課程設(shè)計(jì)：數(shù)字電壓表

1、數(shù)字電壓表1、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求略2、 設(shè)計(jì)原理與電路實(shí)驗(yàn)原件的介紹及設(shè)計(jì)原理圖數(shù)字顯示電壓表將被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字顯示。該系統(tǒng)（如圖1 所示）可采用MC14433 位A/D 轉(zhuǎn)換器、MC1413七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列、CD4511 BCD到七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器、能隙基準(zhǔn)電源MC1403和共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管組成。本系統(tǒng)是 位數(shù)字電壓表, 位是指十進(jìn)制數(shù)00001999。所謂3位是指?jìng)€(gè)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0變到l，即二值狀態(tài)，所以稱為半位。各部分的功能如下： 位AD轉(zhuǎn)換器(MC14433)：將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換

2、成數(shù)字信號(hào)?；鶞?zhǔn)電源(MC1403)：提供精密電壓，供AD 轉(zhuǎn)換器作參考電壓。譯碼器(MC4511)：將二十進(jìn)制(BCD)碼轉(zhuǎn)換成七段信號(hào)。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。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。工作過(guò)程如下： 位數(shù)字電壓表通過(guò)位選信號(hào)DS1DS4進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示，由于MC14433電路的AD轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)四位數(shù)字的LED發(fā)光數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。DS1DS4輸出多路調(diào)制選通脈沖信號(hào)。DS選通脈沖為高電平時(shí)表

3、示對(duì)應(yīng)的數(shù)位被選通，此時(shí)該位數(shù)據(jù)在Q0Q3端輸出。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和DS4。其中DS1對(duì)應(yīng)最高位(MSD)，DS4則對(duì)應(yīng)最低位(LSD)。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在DS1選通期間，Q0Q3輸出千位的半位數(shù)0或l及過(guò)量程、欠量程和極性標(biāo)志信號(hào)。在位選信號(hào)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

4、千位數(shù)的數(shù)字顯示為0。Q2表示被測(cè)電壓的極性，Q2的電平為1，表示極性為正，即UX>0，Q2的電平為0，表示極性為負(fù)，即UX<0。顯示數(shù)的負(fù)號(hào)(負(fù)電壓)由MC1413中的一只晶體管控制，符號(hào)位的“-陰極與千位數(shù)陰極接在一起，當(dāng)輸入信號(hào)UX為負(fù)電壓時(shí)，Q2端輸出置“0”， Q2 負(fù)號(hào)控制位使得驅(qū)動(dòng)器不工作，通過(guò)限流電阻RM 使顯示器的“-”(即g 段)點(diǎn)亮；當(dāng)輸入信號(hào)UX為正電壓時(shí)，Q2端輸出置“1”，負(fù)號(hào)控制位使達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通，電阻RM接地，使“-”旁路而熄滅。小數(shù)點(diǎn)顯示是由正電源通過(guò)限流電阻RDP供電燃亮小數(shù)點(diǎn)。若量程不同則選通對(duì)應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)。過(guò)量程是當(dāng)輸入電壓UX超過(guò)量程范圍時(shí)

5、，輸出過(guò)量程標(biāo)志信號(hào)OR 。當(dāng)OR = 0 時(shí)，|UX|>1999，則溢出。|UX|>UR則OR 輸出低電平。當(dāng)OR = 1時(shí)，表示|UX|<UR 。平時(shí)OR輸出為高電平，表示被測(cè)量在量程內(nèi)。MC14433的OR端與MC4511的消隱端BI 直接相連，當(dāng)UX超出量程范圍時(shí)，OR輸出低電平，即OR = 0 BI = 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(fù)號(hào)和小數(shù)點(diǎn)依然發(fā)亮。圖1 位數(shù)顯電壓表電路圖1.位AD轉(zhuǎn)換器MC14433在數(shù)字儀表中，MC14433電路是一個(gè)低功耗 位雙積分式AD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

6、由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和控制電路組成。如果必要設(shè)計(jì)應(yīng)用者可參考相關(guān)參考書(shū)。使用MC14433時(shí)只要外接兩個(gè)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(gè)電容(分別是積分電容CI和自動(dòng)調(diào)零補(bǔ)償電容C0)就能執(zhí)行 位的AD轉(zhuǎn)換。MC14433內(nèi)部模擬電路實(shí)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(dá)l00M以上；2）和外接的RI、CI構(gòu)成一個(gè)積分放大器，完成VT 轉(zhuǎn)換即電壓時(shí)間的轉(zhuǎn)換；3）構(gòu)造了電壓比較器，完成“0”電平檢出，將輸入電壓與零電壓進(jìn)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(gè)判別信號(hào)；4）與外接電容器C0構(gòu)

7、成自動(dòng)調(diào)零電路。除“模擬電路”以外，MC14433 內(nèi)部含有四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，對(duì)反積分時(shí)間進(jìn)行3位半BCD碼計(jì)數(shù)(01999)，并鎖存于 位十進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實(shí)時(shí)取數(shù)信號(hào)(DU)作用下，實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的鎖定和存儲(chǔ)。借助于多路選擇開(kāi)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(biāo)志信號(hào)DS1DS4實(shí)現(xiàn) 位數(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(kāi)關(guān)，完成AD轉(zhuǎn)換各個(gè)階段的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生定時(shí)轉(zhuǎn)換信號(hào)以及過(guò)量程等功能標(biāo)志信號(hào)。在對(duì)基準(zhǔn)電壓VREF 進(jìn)行積

8、分時(shí)，控制邏輯令4位計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，完成AD 轉(zhuǎn)換。MC14433內(nèi)部具有時(shí)鐘發(fā)生器，它通過(guò)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(shí)鐘脈沖，使電路統(tǒng)一動(dòng)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(shí)，振蕩頻率為100kHz；當(dāng)外接電阻為470k時(shí)，振蕩頻率則為66kHz，當(dāng)外接電阻為750k時(shí)，振蕩頻率為50kHz。若采用外時(shí)鐘頻率。則不要外接電阻，時(shí)鐘頻率信號(hào)從CPI(10腳)端輸入，時(shí)鐘脈沖CP 信號(hào)可從CPO(原文資料為CLKO)(11腳)處獲得。MC14433內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)極性檢測(cè)，用于顯示輸入電壓UX 的正負(fù)極性；而它的過(guò)載指示(溢出)的功能是當(dāng)輸

9、入電壓Vx 超出量程范圍時(shí)，輸出過(guò)量程標(biāo)志OR（低有效）。MC14433是雙斜率雙積分AD 轉(zhuǎn)換器，采用電壓時(shí)間間隔(VT)方式，通過(guò)先后對(duì)被測(cè)模擬量電壓UX和基準(zhǔn)電壓VREF 的兩次積分，將輸入的被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，用計(jì)數(shù)器測(cè)出這個(gè)時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)目，即可得到被測(cè)電壓的數(shù)字值。雙積分過(guò)程可以做如下概要理解：首先對(duì)被測(cè)電壓UX 進(jìn)行固定時(shí)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(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(duì)于上述一次積

10、分過(guò)程形成的不同電壓而言，這一次的積分時(shí)間必然不同。于是對(duì)第二次積分過(guò)程歷經(jīng)的時(shí)間用時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，則該數(shù)N就是被測(cè)電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。由此實(shí)現(xiàn)了AD轉(zhuǎn)換。積分電阻電容的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件而定。若時(shí)鐘頻率為66kHz，CI一般取0.1F。RI的選取與量程有關(guān)，量程為2V時(shí)，取RI為470k；量程為200mV時(shí)，取RI為27k。選取RI 和CI 的計(jì)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(dāng)UX(max)=2V 時(shí)，代入上式可得RI=480k，取RI=470k。M

11、C14433設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)零線路，足以保證精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。MC14433AD轉(zhuǎn)換周期約需16000個(gè)時(shí)鐘脈沖數(shù)，若時(shí)鐘頻率為48kHz，則每秒可轉(zhuǎn)換3次，若時(shí)鐘頻率為86kHz，則每秒可轉(zhuǎn)換4次。MC14433 采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列，參考圖1的引腳標(biāo)注，各主要引腳功能說(shuō)明如下：(1) 端：VAG，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測(cè)電壓UX和基準(zhǔn)電壓VREF的參點(diǎn)地。(2) 端：RREF，外接基準(zhǔn)電壓輸入端。(3) 端：UX，是被測(cè)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(diǎn)。(6) 端，C1，外接積分電容端，積分波形由該端

12、輸出。(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失調(diào)補(bǔ)償電容端。推薦外接失調(diào)補(bǔ)償電容C0取0.1F。(9) 端：DU，實(shí)時(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)輸出，否則輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來(lái)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若該端通過(guò)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 (CLKI)，時(shí)鐘信號(hào)輸入端。(11) 端：CPO (CLKO)，時(shí)鐘信號(hào)輸出端。(12) 端：VEE，負(fù)電源端，是整個(gè)電路的電源最負(fù)端，主要作為模擬電路部分的負(fù)電源，該端典型電流約為0.8mA，所有輸出驅(qū)動(dòng)

13、電路的電流不流過(guò)該端，而是流向VSS端。(13) 端：VSS 負(fù)電源端(14) 端：EOC，轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)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(shí)鐘信號(hào)周期的12。(15) 端：OR ，過(guò)量程標(biāo)志輸出端，當(dāng)|UX|>VREF 時(shí)，OR輸出低電平，正常量程OR為高電平。(16)(19) 端：對(duì)應(yīng)為DS4DS1，分別是多路調(diào)制選通脈沖信號(hào)個(gè)位、十位、百位和千位輸出端，當(dāng)DS端輸出高電平時(shí)，表示此刻Q。Q3 輸出的BCD 代碼是該對(duì)應(yīng)位上的數(shù)據(jù)。(20)（23）端：對(duì)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

14、端。(24) 端：VDD，整個(gè)電路的正電源端。2七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器CD4511CD4511 是專用于將二-十進(jìn)制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號(hào)的專用標(biāo)準(zhǔn)譯碼器，它由4 位鎖存器，7段譯碼電路和驅(qū)動(dòng)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(lái)，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(dāng)LE=1時(shí)，鎖存器處于鎖存狀態(tài)，四位鎖存器封鎖輸入，此時(shí)它的輸出為前一次LE=0時(shí)輸入的BCD碼；當(dāng)LE=0時(shí)，鎖存器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。由此可見(jiàn)，利用LE 端的控制作用可以將某一時(shí)刻的輸入B

15、CD代碼寄存下來(lái)，使輸出不再隨輸入變化。(2) 七段譯碼電路：將來(lái)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(gè)控制端： LT (LAMP TEST)燈測(cè)試端。當(dāng)LT = 0時(shí)，七段譯碼器輸出全1，發(fā)光數(shù)碼管各段全亮顯示；當(dāng)LT = 1時(shí)，譯碼器輸出狀態(tài)由BI端控制。 BI (BLANKING)消隱端。當(dāng)BI = 0時(shí)，控制譯碼器為全0輸出，發(fā)光數(shù)碼管各段熄滅。BI = 1時(shí)，譯碼器正常輸出，發(fā)光數(shù)碼管正常顯示。上述兩個(gè)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(dòng)器：利用內(nèi)部設(shè)置的NPN 管構(gòu)成的射極輸出器，加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，使譯碼器輸出驅(qū)動(dòng)

16、電流可達(dá)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，引腳分配和真值表參見(jiàn)圖2。使用CD451l時(shí)應(yīng)注意輸出端不允許短路，應(yīng)用時(shí)電路輸出端需外接限流電阻。3七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列MC1413MC1413采用NPN達(dá)林頓復(fù)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(hào)，并把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載該電路內(nèi)含有7個(gè)集電極開(kāi)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(dòng)器輸出端均

17、接有一釋放電感負(fù)載能量的續(xù)流二極管。4高精度低漂移能隙基準(zhǔn)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(wú)關(guān)該電路的特點(diǎn)是： 溫度系數(shù)小； 噪聲小； 輸入電壓范圍大，穩(wěn)定性能好,當(dāng)輸入電壓從+45V變化到+15V時(shí)，輸出電壓值變化量小于3mV；輸出電壓值準(zhǔn)確度較高，y。值在2.475V2.525V 以內(nèi)； 壓差小，適用于低壓電源； 負(fù)載能力小，該電源最大輸出電流為10mA。MC1403用8條引線雙列直插標(biāo)準(zhǔn)封裝，如圖4所示。  圖2 CD4511 引腳功能圖及其真值表圖3 MC1413管腳功能圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)  圖4 MC1403引腳功能圖3、 組裝與調(diào)

18、試根據(jù)數(shù)顯電壓表圖紙，電壓表組裝并進(jìn)行調(diào)試。 分別將數(shù)顯電壓表的四個(gè)接頭(+5v、5v、接地、以Vi)接上+5V的提供電壓和待測(cè)電壓Vi，接通電壓電源，觀察數(shù)顯電壓表的數(shù)碼管是否有光亮。若有亮光，則電壓表接觸正常。在將待測(cè)電壓分別調(diào)到不同的電壓位上，觀察數(shù)顯電壓表的示數(shù)是否與之相同或相近。用標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)用表測(cè)量電位器接觸的兩端的電阻是否達(dá)到或接近2 k.調(diào)節(jié)電阻，使其達(dá)到2 k。再調(diào)節(jié)電壓檔位，觀察待測(cè)電壓的標(biāo)準(zhǔn)電壓表和數(shù)顯電壓表的電壓值。并繼續(xù)調(diào)節(jié)電位器的電阻。使數(shù)顯電壓表的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)電壓表的電壓值相近或完全相等。則此時(shí)的電阻值是一個(gè)相對(duì)良好的阻值。此時(shí)可以證明數(shù)顯電壓表相對(duì)成功。并記下幾個(gè)測(cè)量值，與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。觀察相對(duì)誤差。若數(shù)碼管沒(méi)有光亮，則重新觀察電路板是否有接錯(cuò)或未接。并可以用電阻表測(cè)量檢驗(yàn)兩線之間是否連接成功。最終在接到儀器上去進(jìn)行觀察是否有光亮。4、 實(shí)驗(yàn)元件雙積分A/D轉(zhuǎn)換器 MC1433（1只） 基準(zhǔn)電壓源MC1403（1只） 達(dá)頓管TD62003 （1只） 4線-7段存譯碼器CC451（1只） 電阻 470 k 2只 100 8只電容 0.1F 2只數(shù)碼管 共陰極 4個(gè)電位器 1只 IC插座（40p、24p、16p、8p） 各1只5、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)值0.1350.2120.4460.8731.1041.43