三位半数字电压表电路设计文档格式.docx
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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个实现数字电压表的方案;
只要求写出实现工作原理,画出电原理功能图,描述其功能。
2、对将要实验方案,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。
3、技术指标:
测量直流电压1999-1V;
199.9-0.1V;
19.99-0.01V;
1.999-0.001V;
测量交流电压1999-199V。
三、方案设计与论证
1、主控芯片
方案1:
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。
方案2:
选用专用电压转化芯片INC7107实现电压的测量和控制。
它包含31/2位数字A/D转换器,可直接驱动LED数码管。
用四位数码管显示出最后的转换电压结果。
缺点是精度比较低,且部电压转换和控制部分不可控制。
优点是价格低廉。
方案3:
选用单片机AT89S52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。
基于课程设计的要求,我们优先选用了:
方案1
2、显示部分
方案1:
选用4个单体的共阴数码管。
优点是价格比较便宜;
缺点是焊接时比较麻烦,容易出错。
选用点阵显示器。
优点是能显示文字和数字;
缺点是其部结构较为复杂,不易连接。
方案3:
选用液晶显示器。
优点是能显示大量的文字、数字和图形,而且清晰化程度高;
缺点是成本高。
四、设计原理及电路图
(1)数字电压表原理框图如下:
方案1的原理框图如图a所示;
方案2的原理框图如图b所示;
方案3的原理框图如图c所示。
基准电压
积分RC元件
31/2位A/D电路
字形译码驱动电路
显示电路
字位驱
动电路
量程选择
图a
直流稳压
电压转化芯片INC7107
显示电路
图b
AT89S52
主控系统
显示模块
A/D转换模块
量程选择模块
图c
鉴于选用方案一,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,31/2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.
各个模块设计如下:
量程转换模块
Output
采用多量程选择的分压电阻网络,可设计四个分压电阻大小分别为900KΩ,90KΩ,9KΩ和1KΩ。
用无触点模拟开关实现量程的切换。
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A/D转换器作参考电压.
31/2位A/D电路模块
直流数字电压表的核心器件是一个间接型A/D转换器,这个模块由MC14433和积分元件构成,将输入的模拟信号转换成数字信号。
字形译码驱动电路模块
这个模块由MC4511构成,将二—十进制(BCD)码转换成七段信号。
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A/D转换结果。
(2)实验芯片简介:
数字显示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MC14433—三位半A/D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。
本系统是三位半数字电压表,三位半是指十进制数0000~1999。
所谓3位是指个位、十位、百位,其数字围均为0~9,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。
各部分的功能如下:
三位半A/D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A/D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A/D转换结果。
工作过程如下:
三位半数字电压表通过位选信号DS1~DS4进行动态扫描显示,由于MC14433电路的A/D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。
DS1~DS4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Q0~Q3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,Q0~Q3输出BCD全位数据,即以8421码方式输出对应的数字0~9.在DS1选通期间,Q0~Q3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Q0~Q3的输出容如下:
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MC1413中的一只晶体管控制,符号位的“-’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“-”(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“-”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超过量程围时,输出过量程标志信号。
当Q3=0,Q0=1时,表示Ux处于过量程状态;
当Q3=1,Q0=1时,表示Ux处于欠量程状态。
当=0时,|UX|>
1999,则溢出。
|UX|>
UR则输出低电平。
当=1时,表示|UX|<
UR。
平时OR输出为高电平,表示被测量在量程。
MC14433的端与MC4511的消隐端直接相连,当UX超出量程围时,输出低电平,即=0→=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。
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部具有时钟发生器,它通过外接电阻构成的反馈,井利用部电容形成振荡,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。
若时钟频率为66kHz,CI一般取0.1μF。
RI的选取与量程有关,量程为2V时,取RI为470kΩ;
量程为200mV时,取RI为27kΩ。
选取RI和CI的计算公式如下:
式中,ΔUC为积分电容上充电电压幅度,ΔUC=VDD-UX(max)-ΔU,ΔU=0.5V,
例如,假定CI=0.1μF,VDD=5V,fCLK=66kHz。
当UX(max)=2V时,代入上式可得RI=480kΩ,取RI=470kΩ。
MC14433设计了自动调零线路,足以保证精确的转换结果。
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。
MC14433采用24引线双列直插式封装,外引线排列,参考图1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。
2.七段锁存-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:
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。
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。
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;
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用8条引线双列直插标准封装,如图4所示。
图1数字电压表结构图
五、元器件清单
(1)MC144331片
(2)CD45111片
(3)MC14131片
(4)MC14031片
(5)CC45011片
(6)74LS1941片
(7)LM3241片
(8)七段显示器4片
(9)电阻、电容、导线等
六、参数计算
积分电阻电容的选择:
若时钟频率为66kHz,CI一般取0.1μF。
RI的选取与量程有关。
量程为2V时,取RI为470kΩ;
量程为200mV时,取RI为27kΩ。
选取RI和CI的计算公式如下:
RI=UX(MAX)*T/(CI*ΔUC)
式中,ΔUC为积分电容上充电电压幅度,
ΔUC=VDD-UX(MAX)-ΔU,ΔU=0.5V;
T=4000/fclk
例如,假定CI=0.1μF,VDD=5V,fCLK=66kHz。
当UX(max)=2V时,代入上式可得RI=480kΩ,取RI=470kΩ。
MC14433设计了自动调零线路,足以保证精确的转换结果。
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。
七、结论与心得
本次课程设计通过对A/D转换器的认真学习以及对中、小规模集成电路有了更进一步的熟悉,我了解了设计电路的程序,也让我了解了数字电压表的原理和设计理念。
实际操作和课本上的知识有很大联系,但又高于课本,一个看似很简单的电路,要动手把它设计出来就比较困难了,因为是设计要求我们在以后的学习中注意这一点,要把课本上所学到的知识和实际联系起来,同时通过本次电路的设计,不但巩固了所学知识,也是我们把理论与实践从真正意义上结合起来,增强了学习的综合能力。
通过这次设计不仅锻炼了我们的团队协作精神,而且提高了创新能力。
这次试验中,在收获知识的同时,还收获了阅历,收获了成熟。
在此过程中,我们通过查找大量资料,请教老师,以及不懈的努力,不仅培养了独立思考、动手操作的能力。
在各种其他方面的能力上也都有了提高,而且在与老师和同学的交流过程中,互动学习,将知识融会贯通。
更重要的是我们学会了很多学习的方法,而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战,只有不断学习、实践、再学习、再实践。
不管怎样,这些都是一种锻炼,一种知识的完全积累,可以把这个当做基础东西,只有掌握了这些最基础的,才可以更进一步,取得更好的成绩。
参考文献
(1)高吉祥▪《电子技术基础实验与课程设计》▪电子工业▪2002年2月
(2)黄永定▪《电子线路试验与课程设计》▪机械工业▪2005年8月
(3)启棕、玉柏▪《DSP技术》▪电子科技大学▪1997年
(4)广弟、朱月秀、冷祖祁▪《单片机基础》第三版▪航天航空大学▪2007年6月
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- 三位 半数 电压表 电路设计