三位半数字电压表设计方案.docx

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三位半数字电压表设计方案

摘要：

当今社会是信息科技的时代，科技技术发展日新月异，科学发展的程度是各国竞争的核心力量，尤其是电子信息技术显得更加重要。

在信息处理技术，模数混合系统中，对模拟信号的采样一般是使用专计电路比较复杂，用到集成芯片比较多，给设计带来不便。

为克服这些缺点，这次设计中采用了高级集成芯片ICL7107作为对模拟信号的采样，使设计更简单，可靠性得到提高。

本题目介绍的是三位半数字电压表的设计，本次设计主要包括了对电压表的基本构成，双积分型A/D转换器的工作原理以及通用数字电压表的设计方法与调试技术的学习研究，采用集成芯片TL7107作为数字电压表的A/D转化及锁存和译码模块，使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。

TL7107采用大电流反向输出，静态驱动共阴极LED数码管，由±5V双电源供电，显示亮度高但耗电较大，适合制作小型的三位半数字电压表。

该系统设计能够实现0～199mV 、0～1.99V、 0～19.99V、 0～199.9V、 0～1999.9V，共五个量程电压值的测量。

做成电路板，进行测试，可得到测试结果. 

一、绪论

   在数字和显示技术中，为了实现数字显示，需要把连续变化的模拟量变化成数字量，这宗变化就是A/D转化。

为了使模拟量变化成数字量，必须经过取样、量化过程。

量化单位越小，整量化的误差就越小，数字量就越接近连续量本真的值。

数字式仪表是能把连续的被测量自动地变成断续的、用数字编码方式的、并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。

它把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起。

成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支。

数字电压表简称DVM，它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。

数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。

数字电压表具备了很多传统模拟仪表所不能相比拟的优势特点。

二、三位半数字电压表的设计方案 

2.1题目及设计目的

1、题目：

3 1/2位数字电压表 2、设计目的：

通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法，同时复习、巩固以往的模电、数电内容。

2.2 设计要求 

（1） 测量范围：

直流电压 0V 一 1.999V，0V 一 199.9mV。

（2）  组装调试 3位半数字电压表。

 （3）  画出数字电压表结构图，写出心得体会。

2.3 方案设计 

设计：

主要器件由芯片MC14433和共阴极半导体组成。

MC1443是美国摩托罗拉公司生产的单片3位半A/D转换器，它适合构成带B码输出的3位半LED显示数字电压表，是目前应用较为普遍的一种低速A/D转换器。

MC14433的性能特点：

（1）MC14433属于CMOS大规模集成电路，其转换准确度为±0.05%。

内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。

能获得超量程（OR）、欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程能增加读数保持（HOLD）功能。

电压量程分两挡：

200mV、2V，最大显示值分别为199.9mV、1.999V。

量程与基准电压呈1∶1的关系，即UM＝UREF。

（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式，通常选用共阴极LED数管。

 （3）有多路调制的BCD码输出，可直接配μP构成智能仪表。

 （4）工作电压范围是±4.5 V～±8V，典型值为±5V，功耗约8mW。

仿真：

主要器件由芯片TC7102共阴LED组成。

 由于TC7102是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模CMOS集成电路，因此本方案主要有以下特点：

（1）采用单电源供电，可使用9V迭层电池，有助于实现仪表的小型化。

（2）芯片内部有异或门输出电路，能直接驱动LED。

  （3）功耗低。

芯片本身消耗电流仅1.8mA，功耗约16mV。

 （4）输入阻抗极高，对输入信号无衰减作用。

 （5）能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性的功能。

 （6）噪声低，失调温标和增益温标均很小。

具有良好的可靠性，使用寿命长。

 （7）整机组装方便，无须外加有源器件，可以很方便地进行功能检查。

 2.4方案选择 

在设计思路上我们选择了MC14433，但由于在各个仿真软件中，我们无法找到MC14433元器件，故我们采用在思路上选择MC14433设计，仿真环节采用TC7102，这样既能有效地了解实验原理，更能仿真出实验结果。

三、三位半数字电压表的硬件电路设计

3.1MC14433引脚功能说明 

MC14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考图所示的引脚标注.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QQ3 的BCD 代码是该对应位上的数据。

 （20）23Q0-Q3A／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。

IMC14433管脚图

3.2工作过程分析 

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DS3和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09．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的输出内容如下：

   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，Q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超过量程范围时，输出过量程标志信号OR---。

当OR--- = 0 时，|UX|>1999，则溢出。

|UX|>UR则OR---输出低电平。

当OR--- = 1时，表示|UX|

平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内。

MC14433的OR---端与MC4511的消隐端BI--- 直接相连，当UX超出量程范围时，OR---输出低电平，即OR--- = 0 →BI--- = 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。

 3.3.1三位半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。

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）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。

3.2.1七段锁存-译码-驱动器

CD4511CD4511 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。

） 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：

 ① LT （LAMP TEST）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。

 ② BI （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。

3.3显示电路 

从MC14433输出的BCD码经过CD4511译码后，连接到四个七段数码管，其中千位只连接b,c和g端，使其只显示1和负号，如图所示。

3.3.1读数保持电路 

当开关S断开时能正常进行A/D转换，显示值被不断地刷新；闭合S时DU＝0，A/D 转换结果就长期保持下来，此时A/D 处于锁存状态。

保持时间即开关闭合时间，如图所示。

电压跟随器和AC-DC转换电路 

电压跟随器的作用是保护电路，使后级电路不承受超出安全值的电压。

经过电压跟随器后半波整流后的平均值与有效值之间的关系如下图所示，下图中的IC1进行半波整流，IC2是平均值-有效值变换电路，其作用是将经半波整流后得到的输出电压加以平滑和放大，将V放大到有效值，放大倍数A=V/V,=2.22，如图所示。

3.4TC7107的介绍

3.4.1TC7107的概述

TC7107A 3-1/2位直接显示驱动模数转换器允许升级基TC7107的现有系统。

每个器件都有最大温度系数为20ppm/°C的精密参考电压。

这表示在类似3-1/2位转换器上有4至7倍的提高。

无需更改外部无源组件值就可以升级基于TC7106和TC7107的现有系统。

TC7107A使用每段8 mA的电流直接驱动共阳极发光二极管（Light Emitting Diode，LED）显示屏。

低成本、高分辨率的指示电表只需要1个显示屏、4个电阻和4个电容。

TC7102的低功耗和9V电池操作的特性使其非常适合于便携式应用TC7107A可降低线性误差，使其小于1个计数。

翻转误差——等幅值与极性相反的漏电流输入信号读数之间的差值小于±1个计数。

高阻抗差分输入可提供1p的漏电流和1012Ω的输入阻抗。

差分参考输入允许进行电阻比例测量或桥式传感器测量。

15µVP–P的噪声性能确保读数非常稳定。

自动调零周期确保了输入电压为零时显示屏读数也为零。

3.4.2特性：

 低温漂的内部参考电压：

-TC7106/TC7107：

80ppm/°C（典型值）-

TC7106A/TC7107A：

20ppm/°C（典型值）

直接驱动LCD（TC7106）或D（C7107）

显示屏

输入为零时读数为零噪声低，显示稳定

自动调零周期免除了调零需要

用于精密零检测应用的真正极性指示方便的T106A）

 高阻抗CMOS差分输入：

1012Ω• 差分参考输入简化比例测量

 低功耗运行：

10Mw

3.4.3应用：

 温度测量

 桥式读数：

应变计、负载传感器和零值检波器

数字电表：

电压／电流／电阻／功率以及pH

 数字秤和进程监视器便携式装置

四、电路仿真

4．1仿真软件介绍 

Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。

Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。

此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。

这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响， Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。

Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。

 4.2电路仿真

进行电路仿真，完成原理图如图所示。

 运用PROTEUS软件仿真电路图：

五、结束语

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。

这次试验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟。

附录一

元器件清单列表：

TC7107非极性电阻、电容、电位器数码显示管电感二极管三极管电容开关