三位半数字电压表设计.docx
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三位半数字电压表设计.docx
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三位半数字电压表设计
一、课程设计要求;
采用中小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计三位半数字电压表。
要求如下:
1、直流电压测量范围1999—0001V;199.9—0.1V;19.99—0.01V;1.999—0.001V;
2、交流电压测量范围1999—199V;
3、3位半数码显示。
二、方案设计及论证;
方案设计一:
本设计实际上是将被测模拟量转换为数字量,并进行实时数字显示,主要由以下几部分构成:
量程转换电路、AC-DC转换电路、3位半A/D转换单元电路、基准电源单元电路、译码驱动单元以及数码管显示单元。
其中A/D转换器选用三位半MC14433,基准电源选用MC1403,译码驱动器则CD4511,另加四个共阴极LED发光数码管。
原理框图如下:
方案设计二:
电路中涉及到得集成电路有74LS47、ADC0804、AT89C51。
本电路采用LM7805集成稳压电路,电路由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。
方案设计三:
MEGA8单片机、OP07集成运算放大器、模拟开关CD4066、1602LCD液晶显示器、三斜积分式A/D转换器。
原理框图如下:
方案比较:
由于3位半双积分式A/D转换器MC14433可以满足设计要求,其转换精度为读数的±0.05%±1字,并能很方便地判断出是否超欠量程,以便于量程的自动切换功能的实现,其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少,输入阻抗高,功耗低,电源电压范围宽,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器,另外价格只有10元多点,是较好的选择,MC1403集成精密稳压源作参考电压,MC1403的输出电压为2.5V,当输入电压在4.5~15V范围内变化时,输出电压的变化不超过3mV,一般只有0.6mV左右,输出最大电流为10mA因此选择方案一。
三、详细设计;
1、单元电路设计与分析;
㈠MC14433
⑴MC14433型3½位A/D转换器具有以下特点:
①工作电压范围是
4.5V~8V。
典型值为
5V,功耗约8mW。
②A/D转换精度:
0.05%
1个字(½位十进制相当于11位二进制),转换速率为3~10次/秒。
③具有自动调零和自动转换极性之功能。
④有多路调制的BCD码输出,可以方便的与微机相连,或打印记录。
⑤能获得超量程(OR)和欠量程(UR)信号,便于实现自动转换量程。
⑥具有读数保持功能。
⑦采用共阴极LED动态扫描显示方式,不仅降低了显示功耗,还使外部接线大为简化。
⑵引脚功能说明:
VAG(1脚):
被测电压VX和基准电压VR的参考地。
VR(2脚):
外接基准电压(2V或200mV)输入端
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笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。
VX(3脚):
被测电压输入端
R1(4脚)、R1/C1(5脚)、C1(6脚):
外接积分阻容元件端
C1=0.1μf(聚酯薄膜电容器),R1=470KΩ(2V量程);
R1=27KΩ(200mV量程)。
CO1(7脚)、CO2(8脚):
外接失调补偿电容端,典型值0.1μf。
DU(9脚):
实时显示控制输入端。
若与EOC(14脚)端连接,则每次A/D转换均显示。
CP1(10脚)、CPo(11脚):
时钟振荡外接电阻端,典型值为470KΩ。
CP1~CP0端外接电阻R9=330kΩ时,fo
60Hz,采样速率约为4次/s。
外接电阻变成165kΩ,此时fo
120kHz,采样速率提高到8次/s。
VEE(12脚):
电路的电源最负端,接-5V。
VSS(13脚):
除CP外所有输入端的低电平基准(通常与1脚连接)。
EOC(14脚):
转换周期结束标记输出端,每一次A/D转换周期结束,EOC输出一个正脉冲,宽度为时钟周期的二分之一。
(15脚):
过量程标志输出端,当|VX|>VR时,
输出为低电平。
DS4~DS1(16~19脚):
多路选通脉冲输入端,DS1对应于千位,DS2对应于百位,DS3对应于十位,DS4对应于个位。
Q0~Q3(20~23脚):
BCD码数据输出端,DS2、DS3、DS4选通脉冲期间,输出三位完整的十进制数,在DS1选通脉冲期间,输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。
⑶工作原理:
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输出多路调制脉冲信号。
DS选通脉冲高电平,则表示对应的数位被选通,此时该数据在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(MSB),DS4则对应最低位(LSB)。
在对应DS2、DS3和DS4选通期间,Q0~Q3输出BCD码全位数据,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。
或1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代表千位数的数字。
若其值为1,则代表千位数的数字显示为0;反之,若其值为0,千位数的数字显示为1。
Q2表示被测电压的极性,Q2的电平为1,表示极性为正,即Vx>0,Q2的电平为0,表示极性为负,即Vx<0。
显示数的负号(负电压)由MC1413中的一只晶体管控制,符号位“一”段的阴极与千位数的阴极接在一起,当输入信号Vx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“一”段(即g段)点亮;当输入信号Vx为正电压时,Q2端输出置“1”,负号控制位使反相器导通,电阻接地,使“一”旁路而熄灭。
小数点显示是由正电源通过限流电阻供电燃亮小数点。
若量程不通则选通对应的小数点。
过量程是当输入电压Vx超过量程范围时,输出过量程标志信号/OR。
当Q3=0,Q0=1时,表示Vx处于过量程状态。
当Q3=1,Q0=1时,表示Vx属于欠量程状态。
当/OR=0时,|Vx|>1999,则溢出;|Vx|>Vr,则/OR输出低电平。
当/OR=1时,表示|Vx| 正常时/OR输出高电平,表示被测量在量程内。 ㈡精密基准电源MC1403 A/D转换需要外接标准电压源作参考电压。 标准电压源的精度应当高于A/D转换器的精度。 本实验采用MC1403集成精密稳压源作参考电压,MC1403的输出电压为2.5V,当输入电压在4.5~15V范围内变化时,输出电压的变化不超过3mV,一般只有0.6mV左右,输出最大电流为10mA。 ㈢七路达林顿晶体管列阵MC1413 MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构,因此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。 ㈣过载闪烁报警电路MC4013 现利用双D触发器CD4013的一半作二分频器。 作触发器复位信号EOC作时钟脉冲。 常态下,OR’=1→Q’=1→BI’=1,能正常显示;一旦发生超量程,OR’=0,EOC信号经二分频后加至CD45511的端,令显示器低频闪烁。 1/2CD4013有两个作用: 第一,将EOC窄脉冲变成方波;第二,对fEOC进行二分频,降低闪烁频率以取得最佳报警效果。 例如,当f0=50kHz时,fEOC=f0/16400≈3Hz,经二分频后f=1.5Hz方波,周期T=0.67s。 这样,端就加上交替变化的高、低电平,强迫LED显示器以1.5Hz的低频进行闪烁,以示超量程报警。 ㈤显示及小数点控制电路; 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。 当Vx>2V时,OR端呈低电平,MC4013分频使段译码驱动器CD4511的消隐控制端以0、1循环显示,使强迫共阴极显示器低频进行闪烁。 位选通信号经过反相器分别接4只数码管的公共阴极,在DS1~DS4位选通信号的控制下进行动态扫描显示。 反相器有两个作用: 第一,将DS1~DS4反相成低电平有效,以便接LED数码管的公共阴极;第二,增加驱动能力。 利用MC1403向MC14433提供2V的基准电压,RP为精密多圈电位器。 实选R2=470kΩ时f0≈50kHz。 排阻为笔段限流电阻。 负极性显示的原理是,当DS=1(正好扫到千位)且Vx<0时,从Q2端输出负极性信号(低电平),加至MC1413的第5脚。 因MC1413属于集电极开路输出(OC门),故第12脚无输出,相当于开路。 +5V电压就经过限流电阻接千位LED的g段,由于此时千位已被选中并且该位公共阴极接低电平,故g段发光,显示负极性符号。 ㈥读数保持电路; 在EOC端与DU端串入100kΩ电阻。 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。 ㈦量程选择及电压跟随器; Vx是输入的测量电压。 量程的转换由一个电阻分压网络实现,各档输出电压和输入的测量电压分压比为分别为1: 1,1: 10,1: 100,1: 1000。 档位分四档,各档测量电压范围为: 1、直流电压测量范围1999—0001V;199.9—0.1V;19.99—0.01V;1.999— 0.001V; 2、交流电压测量范围1999—199V 档位切换由一组拨码开关实现。 取的电阻值越大,电路的输入电阻越大,性能越好。 电压跟随器的作用是保护电路,使其具有很好的安全性。 ㈧AC-DC转换电路; 交流电压测量电路如图所示。 左边IC1为精密半波整流电路,右边IC2为平均值-有效值变换电路。 IC1输入端电压是经过衰减器和电压跟随器后得到的电压,此交流电压被限制在2V以下,经过半波整流后,变换成平均值,再经过IC2修正使之成为电压的有效值。 半波整流后的平均值与有效值之间的关系如图所示,图中的Vm为输入端电压的峰值, IC2是平均值-有效值变换电路,其作用是将经IC1半波整流后得到的输出电压加以平滑和放大,即将V放大到有效值V,放大倍数A=V/V,=2.22.IC2为反相放大器,放大倍数R2、R3、R6确定。 C1为平滑电容,将半波整流后的电压变为平滑。 R2用于调节输出电压的平均值,使之与有效值相等。 2、积分电阻电容的选择: ①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: 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。 ②限流电阻的选择: 根据共阴极LED显像管(显示颜色不同管压降不同这里选用红色V)的管压降为1.7V-2.5,LED管通10ma为宜。 固限流电阻阻值为200Ω。 四、电路的安装与调试; 1、数码显示部分的组装与调试; (1)将4只数码管插入7号板,将4个数码管同名笔划段与显示译码的相应输出端连在一起,其中最高位只要将b、c、g三笔划段接入电路,按图接好连线,但暂不插所有的芯片,待用。 (2)插好芯片CD4511与MC1413,并将CD4511的输入端A、B、C、D接至拨码开关对应的A、B、C、D四个插口处;将MC1413的1、2、3、4脚接至逻辑开关输出插口上。 (3)将MC1413的2脚置“1”,1、3、4脚置“0”,接通电源,拨动码盘(按“+”或“-”键)自0~9变化,检查数码管是否按码盘的指示值变化。 (4)检查译码显示是否正常。 (5)分别将MC1413的3、4、1脚单独置“1”,重复(3)的内容。 如果所有4位数码管显示正常,则去掉数字译码显示部分的电源,备用。 2、标准电压源的连接和调整; 插上MC1403基准电源,用标准数字电压表检查输出是否为2.5V,然后调整10KΩ电位器,使其输出电压为2.00V,调整结束后去掉电源线,供总装时备用。 3、总装总调; (1)插好芯片MC14433,接电路全图接好全部线路。 (2)将输入端接地,接通+5V,-5V电源(先接好地线),此时显示器将显示“000”值,如果不是,应检测电源正负电压。 用示波器测量、观察DS1~DS4,Q0~Q3波形,判别故障所在。 (3)用电阻、电位器构成一个简单的输入电压VX调节电路,调节电位器,4位数码将相应变化,然后进入下一步精调。 (4)用标准数字电压表(或用数字万用表代)测量输入电压,调节电位器,使VX=1.000V,这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”,应调整基准电压源,使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。 (5)改变输入电压VX极性,使Vi=-1.000V,检查“-”是否显示,并按(4)方法校准显示值。 (6)在+1.999V~0~-1.999V量程内再一次仔细调整(调基准电源电压)使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。 至此一个测量范围在±1.999的三位半数字直流电压表调试成功。 4、记录输入电压为±1.999,±1.500,±1.000,±0.500,0.000时(标准数字电压表的读数)被调数字电压表的显示值,列表记录之。 5、如图连接好量程选择电路,用电压表测试经过衰减后的电压的比例关系是否为1000: 100: 10: 1,经过电压跟随器后,连接到MC14433的输入端。 拨动量程开关到20V,输入电压为2~20V时,观察输出电压的数值。 6、按图连接好AC-DC转换电路,设置一个交流/直流选择档,如果输入的是交流,则必须通过AC-DC转换电路,将交流电压的有效值转换为直流电压,这样才能通过MC14433进行A/D转换。 五、元器件列表: 元件名称 型号 个数 A/D转换器 MC14433 1 七段译码器 CD4511 1 基准电源 MC1403 1 七路达林顿管 MC1413 1 双D触发器 MC4013 1 共阴极七段LED显像管 - 4 200Ω - 7 6.2kΩ - 1 10kΩ - 2 10kΩ动变阻器 - 2 20kΩ - 2 39kΩ - 1 90kΩ - 1 100kΩ - 2 110kΩ - 1 410kΩ - 1 470kΩ - 2 900kΩ - 1 1k - 3 9MΩ - 1 10μf - 1 0.1μf - 2 二极管 IN4001 4 运算放大器 LM741AH883 3 单刀三掷开关 - 1 单刀四掷开关 - 1 开关 - 2 六、设计心得: 以前对模数转换并不是太了解,在设计时真不知道如何下手,通过翻阅资料,在老师的指导和同学的帮助下,最终顺利的完成了设计项目。 通过一个多星期学习和设计,体会到了其中的辛苦和乐趣,提高了自身的实践能力,获得了静下心来好好做一件事得那份耐心,在终于成功后体会到了成就感! 由于实验室不提供MC1413,于是就改用三极管反相器代替,但在连接电路的时候为了简化电路没有连接基极电阻,这导致了MC14433的Q2和Q3输出有问题,显像管只能显示0、1、2、3四个数。 后来在老师的帮助先终于找到了问题并调试成功。 在今后的学习和工作中,一定要保持严谨的态度,不能图简单。 另外老师所提问题是mc14433的位选信号端为DS1,DS2,DS3,DS4,其功能为输出多路调制脉冲信号。 DS选通脉冲高电平,则表示对应的数位被选通,此时该数据在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(MSB),DS4则对应最低位(LSB)。 通过老师的提问,我觉得必须要把原理了解清楚才能更好的设计东西。 330Ω*7
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