基于MC14433的3位半数字万用表原创.docx

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基于MC14433的3位半数字万用表原创

河北建筑工程学院

课程设计报告书

课程名称：

《电子技术》综合课程设计

学院：

电气工程学院

专业：

建筑电气与智能化

班级：

电智121

学号：

2012318113

学生姓名：

沈

指导教师：

杜

职称：

讲师

2014年7月3日

一、题目及设计目的…………………………………………………………3

二、设计要求…………………………………………………………3

三、方案设计与论证………………………………………………………3

四、设计原理、电路图及各部分功能简介

4.1、原理图………………………………………………………4

4.2、功能简介………………………………………………………4

4.3、单元电路设计……………………………………………………4

4.3.1、MC14433………………………………………………5

4.3.2、MC1403………………………………………………6

4.3.3、MC1413……………………………………………6

4.3.4、MC4013………………………………………………6

4.3.5、CD4511……………………………………………7

4.3.6、显示及小数点控制电路……………………………………………8

4.3.7、读数保持电路…………………………………………8

4.3.8、量程转换开关的设计………………………………………8

4.3.9、电压跟随器和AC-DC转换电路……………………………………8

五、电路的安装与调试……………………………………………………8

六、设计心得与体会……………………………………………………………9

附图1（元件清单）

数字电压表电路设计报告

一、题目及设计目的

1、题目：

三位半数字电压表

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，达到灵活应用的目的。

二、设计要求

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；

三、方案设计与论证

方案一：

采用双积分A/D转换器MC14433，七段译码驱动器CD4511，基准电源MC1403，反向驱动器,4只LED数码管。

方案二：

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，且内部电压转换和控制部分不可控制。

优点是价格低廉。

方案三:

根据系统功能实现要求，决定控制系统采用AVR单片机，A/D转换采用其内置的10位AD、四个共阴极LED数码管。

系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行数据通讯上传，存储等扩展功能。

根据课程设计要求，我们选择方案一。

四、设计原理、电路图及各部分功能简介

方案一原理图

方案二原理图

方案三原理图

鉴于选用方案一，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。

（2）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。

（3）各部分简介：

1）MC14433

1.MC14433是美国Motorola公司推出的单片31/2位A/D转换器，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，其主要功能特性如下：

　　1.精度：

读数的±0.05%±1字

　　2.模拟电压输入量程：

1.999V和199.9mV两档

　　3.转换速率：

2-25次/s

　　4.输入阻抗：

大于1000MΩ

　　5.输入阻抗：

大于1000MΩ

　　6.功耗：

8mW（±5V电源电压时，典型值）

　　7.功耗：

8mW（±5V电源电压时，典型值）

　MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

2.引脚功能简介：

VAG（1脚）：

被测电压VX和基准电压VR的参考地。

VREF（2脚）：

外接基准电压（2V或200mV）输入端

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，R1＝470KΩ；

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）、CP0（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，采样速率约为4次／s。

VEE（12脚）：

电路的电源负端，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。

OR（15脚）：

过量程标志输出端，当｜VX｜＞VR时，OR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。

3.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MC14433电路的A/D转换结果采用BCD码多路调制方法输出，通过译码器译码，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，DS4则对应最低位。

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。

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。

2）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。

3）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。

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。

4）MC4013

现利用双D触发器MC4013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。

MC4013有两个作用：

第一，将EOC窄脉冲变成方波；第二，对EOC进行二分频，当超出量程时，数码管将以原动态扫描的一半频率进行闪烁，从而进行超量程报警。

5）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

。

6）显示及小数点控制电路；

从MC14433输出的BCD码经过CD4511译码后，连接到三个七段数码管。

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。

排阻为限流电阻。

负极性显示的原理是，当DS＝2，从Q4端输出高电平，加至MC1413的第A4脚。

Y4脚输出低电平。

数码管百位被选中点亮。

7）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。

8）量程转换开关

数字电压表的设计要求量程为：

0.001～1.999V,0.01～19.99V,0.1～199.9V,0～1999V选MC14433的基准电压为2V,则其量程为0.001～1.999V,所以其他量程分别×10×100×1000档位。

电路如图用4个电阻串联进行分压，使进入MC14433电压均小于2V

20（R2+R3+R4）/（R1+R2+R3+R4）=2

200（R3+R4）/（R1+R2+R3+R4）=2

2000R4/（R1+R2+R3+R4）=2

取R4=10KΩ则R1=9MΩR2=900KΩR3=90KΩ

五、电路的安装与调试

1、数码显示部分的组装与调试

（1）实际实验中采用4个8段数码管，将千位数码管bc并联作为千位1，g作为符号显示。

Mc1413用NPN三极管与电阻搭接的反相器替代。

（2）先将4个数码管插入试验箱IC座，插好芯片MC4511与三极管反相器，将输入端与逻辑电平试验箱相连。

（3）调节实验箱逻辑电平高低检查译码显示是否正常。

如果所有4位数码管显示正常，则说明显示部分工作正常。

2、标准电压源的连接和调整；

实验中利用实验台的电压源，数字电压表与实验箱上的可变电阻搭接成为标准电压源替代MC1403。

3、核心电压表部分；

（1）插好芯片MC14433，接电路全图接好全部线路。

（2）将输入端接地，接通电源，此时显示器将显示000，如果不是，应检测电源正负电压。

用示波器测量DS1～DS4，Q0～Q3的波形，判别MC14433是否工作。

（3）用电阻、电位器构成一个简单的输入电压调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。

（4）用实验台数字电压表测量输入电压，调节电位器，使输入电压为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，使其为－1.000V，检查“－”是否显示。

（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。

六、设计心得与体会

经过两周的课程设计，我们通过自己的查阅，课本上的知识还有老师的指导，是我们平时课本上的知识得到了实验。

通过这次设计使我们更加明白了知识联系实践的重要性，以及各种知识的联系。

加深了我们对数字电路的了解，两周的时间虽然短暂，但是是一学期知识的总结。

这次的设计，锻炼了我们独立思考的能力，以及设计电路的思路，为以后的学习工作打下了建设的基础让我们明白了我们所学的知识与现实的联系。

虽然简单但是，极具挑战性，通过这两个星

期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的不怎么牢固，看到了自己的实践经验更是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。

参考文献

（1）高吉祥▪《电子技术基础实验与课程设计》▪电子工业出版社▪2002年2月

（2）黄永定▪《电子线路试验与课程设计》▪机械工业出版社▪2005年8月

（3）彭启棕、李玉柏▪《DSP技术》▪电子科技大学出版社▪1997年

（4）李广弟、朱月秀、冷祖祁▪《单片机基础》第三版▪北京航天航空大学出版社▪2007年6月

（5）阎石▪《数字电子技术基础》▪第五版▪高等教育出版社▪2006年5月

附1元件清单

电阻10M

1

电阻9M

1

电阻1M

1

电阻900K

3

电阻470K

1

电阻410K

1

电阻110K

1

电阻100K

4

电阻90K

3

电阻47K

1

电阻39K

1

电阻20K

2

电阻10K

3

电阻9K

2

电阻6K2

1

电阻3K3

1

电阻2K

1

电阻1K

3

电阻900

2

电阻330

7

电阻200

4

电阻100

3

可变电阻10K

1

电解电容10uf

1

电容0.01uf

2

电容100nf

3

电容47nf

1

单刀开关

4

共阴八段数码管

3

共阴二段数码管

1

1N4011

6

稳压二极管

1

三极管9013

1

LM741

3

555

2

MC14433

1

CD4511/MC4511

1

MC1413

1

MC1403

1