直流數(shù)字電壓表.doc

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目名稱：直流數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)姓 名：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：指導(dǎo)教師：重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院2010 年6 月直流數(shù)字電壓表摘要：傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表功能單一，精度低，讀數(shù)的時(shí)候也非常不方便，很容易出錯(cuò)。而采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表由于測(cè)量精度高，速度快，讀數(shù)時(shí)也非常的方便，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)給出基于MC14433雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一種電壓測(cè)量電路。數(shù)字電壓表是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。該系統(tǒng)由MC144333位半AD轉(zhuǎn)換器、MC1413七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列、MC4543BCD七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器、基準(zhǔn)電源MC1403和共陽極LED發(fā)光數(shù)碼管組成。本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單直流數(shù)字電壓表的具體功能是：最高量程為1999V，分四個(gè)檔位量程，即01.999V，019.99V0199.9V，01999V，可以通過調(diào)檔開關(guān)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)檔位。一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：1) 設(shè)計(jì)直流數(shù)字電壓表；2) 直流電壓測(cè)量范圍：0V1.999V，0V19.99V，0V199.9V，0V1999V。3) 直流輸入電阻大于100k。4) 畫出完整的設(shè)計(jì)電路圖,寫出總結(jié)報(bào)告。5) 選做內(nèi)容：自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。二、比較和選定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)框圖：方案：本次設(shè)計(jì)的直流數(shù)字電壓表由測(cè)量電路、雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路電路、數(shù)碼顯示電路和量程轉(zhuǎn)換電路組成，原理框圖如圖1 所示。 測(cè)量電路雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)碼顯示圖1直流數(shù)字電壓表原理框圖Ui量程轉(zhuǎn)換Ui1測(cè)量電路和量程轉(zhuǎn)換將寬范圍的輸入直流電壓變換為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入電壓范圍的直流電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送數(shù)碼顯示電路顯示測(cè)量值。三、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇：1）量程轉(zhuǎn)換電路： R1、R2、R3、R4對(duì)輸入電壓進(jìn)行分壓，使直流輸入電壓的范圍是0V2V。由于直流輸入電阻要求大于100k，設(shè)定總電阻為。列出方程計(jì)算各電阻阻值：得： 圖2 量程轉(zhuǎn)換電路圖3 小數(shù)點(diǎn)控制仿真電路（如圖所示，當(dāng)被測(cè)電壓為6V時(shí)，百位上的小數(shù)點(diǎn)亮）2）雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：集成雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器MC14433原理電路和引腳圖如圖4所示。器件的輸入電壓范圍是0VVref，Vref是基準(zhǔn)電壓。輸出數(shù)字量是4為8421BCD碼，經(jīng)多路復(fù)用器從Q3Q2Q1Q0輸出，位數(shù)指示信號(hào)是DS1（千位）、DS2（百位）、DS3（十位）、DS4（個(gè)位）。MC14433自帶時(shí)鐘、極性檢測(cè)和邏輯控制電路等，實(shí)現(xiàn)雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖4（注：基準(zhǔn)電壓由MC1403提供。其輸出電壓為2.5V，由電阻分壓提供2V的基準(zhǔn)電壓）MC14433電路的引腳說明：1) (VAG)模擬地，被測(cè)電壓和基準(zhǔn)電壓的接入地。 2) (VR)基準(zhǔn)電壓。 3) (Vx)被測(cè)電壓的輸入端，MC14433屬于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，因而被測(cè)電壓與基準(zhǔn)電壓有以下關(guān)系： 4) ，滿量程的Vx=VR。當(dāng)滿量程選為1.999V。 5) 4-6(R1/C1，C1)外接積分元件端。次三個(gè)引腳外接積分電阻和電容元件 6) 7、8(C01、C02)外接失調(diào)補(bǔ)償電容端。 7) 9(DU)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示控制端，此引腳用來控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。，若不需要保存數(shù)據(jù)而是直接輸出測(cè)量數(shù)據(jù)，將DU端與EOC引腳直接短接即可。 8) 10、11(CLK1、CLK0)時(shí)鐘外接元件端，可選擇一個(gè)電阻即可設(shè)定時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率為66kHz時(shí)，外接電阻取300k即可。 9) 12(VEE負(fù)電源端。VEE是整個(gè)電路的電壓最低點(diǎn)，此引腳的電流約為0.8mA，驅(qū)動(dòng)電流并不流經(jīng)此引腳，故對(duì)提供此負(fù)電壓的電源供給電流要求不高。 10) 13(Vss)輸出信號(hào)接地端。 11) 14(EOC)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志端。每個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)，EOC將輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)。15（OR非）過量程標(biāo)志位，當(dāng)|Vx|VREF時(shí)， 輸出為低電平。 12) 16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)多路選通脈沖輸出端。DS1、DS2、DS3和DS4分別對(duì)應(yīng)千位、百位、十位、個(gè)位選通信號(hào)。13) 20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD碼數(shù)據(jù)輸出端。 14) 24(VDD)正電源電壓端。 3）數(shù)碼顯示電路：設(shè)計(jì)中采用MC14543顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路，MC1413七路達(dá)林頓晶體管列陣MC1413，數(shù)碼管采用4個(gè)LED共陽極數(shù)碼管。MC1413管腳圖見圖5。圖5 MC1413管腳圖和電路結(jié)構(gòu)圖數(shù)碼顯示電路仿真見圖6（由于Multisim8.0版中沒有MC14543以及MC1413，用其他器件代替。）圖6 數(shù)碼顯示線路四、畫出完整的電路圖，并說明電路工作原理：1）完整電路圖：圖7 直流數(shù)字電壓表電路圖2）工作原理：數(shù)字電壓表將被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字顯示。該系統(tǒng)由MC144333位半AD轉(zhuǎn)換器、MC1413七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列、MC4543BCD七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器、基準(zhǔn)電源MC1403和共陽極LED發(fā)光數(shù)碼管組成。各部分的功能如下：1）3位半AD轉(zhuǎn)換器（MC14433）：將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。2）基準(zhǔn)電源（MC1403）：提供精密電壓，供AD轉(zhuǎn)換器作參考電壓。3)譯碼器（MC4543）：將二-十進(jìn)制（BCD）碼轉(zhuǎn)換成七段信號(hào)。4）驅(qū)動(dòng)器（MC1413）：驅(qū)動(dòng)顯示器的a、b、c、d、e、f、g七個(gè)發(fā)光段，驅(qū)動(dòng)發(fā)光數(shù)碼管（LED）進(jìn)行顯示。5）顯示器：將譯碼器輸出的七段信號(hào)進(jìn)行數(shù)字顯示，讀出AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。集成雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器MC14433原理電路和引腳圖如圖4所示。器件的輸入電壓范圍是0VVref，Vref是基準(zhǔn)電壓。輸出數(shù)字量是4為8421BCD碼，經(jīng)多路復(fù)用器從Q3Q2Q1Q0輸出，位數(shù)指示信號(hào)是DS1（千位）、DS2（百位）、DS3（十位）、DS4（個(gè)位）。MC14433自帶時(shí)鐘、極性檢測(cè)和邏輯控制電路等，實(shí)現(xiàn)雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。每個(gè)DS選通脈沖高電平寬度為18個(gè)時(shí)鐘脈沖周期，兩個(gè)相鄰選通脈沖之間間隔2個(gè)時(shí)鐘脈沖周期。DS和EOC的時(shí)序關(guān)系是在EOC脈沖結(jié)束后，緊接著是DS1輸出正脈沖。以下依次為DS2，DS3，DS4。其中DS1對(duì)應(yīng)最高位,DS4對(duì)應(yīng)最低位。在對(duì)應(yīng)DS2，DS3和DS4選通期間，Q0Q3輸出BCD全位數(shù)據(jù)，即以8421碼方式輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字09。雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理：雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是間接型ADC。它將取樣電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的時(shí)間寬度，在此期間允許計(jì)數(shù)器對(duì)周期脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)就是取樣電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。圖8是雙積分ADC的電路原理圖。電路主要由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、JK觸發(fā)器和控制開關(guān)組成。由JK觸發(fā)器的輸出QS控制單刀雙置開關(guān)選擇積分器的輸入電壓。當(dāng)QS=0時(shí)，積分器對(duì)取樣電壓做定時(shí)積分；當(dāng)QS=1時(shí)，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-VREF做定壓積分。與-VREF電壓極性相反，這里設(shè)取樣電壓為正，則-VREF為負(fù)。圖8 雙積分ADC電路原理圖J QC1K R Q0 Q1 Qn-1 C CP n位二進(jìn)制R 計(jì)數(shù)器+AC&CPS-VREFLSBMSBD0D1Dn-10RCS1S2OtQSOtSOtQST1T2OtS1選S1選-VREF計(jì)數(shù)進(jìn)位回0時(shí)刻圖9雙積分ADC工作波形1定時(shí)積分在確定的時(shí)間內(nèi)對(duì)取樣電壓進(jìn)行積分即是定時(shí)積分。啟動(dòng)信號(hào)S輸入負(fù)窄脈沖（S=0），使計(jì)數(shù)器、JK觸發(fā)器QS清零，開關(guān)S1選擇取樣電壓作積分器輸入。同時(shí)開關(guān)S2閉合，使積分電容放電，=0。負(fù)脈沖消失后（S=1），開關(guān)S2斷開，積分器對(duì)取樣電壓做積分，積分器輸出電壓下降，比較器輸出邏輯1。允許n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)周期脈沖CP計(jì)數(shù)。當(dāng)進(jìn)位C=1時(shí)，下一個(gè)CP脈沖使計(jì)數(shù)器復(fù)零、JK觸發(fā)器QS=1，定時(shí)積分結(jié)束，定壓積分開始。取啟動(dòng)信號(hào)S的負(fù)脈沖剛消失的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，并設(shè)時(shí)鐘脈沖CP的周期為TCP。則對(duì)取樣電壓的積分時(shí)間T1為T1=2nTCP是確定不變的。積分器輸出電壓為積分器輸出電壓與時(shí)間成線性關(guān)系，其斜率是負(fù)的，與取樣電壓和積分器的時(shí)間常數(shù)RC有關(guān)。越大，負(fù)斜率也越大。定時(shí)積分的工作波形如圖9所示，圖中繪出了2個(gè)取樣電壓的情況。定時(shí)積分結(jié)束時(shí)的積分器輸出電壓為與取樣電壓成正比。2定壓積分在定時(shí)積分期間，當(dāng)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位C=1時(shí)，下一個(gè)CP脈沖使計(jì)數(shù)器復(fù)零和JK觸發(fā)器QS=1，開關(guān)S1選擇基準(zhǔn)電壓-VREF，積分器開始對(duì)基準(zhǔn)電壓-VREF做定壓積分。由于比較器輸出邏輯1，計(jì)數(shù)器從0繼續(xù)計(jì)數(shù)。與此同時(shí)，積分器輸出電壓上升積分器輸出電壓同樣與時(shí)間成線性關(guān)系，其斜率是正常數(shù)，與基準(zhǔn)電壓VREF和積分器的時(shí)間常數(shù)RC有關(guān)。定壓積分的工作波形如圖11.3.9所示。當(dāng)時(shí)，比較器輸出邏輯0，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并保持計(jì)數(shù)結(jié)果B Z（通常為自然二進(jìn)制數(shù)）。從定壓積分開始到計(jì)數(shù)器剛停止計(jì)數(shù)（）的時(shí)間T2為并且，在計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)時(shí)刻，積分器輸出電壓為0，即所以定壓積分時(shí)間T2與取樣電壓成正比。在此期間，計(jì)數(shù)器從0開始對(duì)周期脈沖CP計(jì)數(shù)，直到停止并保持計(jì)數(shù)值BZ。所以計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)與取樣電壓成正比，是取樣電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。實(shí)際上CP脈沖可能與比較器的邊沿不同步，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器可能漏計(jì)或多計(jì)一個(gè)脈沖。故上式應(yīng)修正為雙積分ADC的單位模擬電壓LSB為五、總結(jié)： 電路的優(yōu)點(diǎn)：該電路較為簡(jiǎn)潔，而數(shù)字電壓表具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)。 電路的缺點(diǎn)：由于電路中所使用的MC14433、MC14543以及MC1413在Multisim8.0仿真中沒有元器件，在電路設(shè)計(jì)出來后不利于仿真來驗(yàn)證電路是否正確。核心價(jià)值：數(shù)字電壓表已絕大部分已取代了傳統(tǒng)的模擬指針式電壓表，數(shù)字化測(cè)量?jī)x表的產(chǎn)生與發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展是密切相關(guān)的。通過對(duì)設(shè)計(jì)的要求和學(xué)習(xí)，讓學(xué)生跟上時(shí)代的腳步，了解最新的電子技術(shù)狀況。意見及展望：希望今后的仿真軟件如Mulitisim能夠及時(shí)更新新的元器件，這樣更加有利于新事物的產(chǎn)生。同時(shí)我也希望自己掌握更多的知識(shí)原理和設(shè)計(jì)動(dòng)手能力以及其他仿真軟件的運(yùn)用。數(shù)字化的生活已經(jīng)逐漸走入人們的學(xué)習(xí)、生活以及工作當(dāng)中，讓數(shù)字化產(chǎn)物的飛速發(fā)展，革新電子測(cè)量中的繁瑣和陳舊方式。六：列出所需元器件：器件名規(guī)格（型號(hào)）數(shù)量備注電容0.1F750F1電阻1001150720011K19K120K151K190K1300K1900K1R11等于27k時(shí)對(duì)應(yīng)2v量程，等于470k時(shí)對(duì)應(yīng)200mv量程集成芯片MC14131MC14031MC144331MC145431MC140132導(dǎo)線若干開關(guān)4晶體管MPS-A125LED共陽極數(shù)碼顯示器MRF90134單滯比較器COMPARATOR_VIRTUAL5與門74S092七、參考文獻(xiàn)：1) 中國(guó)集成電路大全編寫委員會(huì)編，中國(guó)集成電路大全TTL集成電路。北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985。2) 【美】D.H.Sheinggold編著，模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，南京：江蘇科學(xué)出版社，1982.3) 彭介華編著， 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，北京:高等教育出版社 ， 1996 年 。4) 高吉祥主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，北京：電子工業(yè)出版社，2005年。5) 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京: 高等教育出版社, 1998.6) 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京: 高等教育出版社, 1998.7) 古天祥，王厚軍. 電子測(cè)量原理M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.八、收獲、體會(huì)：我通過對(duì)直流數(shù)字電壓表的模擬、數(shù)字電路的綜合設(shè)計(jì)，了解了一般數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)的過程，設(shè)計(jì)要求以及應(yīng)完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)計(jì)也有助于復(fù)習(xí)、鞏固以往對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，并達(dá)到靈活運(yùn)用的目的。在設(shè)計(jì)完成后還要將設(shè)計(jì)的電路安裝，調(diào)試以加強(qiáng)動(dòng)手能力，在此過程中培養(yǎng)從事設(shè)計(jì)工作的整體觀念。在設(shè)計(jì)中，對(duì)芯片MC14433的掌握感覺比較難，還需要繼續(xù)學(xué)習(xí)。不管結(jié)果怎么樣，我享受的是做事的過程，和團(tuán)隊(duì)的合作。在不懂的時(shí)候和同學(xué)討論或咨詢唐老師，通過唐老師的提示和講解才逐漸懂得如何運(yùn)用。與此同時(shí)明白了要多花時(shí)間去熟悉理論