三位半數(shù)字萬用表設(shè)計

1、河北建筑工程學(xué)院課程設(shè)計報告 課程名稱： 電子技術(shù)綜合課程設(shè)計 題目名稱: 3位半數(shù)字萬用表設(shè)計 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電子 132 學(xué) 號： 2013315202 學(xué)生姓名： 李天明 指導(dǎo)教師： 魏建新 職 稱： 高級實驗師 成 績: 2015年7 月 12日一、摘要萬用表結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶、使用方便、用途多樣、量程范圍廣。它是維修電子設(shè)備和調(diào)試電路的重要工具，是電子工程技術(shù)人員最常用的一種測量儀表。設(shè)計目的是培養(yǎng)獨立思考和創(chuàng)新意識，以及動手調(diào)試組裝能力和分析解決問題的能力。通過對mc14433的設(shè)計，檢驗對基礎(chǔ)知識的掌握程度。二、關(guān)鍵字1、三位半AD轉(zhuǎn)換

2、器MC14433 在數(shù)字儀表中，MC14433電路是一個低功耗三位半雙積分式A、D轉(zhuǎn)換器。和其它典型的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器類似，MC14433AD轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、計數(shù)器和控制電路組成。如果必要設(shè)計應(yīng)用者可參考相關(guān)參考書。使用MC14433時只要外接兩個電阻(分別是片內(nèi)RC 振蕩器外接電阻和積分電阻RI)和兩個電容(分別是積分電容CI和自動調(diào)零補償電容C0)就能執(zhí)行三位半的AD轉(zhuǎn)換。MC14433內(nèi)部模擬電路實現(xiàn)了如下功能：（1）提高AD 轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，使輸入阻抗可達l00M僖隕希唬?2）和外接的RI、CI構(gòu)成一個積分放大器，完成VT 轉(zhuǎn)換即電壓-時間的轉(zhuǎn)換；（3）構(gòu)造了電壓比較器，完

3、成“0”電平檢出，將輸入電壓與零電壓進行比較，根據(jù)兩者的差值決定極性輸出是“1”還是“0”。比較器的輸出用作內(nèi)部數(shù)字控制電路的一個判別信號；（4）與外接電容器C0構(gòu)成自動調(diào)零電路。圖 1 MC14433原理框圖除“模擬電路”以外，MC14433 內(nèi)部含有四位十進制計數(shù)器，對反積分時間進行3位半BCD碼計數(shù)(01999)，并鎖存于三位半十進制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實時取數(shù)信號(DU)作用下，實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的鎖定和存儲。借助于多路選擇開關(guān)，從高位到低位逐位輸出BCD碼Q0Q3，并輸出相應(yīng)位的多路選通脈沖標志信號DS1DS4實現(xiàn)三位半數(shù)碼的掃描方式（多路調(diào)制方式）輸出。MC14433內(nèi)部的控

4、制邏輯是AD 轉(zhuǎn)換的指揮中心，它統(tǒng)一控制各部分電路的工作。根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開關(guān)，完成AD轉(zhuǎn)換各個階段的開關(guān)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生定時轉(zhuǎn)換信號以及過量程等功能標志信號。在對基準電壓VREF 進行積分時，控制邏輯令4位計數(shù)器開始計數(shù)，完成AD 轉(zhuǎn)換。MC14433內(nèi)部具有時鐘發(fā)生器，它通過外接電阻構(gòu)成的反饋，井利用內(nèi)部電容形成振蕩，產(chǎn)生節(jié)拍時鐘脈沖，使電路統(tǒng)一動作，這是一種施密特觸發(fā)式正反饋RC 多諧振蕩器，一般外接電阻為360k偈保竦雌德飾?100kHz；當外接電阻為470k偈保竦雌德試蛭?66kHz，當外接電阻為750k偈保竦雌德飾?50kHz。若采用外時鐘頻率。則不要外接電阻，時鐘頻率信

5、號從CPI(10腳)端輸入，時鐘脈沖CP 信號可從CPO(原文資料為CLKO)(11腳)處獲得。MC14433內(nèi)部可實現(xiàn)極性檢測，用于顯示輸入電壓UX 的正負極性；而它的過載指示(溢出)的功能是當輸入電壓Vx 超出量程范圍時，輸出過量程標志OR（低有效）。MC14433是雙斜率雙積分AD 轉(zhuǎn)換器，采用電壓-時間間隔(VT)方式，通過先后對被測模擬量電壓UX和基準電壓VREF 的兩次積分，將輸入的被測電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔，用計數(shù)器測出這個時間間隔對應(yīng)的脈沖數(shù)目，即可得到被測電壓的數(shù)字值。雙積分過程可以做如下概要理解：首先對被測電壓UX 進行固定時間T1、固定斜率的積分，其中T1=

6、4000Tcp。顯然，不同的輸入電壓積分的結(jié)果不同（不妨理解為輸出曲線的高度不同）。然后再以固定電壓VREF 以及由RI,CI所決定的積分常數(shù)按照固定斜率反向積分直至積分器輸出歸零，顯然對于上述一次積分過程形成的不同電壓而言，這一次的積分時間必然不同。于是對第二次積分過程歷經(jīng)的時間用時鐘脈沖計數(shù)，則該數(shù)N就是被測電壓對應(yīng)的數(shù)字量。由此實現(xiàn)了AD轉(zhuǎn)換。積分電阻電容的選擇應(yīng)根據(jù)實際條件而定。MC14433AD轉(zhuǎn)換周期約需16000個時鐘脈沖數(shù)，若時鐘頻率為48kHz，則每秒可轉(zhuǎn)換3次，若時鐘頻率為86kHz，則每秒可轉(zhuǎn)換4次。C14433 采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列，參考右圖的引腳標注

7、，各主要引腳功能說明如下：模擬地 .VAG 1基準電壓 VREF 2輸入 V13R1 4R1/C1 5C1 6C01 7C02 8DU 9 CLK1 10CLK2 11VEE 12MC1443324 VDD 正電源23 Q322 Q2 21 Q120 Q019 千位選通18 百為選通17十位選通16個位選通15 OR¯超量程14 EOC A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志13 VSS 地U+積分元件自動調(diào)零電容實時輸出控制端時鐘脈沖輸入端時鐘脈沖輸出端負電源BCD碼輸出圖 2 MC14433引腳(1) 端：VAG，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測電壓UX和基準電壓VREF的參考點地。(2) 端：R

8、REF，外接基準電壓輸入端。(3) 端：UX，是被測電壓輸入端。(4) 端：RI，外接積分電阻端。(5) 端：RICI，外接積分元件電阻和電容的公共接點。(6) 端，C1，外接積分電容端，積分波形由該端輸出。(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失調(diào)補償電容端。推薦外接失調(diào)補償電容C0取0.1F。(9) 端：DU，實時輸出控制端，主要控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出，若在雙積分放電周期即階段5開始前，在DU端輸入一正脈沖，則該周期轉(zhuǎn)換結(jié)果將被送入輸出鎖存器并經(jīng)多路開關(guān)輸出，否則輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若該端通過一電阻和EOC 短接，則每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都將被輸出。(10) 端：CPI (CL

9、KI)，時鐘信號輸入端。(11) 端：CPO (CLKO)，時鐘信號輸出端。(12) 端：VEE，負電源端，是整個電路的電源最負端，主要作為模擬電路部分的負電源，該端典型電流約為0.8mA，所有輸出驅(qū)動電路的電流不流過該端，而是流向VSS端。(13) 端：VSS 負電源端(14) 端：EOC，轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標志輸出端，每一AD轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC端輸出一正脈沖，其脈沖寬度為時鐘信號周期的12。(15) 端：OR ，過量程標志輸出端，當|UX|>VREF 時，OR輸出低電平，正常量程OR為高電平。(16)(19) 端：對應(yīng)為DS4DS1，分別是多路調(diào)制選通脈沖信號個位、十位、百位和千位輸出端

10、，當DS端輸出高電平時，表示此刻Q。Q3 輸出的BCD 代碼是該對應(yīng)位上的數(shù)據(jù)。(20)（23）端：對應(yīng)為Q0-Q3，分別是AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)輸出BCD代碼的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位輸出端。(24) 端：VDD，整個電路的正電源端2、七段鎖存-譯碼-驅(qū)動器CD4511圖 Error! Main Document Only. CD4511CD4511 是專用于將二-十進制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號的專用標準譯碼器，它由4位鎖存器，7段譯碼電路和驅(qū)動器三布分組成。(1) 四位鎖存器(LATCH)：它的功能是將輸入的A，B，C 和D代碼寄存起來，該電路具有鎖存功能，在鎖存允許端

11、（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起鎖存數(shù)據(jù)的作用。當LE=1時，鎖存器處于鎖存狀態(tài)，四位鎖存器封鎖輸入，此時它的輸出為前一次LE=0時輸入的BCD碼；當LE=0時，鎖存器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。由此可見，利用LE 端的控制作用可以將某一時刻的輸入BCD代碼寄存下來，使輸出不再隨輸入變化。(2) 七段譯碼電路：將來自四位鎖存器輸出的BCD 代碼譯成七段顯示碼輸出，MC4511中的七段譯碼器有兩個控制端： LT (LAMP TEST)燈測試端。當LT = 0時，七段譯碼器輸出全1，發(fā)光數(shù)碼管各段全亮顯示；當LT = 1時，譯碼器輸出狀態(tài)由BI端控制。 BI (BLANKING

12、)消隱端。當BI = 0時，控制譯碼器為全0輸出，發(fā)光數(shù)碼管各段熄滅。BI = 1時，譯碼器正常輸出，發(fā)光數(shù)碼管正常顯示。上述兩個控制端配合使用，可使譯碼器完成顯示上的一些特殊功能。(3) 驅(qū)動器：利用內(nèi)部設(shè)置的NPN 管構(gòu)成的射極輸出器，加強驅(qū)動能力，使譯碼器輸出驅(qū)動電流可達20mA。CD4511電源電壓VDD的范圍為5V-15V，它可與NMOS電路或TTL電路兼容工作。CD4511采用16引線雙列直插式封裝，引腳分配見右圖，真值表參見下圖。使用CD451l時應(yīng)注意輸出端不允許短路，應(yīng)用時電路輸出端需外接限流電阻。3七路達林頓驅(qū)動器陣列MC1413  MC1413采用NPN達林頓復(fù)

13、合晶體管的結(jié)構(gòu)，因此具有很高的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受MOS 或CMOS 集成電路的輸出信號，并把電壓信號轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號驅(qū)動各種負載該電路內(nèi)含有7個集電極開路反相器(也稱OC0門)。MC1413電路結(jié)構(gòu)和引腳如圖3所示，它采用16引腳的雙列直插式封裝。每一驅(qū)動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的續(xù)流二極管。圖 4 MC14034高精度低漂移能隙基準電源MC1403  MC1403的輸出電壓的溫度系數(shù)為零，即輸出電壓與溫度無關(guān)該電路的特點是： 溫度系數(shù)小； 噪聲?。?輸入電壓范圍大，穩(wěn)定性能好,當輸入電壓從+45V變化到+15V時，輸出電壓值變化量小于3mV

14、；輸出電壓值準確度較高，y。值在2.475V2.525V 以內(nèi)； 壓差小，適用于低壓電源； 負載能力小，該電源最大輸出電流為10mA。三、設(shè)計要求1、主要內(nèi)容（1）、利用所學(xué)過知識，通過上網(wǎng)或到圖書館查閱資料，設(shè)計出2-3個實現(xiàn)數(shù)字萬用表的方案；只要求寫出實現(xiàn)工作原理，畫出電原理功能框圖，描述其功能。（2）、其中對將要實驗方案3位半位數(shù)字萬用表方案 ，須采用中、小規(guī)模集成電路、MC 14433A/D轉(zhuǎn)換器等電路進行設(shè)計，寫出已確定方案詳細工作原理，計算出參數(shù)，設(shè)計出電原理圖。2、技術(shù)指標（1）測量直流電壓200mv；2V；20V；200V;1000V； 測量交流電壓2V；20V；200V;75

15、0V（2）測量直流電流2MA；20MA；200MA；20A； 測量交流電流2MA；20MA；200MA；20A；（3） 電阻：200 、2K、20K、200K、2M、20M（4） 電容；200nF、20nF、2nF 20F、2F （5） 三位半數(shù)字顯示。第1章系統(tǒng)概述1.1、設(shè)計方案：方案一：基于mc14433的數(shù)字萬用表Mc14433是三位半A/D轉(zhuǎn)換器。因此系統(tǒng)可以分為五部分：基準電壓、A/D轉(zhuǎn)換器(mc14433)、七段數(shù)碼管（顯示器）、驅(qū)動器(mc1413)、譯碼器(cd4511/mc4511)。外界信號經(jīng)過外圍電路進入系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，mc14433把信號以8421碼的形式輸出

16、給譯碼器,譯碼器譯碼后通過七段數(shù)碼管顯示。驅(qū)動器驅(qū)動七段數(shù)碼管工作?；鶞孰妷簽锳/D轉(zhuǎn)換器提供基準電壓。原理框圖如下圖 1.1原理框圖方案二、基于80C51單片機的數(shù)字萬用表該方案是利用80C51單片機來實現(xiàn)數(shù)字萬用表的功能。單片機內(nèi)部有自己的時鐘信號，外部的信號經(jīng)過相應(yīng)的外部電路通過過A/D轉(zhuǎn)換器進入單片機，利用程序?qū)懭雴纹瑱C，單片機驅(qū)動數(shù)碼管顯示出信號數(shù)值。原理框圖如下信號的輸入A/D轉(zhuǎn)換器mc14433基準電壓譯碼器Cd4511驅(qū)動器Mc1413七段數(shù)碼管圖1.2 原理框圖1.2、方案比較方案一：選用A/D轉(zhuǎn)換芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403實現(xiàn)電壓的測量，用

17、四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。缺點是工作速度低，優(yōu)點是精度較高，工作性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力比較強。器件價格合適，采購方便，成本低，易實施。方案二：選用單片機80c51和A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和控制，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。缺點是價格稍貴；優(yōu)點是轉(zhuǎn)換精度高，且轉(zhuǎn)換的過程和控制、顯示部分可以控制。綜合比較兩個方案，方案一結(jié)構(gòu)簡單，易實施，價格合適且工作精度高，比較穩(wěn)定，抗干擾能力強；方案二價格稍貴且不易操作。綜合比較我們選擇了方案一。第2章單元電路的設(shè)計與分析1、 交流/直流電壓測量首先，測交流電壓時需要經(jīng)過“橋式”整流電路，將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓量，其

18、余與直流電壓值測量無差別?！皹蚴健闭麟娐啡缦聢D所示： 該電路為單向橋式整流電路，適用于大電壓的整流。電路TR為電流變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓V1變成整流電路要求的電壓V2=Sinwt，四支整流二極管 D1D4接成電橋的形式。 如圖中四個電阻串聯(lián)分壓設(shè)計，總電阻值為10M，當開關(guān)S1閉合時，為最小量程2V；當開關(guān)S2閉合時，衰減10倍，其量程為20V；當開關(guān)S3閉合時，衰減100倍，其量程為200V；當開關(guān)S3閉合時，衰減100倍，其量程為200V。 圖 2.2圖 2.1 通過電阻對不通電壓進行不同的分壓，從而得到固定范圍內(nèi)的相對較小的電壓輸入至MC14433進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出至數(shù)字顯示

19、器上。 2、交流/直流電流測量圖 2.3 交流/直流電流測量電路 3、電阻測量電路圖 2.4電阻測量電路 4、電容測量電路圖 2.5 電容測量電路 5、AC/DC轉(zhuǎn)換電路圖 2.6 AC/DC轉(zhuǎn)換電路第三章 電路的安裝與調(diào)試介紹電路需要在實驗臺上進行安裝。將各個元件插到實驗臺的插孔上。根據(jù)實驗電路的電路圖進行實物的連接。安裝完成之后，按照預(yù)定的試驗指標進行調(diào)試。（一）電路的理想指標或功能的測試方法電路的理想指標即電路完成后，顯示屏上可以按照時鐘信號顯示出0-2V的電壓，并且電路工作穩(wěn)定。（二）實驗中的問題及解決辦法問題一：數(shù)字顯示器連接完成后不亮？解決方法：經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)元件管腳接口接錯，還有些接口接觸不良。重新檢查電路圖，正確接線后，問題解決。問題二：連接電路完成后結(jié)果顯示不