数字万用表设计.docx
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数字万用表设计.docx
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数字万用表设计
第一章设计总阐述
1.1方案阐述
本设计是由5个模块组成:
直流电源部分、A/D转换电路、码制转换电路、秒定时电路、报警显示电路模块。
直流电源部分采用5V电源。
A/D转换电路采用八路(八位八通道A/D转换器),将8路信号输入选择八位二进制码输出,进行码制转换。
从而再用译码器和数码显示管完成数字显示。
秒定时电路采用555时基电路构成单稳态触发器。
报警电路采用多个三极管,555多谐振荡器和发光二极管组成。
1.2产品概述:
用途:
适用于通信电缆施工、维修及设备安装过程中,对线排序及寻找特定线对的操作。
性能:
具有高性能、低功耗、小体积、重量轻和音量可调,它将为你的对线操作带来方便、轻松和高效率。
特点:
该装置查线速度快、现实直观、可以单人校线,还可以复校、结构简单、成本低廉、不易发生故障、工作可靠。
第二章模块化设计
设计原理:
如图所示,给定各芯线与其相连电阻下标相同的号码1、2、3、…X,…m(1~m)。
Vs在Rx上形成分压
Vx=(Rx/Ro+Rx)*Vs
并可在近端测量得到。
由于Vx必定已知,从而可测定当前被测芯线的号码是第几。
但Vx不必读出,可以将其进行A/D转换,译码,数字显示后直接读出数字1~m中的一个,就是该芯线的预设号码。
为了A/D便于转换,R1~Rm的取值原则应满足如下条件:
(Rx+1/Ro+Rx+1-Rx/Ro+Rx)*Vs=△Vs
式中:
Vs是常量即电源电压值。
△Vs是转换器的参考电压和转换阶梯;Vx是第x级取样电压下限值。
A/D
转
换
译码转换
译码显示
显示时间控制
2.1A/D转换部分
1)它具有八路模拟信号输入选择,八位二进制码输出的一个逐次比较A/D转换器。
输入端受地址译码器输出的控制。
本设计选择模拟通道1N0输入,则地址预置在ADDC、ADDB、ADDA=000。
当地址锁存允许ALE=1时,输入1N0的模拟信号送入A/D转换器。
2)ADC0809
1.主要特性
1)8路8位A/D转换器,即分辨率8位。
2)具有转换起停控制端。
3)转换时间为100μs
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW。
2.内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构如图2所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。
8路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
因此,ADC0809可处理8路模拟量输入,且有三态输出能力,既可与各种微处理器相连,也可单独工作。
输入输出与TTL兼容。
图2
3.外部特性(引脚功能)
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如图3所示。
下面说明各引脚功能。
图3
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START:
A/D转换启动信号,输入,高电平有效。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
地。
4.ADC0809的工作过程是:
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。
地址输入和控制线:
4条
数字量输出及控制线:
11条
ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。
当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A,B和C为地址输入线,用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入。
ADDA、ADDB、ADDC真值表
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行A/D转换;在转换期间,ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=1,输出转换得到的数据;OE=0,输出数据线呈高阻状态。
D7-D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ,
5.ADC0809对输入模拟量要求:
信号单极性,电压范围是0-5V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。
6.ADC0809应用说明
(1).ADC0809内部带有输出锁存器,可以与AT89S51单片机直接相连。
(2).初始化时,使ST和OE信号全为低电平。
(3).送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。
(4).在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
(5).是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。
(6).当EOC变为高电平时,这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。
2.2码制转换电路
本设计要求将5位二进制码转换成8421BCD码,再用译码器和数码完成数字显示。
示意图如下:
{D20D10D8D4D2D1}8421码
码制转换电路
(2-12-22-32-42-5)2
码制转换示意图
此时必须要加修正电路。
变换原理图如下:
B4B3B2B1B0
修正电路(Ⅰ)
修正电路(Ⅱ)
D20D10D8D4D2D1
交换原理图
本设计中的修正电路包括大于(4)10的判别电路和(3)10电路,判别电路可用四位二进制比较器7485,加(3)10电路可用74283全加器实现。
如下图所示:
2.3秒定时电路
秒定时电路采用555时基电路构成单稳态触发器。
555定时器电路是一块介于模与数字电路的一种混合电路,由于这种特殊的地位,故555定时电路在报警电路、控制电路得到了广泛的应用。
下图为555的内部电路,从图上可以看出,其仅有两个比较器、一个触发器、一个倒相器、放电管和几个电阻构成,由于比较器电路是一个模拟器,而触发器电路为数字电路,故其为混合器件
图555定时器内部电路图
555定时器组成及其引脚图
555为一8脚封装的器件,其各引脚的名称和作用如下:
1脚—GND,接地脚
2脚—TL,低电平触发端
3脚—Q,电路的输出端
4脚—/RD,复位端,低电平有效
5脚—V_C,电压控制端
6脚—TH,阈值输入端
7脚—DIS,放电端
8脚—VCC,电源电压端,其电压范围为:
3~18V
555的功能描述
其工作原理如下:
比较器C1的反向输入端U6(接引脚6)称为阈值输入端,用TH来表示,比较器C2的同向输入端U2(接引脚2)称触发输入端,用TR标注。
C1和C2的参考电压(电压比较的基准)UR1和UR2由电源UCC经三个5kΩ的电阻分压给出。
当控制电压输入端UCO悬空时,
,
;若UCO外接固定电压,则
。
RD为异步置0端(对应管脚4),只要在RD端加入低电平,无论U6、U2的输入电平如何,基本RS触发器就置0,电路输出UO为零。
平时
处于高电平;管脚6称为高触发端,该引脚的电平与
作比较;管脚2称为低触发端,该引脚与
作比较,所以在RD=1时,U6和U2有三种状态组合。
使555定时器电路的输出UO有低电平0、保持和高电平1三种状态。
定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管V1状态的控制。
555定时器功能表如表2-1所示。
当
时,比较器C1输出为0,C2输出为1,基本RS触发器被置0,V1导通,UO输出为低电平。
当
时,C1输出为1,C2输出为0,基本RS触发器被置1,V1截止,UO输出高电平。
当
时,C1和C2输出均为1,则基本RS触发器的状态保持不变,因而V1和UO输出状态也维持不变,定时器输出处于高阻状态。
555定时器功能表
RD
U6(TH)
U2(TR)
U0
V1
0
0
导通
1
1
截止
1
0
导通
1
不变
不变
2.4报警显示电路
本设计采用多个三极管、555多谐振荡器和发光二极管等组成报警电路。
当集成运放不工作时,电路将进入报警系统,从而二极管发光。
第三章详细说明
3.1555定时器单稳态触发器
555定时器构成单稳态触发器如图(a)所示,该电路的触发信号在2脚输入,R和C是外接定时电路。
单稳态电路的工作波形如图(b)所示。
在未加入触发信号时,因ui=H,所以uo=L。
当加入触发信号时,ui=L,所以uo=H,7脚内部的放电管关断,电源经电阻R向电容C充电,uC按指数规律上升。
当uC上升到2VCC/3时,相当输入是高电平,
图(a)图(b)
3.27448七段显示译码器
BCD---七段显示译码器(74LS48)”。
1)输入:
8421BCD码,用A3A2A1A0表示(4位)。
2)输出:
七段显示,用Ya~Yg表示(7位)3)逻辑符号:
7448七段显示译码器输出高电平有效,用以驱动共阴极显示器。
该集成显示译码器设有多个辅助控制端,以增强器件的功能。
它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下:
灭灯输入BI/RBO
BI/RBO是特殊控制端,有时作为输入,有时作为输出。
当BI/RBO作输入使用且BI=0时,无论其它输入端是什么电平,所有各段输入a~g均为0,所以字形熄灭。
试灯输入LT
当LT=0时,BI/RBO是输出端,且RBO=1,此时无论其它输入端是什么状态,所有各段输出a~g均为1,显示字形8。
该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。
下图表示七段式数字显示器利用不同发光段组合方式,显示0~15等阿拉伯数字。
在实际应用中,10~15并不采用,而是用2位数字显示器进行显示。
3.3报警器设计与制作
由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。
其中555构成多谐振荡器,振荡频率fo=1.43/[(RI+2R2)C],其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号,当PR为高电平时,多谐振荡器工作,反之,电路停振。
多谐振荡器
3.4电缆对线器电路
如图8所示,电缆对线器以555为核心组成,该对线器具有省电、稳定可靠等优点。
图中的A.B端子用短路片连接,将VT1串接在通话回路中,作为通话和信号输出放大,此时,D.E也与通话线连接,可检测长距离电缆芯C的对号,若对上,则由555和R1.R2.C1组成的多谐振荡器起振,耳机话筒中便听到约800Hz的音响。
将C.D.E端子短接,则在A.B端子接出两条对号线,则可检测短距离的电缆芯线的对号。
将C.D端子短接,D.E接通话线,B接对号。
第四章部分计算说明
4.1取样电阻Rx的计算:
根据A/D转换关系可知:
第X级的取样电压必须是Vx≧x△Vs,即
Vx=(Rx/Ro+Rx)*Vs=x△Vs
为了提高转换的抗干扰能力,在转换误差允许的条件下,可将Vx的下限值提高1/2△Vs,即:
Vx=x△Vs+1/2△Vs=(Rx/Ro+Rx)*Vs
将△Vs=Vs/2代入上式可解得Rx,即:
(Rx/Ro+Rx)Vs=xVs/2n+Vs/2n+1
Rx={2x+1/[2(2n-x)-1]}*Ro=KxRo
当Ro确定之后,令X=1~m,即可算出R1~Rm的阻值。
其中X=0和X=31用做故障判断。
4.2Ro的取值范围讨论:
根据电缆芯线的已知条件:
r:
芯线电阻,规格0.4mm,148Ω/km
Rd:
芯线绝缘电阻2000MΩ/km
4.2.1Ro的上限值:
Rx都随Ro增大而增大,因此要考虑Rx//Rd对Vx的影响。
由上图可知:
Rd﹥﹥Rx,所以Rd的影响可以忽略。
因此,RO的上限值不作为计算依据。
4.2.2Ro的下限值:
Ro下限受r的限制。
由于r的存在会使得取样电压由Vx变为Vx1(增大),其增量为:
△Vx=Vx1-Vx=r*Vs/[(1+Kx)Ro](1+Kx)
在Kx中最小的是K1=3/61,因此第一级取样电压V1受r影响最大。
又因为K(1,Ro)r,故有:
△Vx=r*Vs/Ro
若限制△Vx≦1/10△Vs
即有r*Vs/R≦△Vs/10
因为△Vs=Vs/2n
所以Ro≧10*2nr(n=5,r=148Ω)
元器件清单
序号
元器件名称
数量
备注
1
ADC0809
1片
模数转换芯片
2
7485
2片
四位比较器
3
74283
2片
四位二进制全加器
4
7427
1片
三输入或非门
5
7430
1片
八输入与非门
6
7400
1片
二输入四与非门
7
7448BCD
2片
七段译码器
8
F555
1片
定时器
9
74290
1片
计数器
10
7474
1片
双D触发器
11
按键、开关、电阻
电容
若干
12
发光二极管、门电路
若干
心得体会
进入大三的毕业设计即将结束了。
作为考查毕业学生的一项重要课程,学院给我们安排了八周时间,我这次设计的题目是由周永金老师指导的《数字式电缆对线器》。
由于我在一个多月前已经参加工作,所以我的设计并不是在校内完成的。
大多数都是趁休息时间做的。
说实话,三年来只有到现在做了毕业设计才知道自己才疏学浅,对于大部分本该掌握的专业知识都已遗忘的差不多,即使没忘记的东西,到了真正要用的时候却不能灵活运用。
通过这次毕业设计,我才明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己知识和综合素质。
毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。
这次毕业设计也使我和班级的同学关系更加的融洽,正因为有了学校的同学帮忙,我才能顺利的完成我的论文。
所以在这里非常感谢帮助我的同学。
世界上每件事情都是具有两面性的,虽说我们的设计题目比较难,但在整个设计过程中,通过周老师的悉心指导以及同学和书籍、网络的帮忙,也使我受益匪浅。
在此要感谢所以给予我帮助的老师、同学。
通过本次设计我深刻的体会到,学无止境。
无论今后我们怎样,都免不了要学习。
而知识只有通过应用才能实现其价值。
我们要学会在不断的成长中增长自己的知识,储备知识的食粮,努力做到学以至用。
致谢
由于我已参加工作,所以毕业设计都是在工作之余完成的。
在论文即将完成之际我的心久久不能平静。
历时两个月的毕业设计真的就要结束了。
在此我首先要感谢我的指导教师周永金老师,他在校期间对我的悉心辅导,循循善诱的教导、渊博的知识,严谨的教学态度是我完成此次设计的源动力。
我还要感谢与我在外工作的同事们对的帮助,是他们用他们多元化的知识填补了我知识上的漏洞,使我的设计可以更加顺利的完成。
此外,还要感谢在学校的同班同学对的大力支持,如果没有他们,可能我的报告也无法呈现到老师面前。
谢谢你们!
感谢所有对我的毕业论文的完成提供帮助的人!
正是你们的慷慨才有了我今天的论文。
感谢你们!
参考文献
[1] 徐洁主编. 《电子测量与仪器》北京:
机械工业出版社,2002,12
[2] 赵世强主编. 《电子电路EDA技术》 西安:
西安电子科技大学出版社,2000,7
[3] 沈任元,吴勇主编.《常用电子元器件简明手册》 北京:
机械工业出版社,2000,4
[4] 江晓安,董秀峰(第二版)主编.《模拟电子技术》 西安:
西安电子科技大学出版社,2002,10
[5]江晓安,董秀峰,杨颂华主编.《数字电子技术》 西安:
西安电子科技大学出版社,2002,5
[6]臧春华主编.《电子线路设计及应用》高等教育出版社,2004,7
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