數(shù)字電壓表(數(shù)字電路課設(shè))

1、河北建筑工程學院課程設(shè)計報告書課程名稱： 電子技術(shù)綜合課程設(shè)計 學 院： 電氣工程學院 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 年 月 日1、 三位半數(shù)字電壓表 數(shù)字電壓表基本原理：數(shù)字電壓表主要由直流數(shù)字電壓表構(gòu)成，它由阻容濾波器、前置放大器、直流轉(zhuǎn)換器ACDC、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD、發(fā)光二極管顯示器LED及保護電路等組成。2、 功能要求1：根據(jù)題目:利用所學過知識，通過上網(wǎng)或到圖書館查閱資料，設(shè)計3個實現(xiàn)數(shù)字電壓表的方案；只要求寫出實現(xiàn)工作原理，畫出原理功能框圖，描述其功能。   說明:采用原理、方案、方法不限，可以自行設(shè)計。 2：

2、其中對將要實驗方案3 1/2位數(shù)字電壓表方案，須采用中、小規(guī)模集成電路、MC14433A/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)。三、 技術(shù)指標： 測量直流電壓1999-0001V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V4、 方案設(shè)計方案一：基于MC14433的數(shù)字電壓表該方案大致分為五個模塊，分別為基準電壓模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊；字形譯碼驅(qū)動模塊；顯示電路模塊；字位驅(qū)動模塊。由圖1可以清楚地看出，交流電流經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換成直流，經(jīng)過電阻分壓集穩(wěn)壓放大后進入雙積分轉(zhuǎn)換器MC14433測量，再通過CD4511譯

3、碼器經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器位選電路送到LED顯示，完成電壓測試。其原理框圖如下圖1圖1方案二：該方案將直流電壓和交流電壓轉(zhuǎn)換電路直接同芯片INC7107連接組成，INC7107將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)顯示在LED顯示數(shù)碼管上。INC7017為CMOS3 1/2為單片雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，集模擬部分的緩沖器、積分器、電壓比較器、正負電壓參考源和模擬開關(guān)，以及數(shù)字部分的振蕩器、計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、驅(qū)動器、控制器和邏輯電路于一身的芯片。使用時只需少量電阻、電容等器件即可完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。其原理框圖如下圖2 圖2 方案三：利用成熟芯片ICL7107實現(xiàn)電壓的測量，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓的結(jié)果。其

4、原理框圖如下圖3圖35、 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。缺點是精度比較低，且內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換和控制部分不可控制。優(yōu)點是價格低廉。方案二：選用專用電壓轉(zhuǎn)化芯片INC7107實現(xiàn)電壓的測量和控制。它包含3 1/2位數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管。用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。缺點是精度比較低，且內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換和控制部分不可控制。優(yōu)點是價格低廉。方案三：利

5、用成熟芯片ICL7107優(yōu)點：可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動、自動調(diào)零功能等。綜合比較三個方案，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；而方案二雖然價格低廉，但是精度較低；方案三規(guī)模大較復(fù)雜，綜合比較我們選擇了方案一。六、/位數(shù)字電壓表部件構(gòu)成：三位半A/D轉(zhuǎn)換器(MC14433)：將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。基準電壓（MC1403）：提供精密電壓，供A/D轉(zhuǎn)換器做參考電壓。譯碼器（MC4511）：將二十進制（BCD）碼轉(zhuǎn)換成七段信號。驅(qū)動器（MC1413）：驅(qū)動顯示器的a，b，c，d，e，f，g七個發(fā)光段，驅(qū)動發(fā)光

6、數(shù)碼管（LED）進行顯示。顯示器：將譯碼輸出的七段信號進行數(shù)字顯示，讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。工作過程：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D

7、S2，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)的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UX>0，Q2的電平為0，表示極性為負，即UX<0。顯示數(shù)的負號(負電壓)由MC1413中的一只晶體管控制，符號位的“-陰極與千位

8、數(shù)陰極接在一起，當輸入信號UX為負電壓時，Q2端輸出置“0”， Q2負號控制位使得驅(qū)動器不工作，通過限流電阻RM使顯示器的“-”(即g 段)點亮；當輸入信號UX為正電壓時，Q2端輸出置“1”，負號控制位使達林頓驅(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供電燃亮小數(shù)點。若量程不同則選通對應(yīng)的小數(shù)點。過量程是當輸入電壓UX超過量程范圍時，輸出過量程標志信號OR-。當OR-= 0 時，|UX|>1999，則溢出。|UX|>UR則OR-輸出低電平。當OR- = 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

9、的OR-端與MC4511的消隱端BI-直接相連，當UX超出量程范圍時，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，而負號和小數(shù)點依然發(fā)亮。元器件介紹：1.三位半AD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

10、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以上；（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。MC14433 采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列，參考下圖的引腳標注，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和基準電壓VREF的參考點地。(2)

11、端：RREF，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 (CLKI)，

12、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，當DS端輸出高電平時，表

13、示此刻Q0Q3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 CD4511 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A,B，C 和代碼寄存起來，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

14、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)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)

15、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量程選擇電路 如下圖中四個電阻串聯(lián)分壓設(shè)計，總電阻值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)

16、S3閉合時，衰減100倍，其量程為200V。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)字顯示器上。4.單相橋式整流濾波電路 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。5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，輸出電壓值變化值小于3mV；輸

17、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。MC1403用8條引線雙列直插標準封裝，如下圖所示。7、 心得體會 當聽到老師布置的這個任務(wù)時，我感到這是不可能完成的，因為雖然學了很多元器件，但是很難將它們聯(lián)系在一起，更別說是將這么多元器件設(shè)計在一起，還要將電路圖用軟件畫出來，用軟件畫圖也從來沒有接觸過，這完全就是靠自己自學了，本來感覺毫無希望的，但是在與同學們進行了許多交流之后，我們漸漸的有了頭緒，通過從網(wǎng)上和書上查閱資料，參考其他的設(shè)計報告，我們的設(shè)計逐漸的出來了，畫圖是個讓人興奮又痛苦的過程，眼睛一直盯著屏幕，但是用從未用過的軟件畫圖激發(fā)了我無限的好奇心，越畫越感興趣，當圖完成的時候真的很興奮，我很喜歡課設(shè)，喜歡和大家一起探索的過程。8