電子線路設(shè)計

1、電子線路課程實驗設(shè)計報告數(shù)字電壓表的設(shè)計設(shè)計者： 霍琳 （20131321046） 2015年5月23日摘要一、設(shè)計目的綜合運用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實際工程技術(shù)問題的能力查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力熟悉常用電子儀器操作使用和測試方法 工程繪圖能力寫技術(shù)報告和編制技術(shù)資料的能力。培養(yǎng)同學(xué)之間合作與交流的能力電路檢測與故障排查能力二、設(shè)計要求及技術(shù)指標(biāo)利用所學(xué)知識，通過上網(wǎng)或到圖書館查閱資料，設(shè)計三個實現(xiàn)數(shù)字萬用表的方案；只要求寫出實現(xiàn)原理，畫出原理功能框圖，描述其功能。說明：采用原理、方案不限，也可以自行設(shè)計。其中對將要實驗方案中的數(shù)字電壓表，需采用中、小規(guī)模集成電路、MC14433

2、 A/D轉(zhuǎn)換器等電路進(jìn)行設(shè)計，寫出已確定方案詳細(xì)工作原理，計算出參數(shù)。關(guān)鍵詞： 數(shù)字電壓表 電壓 轉(zhuǎn)換 模塊目錄1、系統(tǒng)設(shè)計及原理11.1系統(tǒng)可行性21.2系統(tǒng)工作過程及原理32、電路設(shè)計單元和模塊42,1系統(tǒng)框圖52.2電路元件連接圖63、測試方案與測試結(jié)果：94、設(shè)計總結(jié)和心得95、主要器件清單9正文1.系統(tǒng)設(shè)計方案及原理1.1系統(tǒng)可行性：方案主要采用MC14433、CD4511作為顯示部分，而且外圍器件比較簡單，只需電阻和電容即可。；通過R1、R2起到限流作用，防止因輸入信號電流過大而損壞芯片。MC14433本身功耗就很低，而且采用動態(tài)掃描每一刻只有一個數(shù)碼管在亮這又省四分之一的電。采用

3、本電路接線簡單原理易明白，只需按原理把硬件電路接好就可以實現(xiàn)數(shù)字萬用表的功能，無需軟件上的編程，技術(shù)上易懂，即使是非專業(yè)人員也可以進(jìn)行安裝、調(diào)試、檢修，而且器件價格合適，采購方便，為專業(yè)制作萬用表的芯片。成本低，推廣起來易實施。1.2系統(tǒng)工作過程以及原理：三位半數(shù)字電壓表通過位選信號DS1DS4進(jìn)行動態(tài)掃描顯示，由于MC14433電路的A/D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(yīng)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

4、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(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對應(yīng)最高位(MSD)，DS4則對應(yīng)最低位(LSD)。在對應(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及過量程、欠量程和極性標(biāo)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)字顯示為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

5、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(負(fù)電壓)由MC1413中的一只晶體管控制，符號位的“-陰極與千位數(shù)陰極接在一起，當(dāng)輸入信號UX為負(fù)電壓時，Q2端輸出置“0”， Q2 負(fù)號控制位使得驅(qū)動器不工作，通過限流電阻RM 使顯示器的“-”(即g 段)點亮；當(dāng)輸入信號UX為正電壓時，Q2端輸出置“1”，負(fù)號控制位使達(dá)林頓驅(qū)動器導(dǎo)通，電阻RM接地，使“-”旁路而熄滅。小數(shù)點顯示是由正電源通過限流電阻RDP供電點亮小數(shù)點。若量程不同則選通對應(yīng)的小數(shù)點。過量程是當(dāng)輸入電壓UX超過量程范圍時，輸出過量程標(biāo)志信號。當(dāng)Q3=0,Q0=1時，表示Ux處于過量程

6、狀態(tài)；當(dāng)Q3=1,Q0=1時，表示Ux處于欠量程狀態(tài)。當(dāng) = 0 時，|UX|>1999，則溢出。|UX|>UR則 輸出低電平。當(dāng) = 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(dāng)UX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(fù)號和小數(shù)點依然發(fā)亮。三位半A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。和其它典型的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器類似，MC14433A/D轉(zhuǎn)換器

7、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A/D轉(zhuǎn)換。  MC14433內(nèi)部模擬電路實現(xiàn)了如下功能：（1）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)成一個積分放大器，完成V/T 轉(zhuǎn)換即電壓時間的轉(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

8、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。除“模擬電路”以外，MC14433 內(nèi)部含有四位十進(jìn)制計數(shù)器，對反積分時間進(jìn)行3位半BCD碼計數(shù)(01999)，并鎖存于三位半十進(jìn)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(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(biāo)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(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A/D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

9、過量程等功能標(biāo)志信號。在對基準(zhǔn)電壓VREF 進(jìn)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(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時，振蕩頻率為100kHz；當(dāng)外接電阻為470k時，振蕩頻率則為66kHz，當(dāng)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

10、UX 的正負(fù)極性；而它的過載指示(溢出)的功能是當(dāng)輸入電壓Vx 超出量程范圍時，輸出過量程標(biāo)志（低有效）。MC14433是雙斜率雙積分A/D 轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(jìn)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(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

11、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A/D轉(zhuǎn)換。積分電阻電容的選擇應(yīng)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(guān)，量程為2V時，取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(dāng)UX(max)=2V

12、時，代入上式可得RI=480k，取RI=470k。MC14433設(shè)計了自動調(diào)零線路，足以保證精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。MC14433A/D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。 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，各主要引腳功能說明如下：(1) 端：VAG，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測電壓UX和基準(zhǔn)電壓VREF的參考點地。(2) 端：RREF，外接基準(zhǔn)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：RI/CI，外接積分元件電阻和電容

13、的公共接點。(6) 端，CI，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 (CLKI)，時鐘信號輸入端。(11) 端：CPO (CLKO)，時鐘信號輸出端。(12) 端：VEE，負(fù)電源端，是整個電路的電源最負(fù)端，主要作為模

14、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)動電路的電流不流過該端，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A/D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1/2。(15) 端：，過量程標(biāo)志輸出端，當(dāng)|UX|>VREF 時，輸出低電平，正常量程為高電平。(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，當(dāng)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A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)輸出BC

15、D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。七段鎖存-譯碼-驅(qū)動器MC4511  MC4511 是專用于將二-十進(jìn)制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號的專用標(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(dāng)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(dāng)LE=0時，鎖存器處于選通狀態(tài)，輸

16、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(dāng)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(dāng)LT = 1時，譯碼器輸出狀態(tài)由BI端控制。 BI (BLANKING)消隱端。當(dāng)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

17、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(dá)20mA。MC4511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。MC4511采用16引線雙列直插式封裝，引腳分配和真值表參見圖2。使用MC451l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。七路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列MC1413  MC1413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，并把電壓信號轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號驅(qū)動各種負(fù)載該電路內(nèi)含有7個集電極開路反相器(也稱OC0門)

18、。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(fù)載能量的續(xù)流二極管。實際試驗中，我們將用五個三極管和若干電阻代替MC14433。高精度低漂移能隙基準(zhǔn)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)??； 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，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。2、電路設(shè)計單元和模塊系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)為設(shè)計一個數(shù)字電壓表?；疽笫窃陔娐钒迳虾附訑?shù)字電路，結(jié)合MC14433、CD4511、MC1413、MC1403芯片以及LCD數(shù)碼管完成數(shù)字電壓表的電路設(shè)計并進(jìn)行相關(guān)測試。據(jù)此，本系統(tǒng)采用以各種芯片為核心的數(shù)字電壓表系統(tǒng)主要由以下幾個功能模塊構(gòu)