電子線路數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

1、電子線路CAD論文 數(shù)字電壓表目 錄摘 要1第一章 緒論21.1 芯片的介紹3第二章 應(yīng)用電路原理圖設(shè)計(jì)52.1芯片原理圖元件52.2電路設(shè)計(jì)52.3 本章小結(jié)8第三章 數(shù)字電壓表應(yīng)用電路PCB板設(shè)計(jì)83.1 芯片原件封裝93.2 整體電路PCB板設(shè)計(jì)103.3 本章小結(jié)11第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)11參考文獻(xiàn)12 摘 要隨著電子科學(xué)技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對(duì)測(cè)量的精度和功能的要求也越來(lái)越高，單片機(jī)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)分支廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器，甚至電子玩具等各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹一種以MC14433芯片為核心的數(shù)

2、字電壓測(cè)量電路,該電路采用高精度、雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路，測(cè)量范圍直流1.999V和199.9mV伏，使用液晶模塊顯示。該電路設(shè)計(jì)新穎、功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：電壓測(cè)量數(shù)字電壓數(shù)碼管 第一章 緒論 數(shù)字電壓表（DigitalVoltmeter）簡(jiǎn)稱DVM，作為智能儀表的一種，它是采用數(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。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求，采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表，由精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便，還可與PC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子

3、及電工測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等智能化測(cè)量領(lǐng)域，示出強(qiáng)大的生命力。1.1 芯片的介紹MC14433是美國(guó)Motorola公司推出的單片3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：1.精度：讀數(shù)的0.05%1字2.模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔3.轉(zhuǎn)換速率：2-25次/s4.輸入阻抗：大于1000M5.輸入阻抗：大于1000M6.功耗：8mW（5V電

4、源電壓時(shí)，典型值）7.功耗：8mW（5V電源電壓時(shí)，典型值）MC14433的引腳說(shuō)明： 1. Pin1(VAG)模擬地，為高科技阻輸入端，被測(cè)電壓和基準(zhǔn)電壓的接入地。2. Pin2(VR)基準(zhǔn)電壓，此引腳為外接基準(zhǔn)電壓的輸入端。MC14433只要一個(gè)正基準(zhǔn)電壓即可測(cè)量正、負(fù)極性的電壓。此外，VR端只要加上一個(gè)大于5個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖(VR)，就能夠復(fù)為至轉(zhuǎn)換周期的起始點(diǎn)。3. Pin3(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：因此，滿量程的Vx=VR。當(dāng)滿量程選為1.999V，VR可取2.000V，而當(dāng)滿量程為199.9mV時(shí)，VR取2

5、00.0mV，在實(shí)際的應(yīng)用電路中，根據(jù)需要，VR值可在200mV2.000V之間選取。4. Pin4-Pin6(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，積分電容一般選0.1uF聚脂薄膜電容，如果需每秒轉(zhuǎn)換4次，時(shí)鐘頻率選為66kHz，在2.000V滿量程時(shí)，電阻R1約為470k，而滿量程為200mV時(shí)，R1取27k。5. Pin7、Pin8(C01、C02)外接失調(diào)補(bǔ)償電容端，電容一般也選0.1uF聚脂薄膜電容即可。6. Pin9(DU)更新顯示控制端，此引腳用來(lái)控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。如果在積分器反向積分周期之前，DU端輸入一個(gè)正跳變脈沖，該轉(zhuǎn)換周期所得到的結(jié)果將被送入輸

6、出鎖存器，經(jīng)多路開關(guān)選擇后輸出。否則繼續(xù)輸出上一個(gè)轉(zhuǎn)換周期所測(cè)量的數(shù)據(jù)。這個(gè)作用可用于保存測(cè)量數(shù)據(jù)，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。7. Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)時(shí)鐘外接元件端，MC14433內(nèi)置了時(shí)鐘振蕩電路，對(duì)時(shí)鐘頻率要求不高的場(chǎng)合，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。若需要較高的時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度，則需采用外接石英晶體或LC電路，參考附圖。8. Pin12(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

7、高。9. Pin13(Vss)數(shù)字電路的負(fù)電源引腳。Vss工作電壓范圍為VDD-5VVssVEE。除CLK0外，所有輸出端均以Vss為低電平基準(zhǔn)。10. Pin14(EOC)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志位。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)。11. Pin15（OR非）過(guò)量程標(biāo)志位 ，當(dāng)|Vx|VREF時(shí)， 輸出為低電平。12. Pin16、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)。當(dāng)某一位DS信號(hào)有效（高電平）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)從Q0、Q1、Q2和Q3輸出，兩個(gè)選通脈沖之間的間隔為2個(gè)時(shí)鐘周期，以

8、保證數(shù)據(jù)有充分的穩(wěn)定時(shí)間。13. Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)BCD碼數(shù)據(jù)輸出端。該A/D轉(zhuǎn)換器以BCD碼的方式輸出，通過(guò)多路開關(guān)分時(shí)選通輸出個(gè)位、十位、百位和千位的BCD數(shù)據(jù)。同時(shí)在DS1期間輸出的千位BCD碼還包含過(guò)量程、欠量程和極性標(biāo)志信息，這些信息所代表的意義見下表。13. Pin24(VDD)正電源電壓端。MC14433最主要的用途是數(shù)字電壓表，數(shù)字溫度計(jì)等各類數(shù)字化儀表及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口。 第二章 應(yīng)用電路原理圖設(shè)計(jì)2.1芯片原理圖元件 原理圖元件包括MC14433芯片、MC1413晶體管驅(qū)動(dòng)器、MC4511譯碼器、電阻、電容等。2.2電

9、路設(shè)計(jì) 2.2.1功能模塊設(shè)計(jì) 功能模塊分為3個(gè)，分別是芯片控制模塊、穩(wěn)壓模塊以及數(shù)碼管顯示模塊。 MC1403穩(wěn)壓模塊如圖2-1所示。穩(wěn)壓器有以下幾部分組成：1、調(diào)整電路； 圖2-1 穩(wěn)壓模塊2、取樣電路；3、取樣放大；4、基準(zhǔn)電路；穩(wěn)壓過(guò)程：設(shè)輸出電壓已達(dá)到預(yù)設(shè)電壓。當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，取樣電路取得樣本經(jīng)取樣放大與基準(zhǔn)電路比較判斷輸出電壓是向高了變化還是向低了變化，并判斷變化量，由此控制調(diào)整電路工作，促使調(diào)整電路調(diào)整輸出電壓向低或高變化，直到輸出達(dá)到預(yù)設(shè)電壓如下圖2-2為芯片控制模塊。在數(shù)字儀表中，MC14433電路是一個(gè)低功耗三位半雙積分式AD轉(zhuǎn)換器。和其它典型的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器類似，M

10、C14433AD轉(zhuǎn)換器由積分器、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。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)行三位半的AD轉(zhuǎn)換。MC14433內(nèi)部模擬電路實(shí)現(xiàn)了如下功能：提高A/D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”。 圖 2-2 芯片控制模塊在圖2-3的數(shù)碼管顯示模

11、塊中，譯碼驅(qū)動(dòng)部分采用了MC4511、數(shù)位驅(qū)動(dòng)部分采用了MC1413、數(shù)字顯示部分采用了顯示器。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2-3所示）可采用MC14433三又二分之一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)是三又二分之一數(shù)字電壓表,三又二分之一位是指十進(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：三又

12、二分之一位AD轉(zhuǎn)換器(MC14433)：將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(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。 圖 2-3 數(shù)碼管顯示模塊 2.2.2功能電路設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表功能電路如圖2-4。首先繪制出本電路的個(gè)芯片原理圖元件，并保存于原理圖庫(kù)中。最后根據(jù)電路繪制原理圖。插入電阻、電容以及數(shù)碼管和繪制好的芯片。譯碼驅(qū)動(dòng)部分采用了MC4

13、511、數(shù)位驅(qū)動(dòng)部分采用了MC1413、數(shù)字顯示部分采用了顯示器。接上上拉電阻并保證數(shù)碼管各引腳對(duì)應(yīng)并導(dǎo)通。最后進(jìn)行電路個(gè)線路的檢查，也可以進(jìn)行電路的仿真，測(cè)試電路是否連接正確，以及電壓參數(shù)等。設(shè)計(jì)好的功能電路如下： 圖2-4 功能電路總圖2.3 本章小結(jié)本章總線在于原理圖的繪制，首先要?jiǎng)?chuàng)建芯片的原理圖庫(kù)，并將芯片添加進(jìn)來(lái)。本章中遇到的最大問(wèn)題是線路連接的繁雜，必須保證各引腳對(duì)應(yīng)連接。首先必須要了解個(gè)芯片的引腳以及芯片的功能，進(jìn)而分析各模塊電路的功能，最后設(shè)計(jì)出總的功能電路。在最后的細(xì)心檢查中，我發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的引腳連線出現(xiàn)錯(cuò)誤，并未對(duì)應(yīng)連接，最后分析并把它修正。獲得一個(gè)完整的電路。為后期的封裝設(shè)

14、計(jì)以及布線做好了準(zhǔn)備。第三章 數(shù)字電壓表應(yīng)用電路PCB板設(shè)計(jì)3.1 芯片原件封裝 圖3-1 MC1413芯片封裝 MC1413芯片采用雙列直插式。引腳距離G=2.54bsc，芯片寬B=6.35-6.85，芯片長(zhǎng)A=18.80-19.55。 圖3-2 MC1403芯片封裝 芯片MC1403的芯片手冊(cè)封裝如圖3-2所示。引腳距離e=2.54bsc，芯片寬F=6.6，芯片長(zhǎng)D=10.92等 根據(jù)各芯片的芯片手冊(cè)，可以查出芯片的各尺寸。從而建立芯片的封裝。利用查找的資料可以做出各芯片的封裝。如圖3-3為芯片MC14433的封裝，圖3-4為MC1413的封裝，MC4511的封裝以及MC1403的封裝略。 圖3-3 MC14433芯片封裝 圖3-4 MC1413芯片封裝 3.2 整體電路PCB板設(shè)計(jì) PCB板根據(jù)設(shè)計(jì)的封裝芯片生成，但必須先在原理圖中設(shè)置芯片的封裝形式，才能將原理圖導(dǎo)入PCB板，最后合理設(shè)計(jì)PCB板的尺寸，布置好各元器件的位置，便可自動(dòng)布線生成完整的PCB電路板。如下圖，圖3-5所示。3.3 本章小結(jié) 本章