三位半數(shù)字直流電壓表的設計

1、欽 州學院數(shù)字電子技術課程設計報告三位半數(shù)字直流電壓表的設計院 系 物理學院 專 業(yè) 過程控制自動化 學 生 班 級 2010級1班 姓 名 xxxx 學 號 xxxx 指導教師單位 xxxxx 指導教師姓名 xxxx 指導教師職稱 xxxx 2013年7月三位半數(shù)字直流電壓表過程控制自動化專業(yè)2010級 xxx指導教師 xxx摘要：根據(jù)設計的指標和要求，結合平時所學的理論知識，設計出一個功能較齊全的數(shù)字直流電壓表。關鍵詞：電壓表、電路、設計、A/D轉換器目錄前言 11 設計技術指標與要求 11.1 設計技術指標 1 1.2 設計要求 12 方案的設計及元器件清單.13 電路的工作原理.24

2、各部分的功能.3 4.1 三位半位雙積分A / D 轉換器CC14433 的性能特點3 4.2 基準電源(CC1403)3 4.3 譯碼器(MC4511)4 4.4 顯示電路模塊5 4.5 驅動器5 4.6 顯示器55 系統(tǒng)電路總圖及原理 5 5.1 電路組成5 5.2 電路的工作原理及過程65.2.1 三位半AD轉換器MC14433 7 七段鎖存-譯碼-驅動器CD4511 8 高精度低漂移能隙基準電源MC1403 96 電路連接測試 97 經(jīng)驗體會 10參考文獻 10前言數(shù)字電壓表（DigitalVoltmeter），簡稱DVM，是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬信號轉換成不連續(xù)、離散的數(shù)字

3、形式并加以顯示的儀表。數(shù)字電壓表的類型很多，其輸入電路、設計電路和顯示電路基本相似，只是電壓數(shù)字轉換方法不同。 因此，我們此次設計電壓表就是為了了解電壓表的原理，從而學會制作電壓表。而且通過電壓表的制作進一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及實用方法。1 設計技術指標與要求1.1 設計技術指標 1. 量程：一檔：+1.999V01.999V 二檔: +19.99V019.99V2. 用七段LED數(shù)碼管顯示讀數(shù)，做到顯示穩(wěn)定、不跳變；3. 保持/測量開關：能保持某一時刻的讀數(shù)；4. 指示值與標準電壓表示值誤差最低位在5之內(nèi)。1.2 設計要求1. 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；2.

4、 元器件及參數(shù)選擇；3. 編寫設計報告 寫出設計的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。 2 方案設計及元器件清單選用A/D轉換芯片MC14433、CC4511、MC1413、MC1403實現(xiàn)電壓的測量，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉換電壓結果。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。具體的元器件清單如表1所示。表一 元器件清單 元件名稱規(guī)格數(shù)量CC14433241CC4511161MC140381MC1413161按鍵開關62電容0.012電容0.12電位器10k、100K各1電阻10010電阻1k、3k各1電阻470k2電阻47k3三極管90121數(shù)碼管1043

5、 電路的工作原理1.直流數(shù)字電壓表的核心器件是一個間接型A / D 轉換器它首先將輸入的模擬電壓信號變換成易于準確測量的時間量然后在這個時間寬度里用計數(shù)器計時計數(shù)結果就是正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量，并進行實時數(shù)字顯示。該系統(tǒng)可采用 MC144333位半A/D 轉換器、MC1413 七路達林頓驅動器陣列、CC4511 BCD到七段鎖存-譯碼-驅動器、能隙基準電源 MCl403 和共陰極 LED 發(fā)光數(shù)碼管組成。2.本系統(tǒng)是 3位半數(shù)字電壓表，3位半是指十進制數(shù) 00001999。所謂 3 位是指個位、十位、百位，其數(shù)字范圍均為 09，而所謂半位是指千位數(shù)，它不能從 0 變化到 9，而只能由

6、0 變到 l，即二值狀態(tài)，所以稱為半位。數(shù)字電壓表原理框圖如圖1所示?；鶞孰妷?積分RC元件 3 1/2位A/D電路字形譯碼驅動電路顯示電路字位驅動電路量程選擇圖1 數(shù)字電壓表原理框圖4 各部分的功能4.1 三位半位雙積分A / D 轉換器CC14433 的性能特點CC14433 是CMOS 雙積分式三位半A / D 轉換器，它是將構成數(shù)字和模擬電路的約7700 多個MOS 晶體管集成在一個硅芯片上，芯片有24 只引腳采用雙列直插式，其引腳排列與功能如圖2 所示。圖2 CC14433引腳排列引腳功能說明：VAG（1 腳）：被測電壓VX 和基準電壓VR 的參考地VR（2 腳）：外接基準電壓（2V

7、 或200mV）輸入端VX（3 腳）：被測電壓輸入端R1（4 腳）R1/C1（5 腳）、C1（6 腳）：外接積分阻容元件端C1=0.1F（聚酯薄膜電容器），R1=470K (2V 量程)；R1=27K （200mV 量程）。C01（7 腳）C02（8 腳）：外接失調(diào)補償電容端典型值0.1F。DU（9 腳）：實時顯示控制輸入端。若與EOC（14 腳）端連接則每次A / D轉換均顯示。CP1（10 腳）CPo（11 腳）：時鐘振蕩外接電阻端典型值為470K 。VEE （12 腳）：電路的電源最負端接5V。VSS （13 腳）：除CP 外所有輸入端的低電平基準（通常與1 腳連接）。EOC（14 腳）

8、：轉換周期結束標記輸出端每一次A / D 轉換周期結束（EOC輸出一個正脈沖）寬度為時鐘周期的二分之一。OR（15 腳）：過量程標志輸出端。DS4到DS1 （16到19 腳）：多路選通脈沖輸入端，DS1 對應于千位，DS2 對應于百位，DS3 對應于十位，DS4 對應于個位。Q0到Q3 （20到23 腳）：BCD 碼數(shù)據(jù)輸出端，DS2、DS3、DS4 選通脈沖期間輸出三位完整的十進制數(shù)，在DS1 選通脈沖期間輸出千位0 或1 及過量程、欠量程和被測電壓極性標志信號。VDD，整個電路的正電源端。4.2 基準電源(CC1403)提供精密電壓，供 AD 轉換器作參考電壓，如圖3所示。圖3 基準電源C

9、C1403 4.3 譯碼器(MC4511)將二十進制(BCD)碼轉換成七段信號，如圖4所示。圖4 譯碼器(MC4511)4.4 顯示電路模塊這個模塊由LG5641AH構成,將譯碼器輸出的七段信號進行數(shù)字顯示，讀出A/D 轉換結果。如圖5所示。圖5 顯示電路模塊4.5 驅動器(MC1413) 驅動顯示器的 a，b，c，d，e，f，g 七個發(fā)光段，驅動發(fā)光數(shù)碼管(LED)進行顯示。4.6 顯示器將譯碼器輸出的七段信號進行數(shù)字顯示，讀出A/D轉換結果。5 系統(tǒng)電路總圖和原理5.1 電路組成將設計的各個單元電路進行級聯(lián)，得到數(shù)字電子鐘系統(tǒng)電路原理圖如圖6所示。圖6 三位半直流數(shù)字電壓表接線圖5.2 電

10、路的工作原理及過程三位半數(shù)字電壓表通過位選信號DS1DS4進行動態(tài)掃描顯示，由于MC14433電路的A/D轉換結果是采用BCD碼多路調(diào)制方法輸出，只要配上一塊譯碼器，就可以將轉換結果以數(shù)字方式實現(xiàn)四位數(shù)字的LED發(fā)光數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示。DS1DS4輸出多路調(diào)制選通脈沖信號。DS選通脈沖為高電平時表示對應的數(shù)位被選通，此時該位數(shù)據(jù)在Q0Q3端輸出。每個DS選通脈沖高電平寬度為18個時鐘脈沖周期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期。DS和EOC的時序關系是在EOC 脈沖結束后，緊接著是DS1輸出正脈沖。以下依次為DS2，DS3和DS4。其中DS1對應最高位(MSD)，DS4則對應最低位(LS

11、D)。在對應DS2，DS3和DS4選通期間，Q0Q3輸出BCD全位數(shù)據(jù)，即以8421碼方式輸出對應的數(shù)字09在DS1選通期間，Q0Q3輸出千位的半位數(shù)0或l及過量程、欠量程和極性標志信號。在位選信號DS1選通期間Q0Q3的輸出內(nèi)容如下：Q3表示千位數(shù)，Q3=0代表千位數(shù)的數(shù)宇顯示為1，Q3=1代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為0。Q2表示被測電壓的極性，Q2的電平為1，表示極性為正，即UX0；Q2的電平為0，表示極性為負，即UX1999，則溢出。|UX|UR則 輸出低電平。當 = 1時，表示|UX|UR 。平時OR輸出為高電平，表示被測量在量程內(nèi)。MC14433的端與MC4511的消隱端 直接相連，當UX

12、超出量程范圍時，輸出低電平，即 = 0 = 0 ，MC4511譯碼器輸出全0，使發(fā)光數(shù)碼管顯示數(shù)字熄滅，而負號和小數(shù)點依然發(fā)亮。 三位半AD轉換器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轉換器。和其它典型的雙積分A/D轉換器類似，MC14433A/D轉換器由積分器、比較器、計數(shù)器和控制電路組成。如果必要設計應用者可參考相關參考書。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A/D轉換。MC14433內(nèi)部模擬電路實現(xiàn)了如下功能：（1）提高A/D 轉換

13、器的輸入阻抗，使輸入阻抗可達l00M以上；（2）和外接的RI、CI構成一個積分放大器，完成V/T 轉換即電壓時間的轉換；（3）構造了電壓比較器，完成“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構成自動調(diào)零電路。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)A/D轉換結果的鎖定和存儲。借助于多路選擇開關，從高位到低位逐位輸出BCD碼Q0Q

14、3，并輸出相應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)部的控制邏輯是A/D 轉換的指揮中心，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，完成A/D轉換各個階段的開關轉換，產(chǎn)生定時轉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A/D 轉換。MC14433內(nèi)部具有時鐘發(fā)生器，它通過外接電阻構成的反饋，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時，振蕩頻率為100kHz；當外接電阻為4

15、70k時，振蕩頻率則為66kHz，當外接電阻為750k時，振蕩頻率為50kHz。若采用外時鐘頻率。則不要外接電阻，時鐘頻率信號從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A/D 轉換器，采用電壓時間間隔(V/T)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的脈沖

16、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=4000Tcp。顯然，不同的輸入電壓積分的結果不同（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就是被測電壓對應的數(shù)字量。由此實現(xiàn)了A/D轉換。積分電阻電容的選擇應根據(jù)實際條件而定。若時鐘頻率為66kHz，CI一般取0.1F。RI的選取與量程有關，量程為2V時，取

17、RI為470k；量程為200mV時，取RI為27k。選取RI 和CI 的計算公式如下：式中，UC為積分電容上充電電壓幅度,UC = VDD - UX(max) - U,U = 0.5V,例如，假定CI=0.1F，VDD=5V，fCLK=66kHz。當UX(max)=2V 時，代入上式可得RI=480k，取RI=470k。MC14433設計了自動調(diào)零線路，足以保證精確的轉換結果。MC14433A/D轉換周期約需16000個時鐘脈沖數(shù)，若時鐘頻率為48kHz，則每秒可轉換3次，若時鐘頻率為86kHz，則每秒可轉換4次。 七段鎖存-譯碼-驅動器CD4511 CD4511 是專用于將二-十進制代碼(B

18、CD)轉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（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，MC4

19、511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)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) 驅動器：利用內(nèi)部設置的NPN 管構成的射極輸出器，加強驅動能力，使譯碼器輸出驅動電流可達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。5.2.3 高精度低漂移能隙基準電源MC1403MC1403的輸出電壓的溫度系數(shù)為零，即輸出電壓與溫度無關該電路的特點是： 溫度系數(shù)??； 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；輸出電壓值準確度較高，y。