引脚双列直插式封装。
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。
5.6)数码显示电路部分仿真见下图:
5.7)工作原理:
数字电压表将被测模拟量转化为数字量,并进行实时数字显示。
该系统由MC14433位半A\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CC4511七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。
各部分的功能如下:
1)3位半A\D转换器(MC14433):
将输入的模拟信号转化成数字信号。
2)基准电源(MC1403):
提供精密电压,供A\D转换器作参考电压。
3)译码器(CC4511):
将二-十进制(BCD)码转换成七段信号。
4)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。
5)显示器:
将译码器输出的七段信号进行数字显示,读出A\D转换结果。
六·数字电压表的安装调试
6.1.数码显示部分的组装与调试
1)先将后三位数码管同名笔划段与显示译码CC4511的相应输出端连在一起,最高位数码管只将b、c、g三笔划段
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- 数字 直流 电压表 设计