数字电压表课程设计docx.docx
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数字电压表课程设计docx
电子技术》综合课程设计
第1章设计目的
课程设计主要目的:
是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。
通过设计也有助于复习、巩固以往的学习模电、数电内容,达到灵活应用的目的。
在设计完成以后,还要将设计的电路进行安装、调试以加强学生的动手能力。
在此过程中培养从事设计工作的整体观念。
课程设计应强调以能力培养为主,在独立完成设计任务同时应注意多方面能力的培养与提高,主要包括以下方面:
独立工作能力和创造力;
•综合运用专业及基础知识,解决实际工程技术问题的能力;
•查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力;
•熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法;
•工程绘图能力;
•写技术报告和编制技术资料的能力。
•培养同学之间合作与交流的能力;
•电路检测与故障排查能力;
第2章设计要求及技术指标
具体要求:
1、利用所学知识,通过上网或到图书馆查阅资料,设计三个实现数字万用表的方案;只要求写出实现原理,画出原理功能框图,描述其功能。
说明:
采用原理、方案不限,也可以自行设计。
2、其中对将要实验方案31/2数字电压表,需采用中、小规模集成电路、MC14433
A/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。
技术指标:
1、测量直流电压1999-1V;199.9-0.1V;19.99-0.01V;1.999-0.001V;
2、测量交流电压1999-199V;
3、三位半显示;
4、比较设计方案与总体设计;
5、根据设计过程写出详细的课程设计报告;
第3章设计方案及原理
3.1方案一基于MC14433勺数字电压表
方案一框图如下:
方案一基于MC14433的数字电压表
此方案是对电压量进行测试并显示的数字电路。
对于交流可以采用桥式整流,通过
电阻分压,再用放大器放大,把平均值转换为有效值,最后输送给双积分型A/D转
换器MC14433Vx测试输入端。
再通过CD4511七段锁存/译码器送到LED显示,完
成电压的测试。
MC14433基准电压VREF可由恒压源提供,芯片本身有两个量程2V、
200mA此时对应电阻为470KQ、27KQ。
3.2方案二CC7107数字电压表
方案二原理框图如下:
方案二CC7107数字电压表
该方案把直流电压和交流电压转换电路直接同芯片CC7107连接组成,CC7107
是CMOS31/2位单片双积分式A/D转换器,它有极大的优点,它将模拟部分的如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关,以及数字部分如振荡器、计数器、锁存器、译码器、驱动器、和控制器、逻辑电路全部集成在一个芯片上。
使用时只需接少量的电阻、电容和显示器件,就可以完成模拟量到数字量的转换。
3.3方案三MSC7106TST106
方案三原理框图如下:
直流
交流
方案三MSC7106TST106
采用MSC710型单片31/2位AC/DC转换器,配字高12、5mm(折合0.5英寸)LED显示器;通过TST106双积分A/D转换器驱动3位半LCD显示器做动态扫描显示。
第4章方案比较及可行性分析
方案一主要采用MC14433CD4511作为显示部分,而且外围器件比较简单,只需电阻和电容即可。
另外MC14433的抗干扰能力较强,需只在输入端增加一级RC
高频滤波器,由R1、R2、C构成T型滤波器,有两个作用:
消除外界噪声干扰,提高仪表的信噪比;通过R1、R2起到限流作用,防止因输入信号电流过大而损坏芯片。
MC14433本身功耗就很低,而且采用动态扫描每一刻只有一个数码管在亮这又省四分之一的电。
采用本电路接线简单原理易明白,只需按原理把硬件电路接好就可以实现数字万用表的功能,无需软件上的编程,技术上易懂,即使是非专业人员也可以进行安装、调试、检修,而且器件价格合适,采购方便,为专业制作万用表的芯片。
成本低,推广起来易实施。
方案二主要采用CC7107本芯片简单易实施,而且集A/D转换器、译码器、锁存器于一身,只需把个接线接到对应的接口就可以实现数字的显示,不过它采用全程扫描不是很省电。
并且本芯片可以组成数字称、狮子温度计、数字压力计、数字式水平仪等具有体积小、重量轻等数字仪表上。
另外CC7107配有专门的小数点驱
动信号,也可以显示负号、工作电压过低等信号。
采用本方案接线简单,但所需接线3数量较多,因为它是对数码管的每一根脚进行控制,不过本芯片价格稍贵点,但只需一个芯片。
方案三电路整体简单,能达到设计测量电压的目的,但与方案一和方案二相比所用器件较贵,性价比降低且电路稳定性差。
MC14433与CC7107的区别比较见下表:
项目
MC14433
CC7107
转换速率
3~10次/s
0.1~15次/s
输入阻抗
1000M
10000M
基准电压
200.0V(200mV量程)
100.0V(100mV量程)
2.000V(2V量程)
1.000V(1V量程)
封装形式
DIP-24
DIP-40
电源电压
双电源供电,电源电压范围是
+4.5V~+8V。
一般取典型值+5V
单电源供电,电源电压范围是7~15V,
典型值为9V
显示器
共阴极LED显示器
LCD显示器
显示方式
动态扫描方式,驱动线少
静态显示,驱动线多
显示特点
亮度咼,亮暗对比度大,显示清晰,色彩绚丽,寿命长,功耗高
亮度低,亮暗对比度小,寿命短,微功耗
输出功能
具有BCD码输出,可配计算机进行数据处理,自动控制自动打印结果
无BCD码输出,不能配计算机或打印机
外围电路
需配基准电源,短译码驱动器和位驱动器,电路较复杂
外围电路简单,只需5个电阻和5个电容
经过方案比较之后,我们决定采用方案一
第5章测试部分电路设计
(1)数字电压表原理框图如下
直流
交流
由数字电压表原理框图可知,数字电压表由六个模块构成,分别是整流电路模块,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•现简介各个结构如下:
5.1电压衰减电路
Vi
量程转换电路图
R4
10K
如左图中四个电阻串联分压设计,总电阻值为10MQ,当开关S1闭合时,为最小量程2V;当开关S2闭合时,衰减10倍,其量程为20V;当开关S3闭合时,衰减100倍,其量程为200V;当开关S3闭合时,衰减100倍,其量程为200V。
5.2单相桥式整流滤波电路
电路图如下图:
电路为单向桥式整流电路,适用于大电压的整流。
电路TR为电流变压器,它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的电压V2=Sinwt,四支整流二极管D1~D4接成电桥的形式。
5.3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。
5.431/2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。
24
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OSi
DSs
19
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14
17
±
1&
MCI4433
5.5字形译码驱动电路模块
BCD-7段译码器
MC4511
J
A
BI
S3
1
B
12
2
11
6
V-TI
d
8
e
F
15
i
M
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5.6显示电路模块
G
H
1f
G
L
-L
r匸
E
IEI
托阴按
i.bi?
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EIG
r
这个模块由LG5641AH勾成,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MC1443—三位半A/D转换器、MC1413t路达林顿驱动器阵列、CD4511BC刮七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC140卸共阴极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,其数字范围均为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):
将二一十进制(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DS〜DS进行动态扫描显示,由于MC144336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。
DS〜DS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〜Q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DS,DS和DS。
其中DS对应最高位(MSD),DS则对应最低位(LSD)。
在对应DS,DS和DS选通期间,Q0〜Q输出BCD全位数据,即以8421码方式输出对应的数字0〜9.在DS选通期间,Q〜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DS选通期间Q0〜Q的输出内容如下:
Q3表示千位数,Q=0代表千位数的数字显示为1,Q=1代表千位数的数字显示为0。
Q表示被测电压的极性,Q的电平为1,表示极性为正,即U<>0;Q的电平为0,表示极性为负,即U<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U为负电压时,Q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1为正电压时,Q端输出置“T,负号控制位使达林顿驱动器导通,电阻FM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供电点亮小数点。
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Q=0,Q°=1时,表示Ux处于过量程状态;
当Q=1,Q°=1时,表示Ux处于欠量程状态。
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勺O喘与MC4511的消隐端B1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 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专换器由积分器、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寸只要外接 两个电阻(分别是片内RC振荡器外接电阻和积分电阻R)和两个电容(分别是积分电容C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IOOMQ以上; (2)和外接的R、C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“T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Co构成自动调零电路。 除“模拟电路”以外,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〜Q,并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS〜DS实现三位半数码的扫描方式(多路调制方式)输出。 MC1443釣部的控制逻辑是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。 MC1443釣部具有时钟发生器,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360kQ时,振荡频率为100kHz;当外接电阻为470kQ时,振荡频率则为66kHz,当外接电阻为750kQ时,振荡频率为50kHz。 若采用外时钟频率。 贝U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CLK0)(11脚)处获得。 MC1443站部可实现极性检测,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,采用电压一时间间隔(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U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,C—般取0.1卩F。 R的选取与量程有关,量程为2V时,取RI为470kQ;量程为200mV寸,取R为27kQ。 选取R和C的计算公式如下: 式中,△UC为积分电容上充电电压幅度,△$=Vdd-Ux(max)-△U,△U=0.5V 丁二4000X— felk 例如,假定C=0.1卩F,Vk=5V,fcLK=66kHN当LX(max)=2V时,代入上式可得R=480kQ,取R=470kQ。 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: (I)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。 ⑵端: R? EF,外接基准电压输入端。 (3)端: IX,是被测电压输入端。 (4)端: R,外接积分电阻端。 ⑸端: R/Ci,外接积分元件电阻和电容的公共接点。 (6)端,C,外接积分电容端,积分波形由该端输出。 ⑺和(8)端: ©和G2,外接失调补偿电容端。 推荐外接失调补偿电容G取0.1卩F (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。 (II)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俞出低电平,正常量程OR^咼电平。 (16)〜(19)端: 对应为DS〜DS,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〜Q输出的BCD代码是该对应位上的数据。 (20)〜(23)端: 对应为Qh-Qa,分别是A/D转换结果数据输出BCD弋码的最低位(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MC4511 MC4511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空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弋码寄存下来,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(LAMFTEST)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。 ⑶驱动器: 禾U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 MC4511电源电压Vdd的范围为5V-15V,它可与NMOSl路或TTL电路兼容工作。 MC4511采用16引线双列直插式封装,引脚分配和真值表参见图」。 使用MC451I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.该电路内含有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。 实际试验中,我们将用五个三极管和若干电阻代替MC14433 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,输出电压值变化量小于3mV④输出电压值准确度较高,y。 值在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用8条引线双列直插标准封装,如图—4所示。 A 打一_ 心」 CD □on Ecu Aln+ 1L 菖2g- gs—sQe: s lu畧 出> IA nJ昌 百sonon25、左o oi? IV- Joa AA666士 图1数字电压表结构图 爺EH ¥0611* pi 弋 1 16 -Vdd 2 15 -f LT- 3 14 _g RT— A 13 LE- 5 12 -b |Jwq 6 11 —e A■ 7 10 —d VSS- 8 9 —e 算值競 A 輸出 LE EI LT D c B A & b ed fr f £ 芋 X X 0 X X X X 1 I 11 1 J 1 X 0 X X X X X c 0 00 0 9 c a t I 9 Q c o i I 丨* 1 1 0 c d t I 0 Q Q I 0 1 I0 0 c I Q I I 0 V 1 V ) 1 9I 1 0 1 3 g I I 0 0 I ) ! t I】 0 9 1 3 a I I 0 t 0 a D t 】0 0 ) 1 4 o I 1 0 t G I I 0 I1 0 1 1 5 0 I 1 a t 1 0 £ 0 ii 1 ] ] 6 a 1 I a I i 1 1 1 to o 0 & 1 a I I j 0 0 a J I i丨 1 ] I I G I I i c c i S i ic 0 1 1 9 0 I I AJJF 电I c 010 Co1 0i 0 希 » I I x 鞘出艮婴示阪决于拔存酣數3&
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