簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表電路課設(shè)

1、沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程名稱 電子線路課程設(shè)計(jì) 院（系） 電子信息工程學(xué)院 專業(yè) 電子信息工程班級(jí) 84020105 學(xué)號(hào)2008040201141 姓名張超偉 課程設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表電路的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)時(shí)間: 2010 年 12 月20日至 2011年01月02日課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計(jì)說(shuō)明設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表，它可以測(cè)量直流、交流電壓。其參考原理框圖如圖1所示。ux分壓電路輸入保護(hù)及緩沖電路交、直流轉(zhuǎn)換電路壓頻轉(zhuǎn)換電路計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路ACACDCDC圖1數(shù)字電壓表的原理框圖二、技術(shù)指標(biāo)測(cè)量電壓的技術(shù)指標(biāo)如下表1所示。表1測(cè)量項(xiàng)目量程準(zhǔn)確度(23±

2、5)輸入電阻分辨力最大允許電壓DCV2V±（0.5%RDG+3字）10M1mV500V20V10mVACV(RMS)(40Hz1kHz)2V±（1.0%RDG+3字）10M1mV±500V20V10mv三、設(shè)計(jì)要求1在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮成本，要求采用LED顯示。各量程的轉(zhuǎn)換采用開關(guān)轉(zhuǎn)換。2根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)。3畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。四、實(shí)驗(yàn)要求1根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路。2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。五、推薦參考資料1沙占友、李學(xué)芝著.中外數(shù)字萬(wàn)用表電路原理與維修技術(shù). M北京：人民郵電出版社，19

3、93年2. 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).M北京：高等教育出版社，2006年3. 童詩(shī)白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).M北京：高等教育出版社，2006年4. 戴伏生.基礎(chǔ)電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐. M北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002年5. 譚博學(xué)主編.集成電路原理與應(yīng)用.M北京：電子工業(yè)出版社，2003年六、按照要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告指導(dǎo)教師年月日負(fù)責(zé)教師年月日學(xué)生簽字年月日成績(jī)?cè)u(píng)定表評(píng)語(yǔ)、建議或需要說(shuō)明的問(wèn)題：指導(dǎo)教師簽字： 日期：成 績(jī)一、概述本設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表，隨著電子科學(xué)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，而電壓的測(cè)量甚為突出，因?yàn)殡妷旱臏y(cè)量最為

4、普遍。而本次任務(wù)是可以測(cè)量直流、交流電壓，分為2V和20V兩檔，輸入電阻為10M，精確度要求達(dá)到1mV、10mV，通過(guò)參考多種材料及分析仿真，做成了簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表。通過(guò)此次課設(shè)使我對(duì)我們所學(xué)的知識(shí)有了更深的認(rèn)識(shí)和體會(huì)，對(duì)自我動(dòng)手的能力也提高了很多。二、方案論證方案一：數(shù)字電壓表可以測(cè)量直流、交流電壓，最終經(jīng)轉(zhuǎn)換通過(guò)LED顯示。其原理框圖如圖2所示分壓電路輸入保護(hù)及緩沖電路交、直流轉(zhuǎn)換電路壓頻轉(zhuǎn)換電路計(jì)數(shù)譯碼顯示電路ACACDCDC圖2數(shù)字電壓表的原理框圖輸入電壓經(jīng)分壓電路分成2V和20V兩檔，再通過(guò)電壓跟隨器構(gòu)成的保護(hù)緩沖電路后輸出，如果為直流，則直接通過(guò)壓頻轉(zhuǎn)換送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路，若為交流

5、先經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換電路，再通過(guò)壓頻轉(zhuǎn)換，到計(jì)數(shù)譯碼驅(qū)動(dòng)電路，最終通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)。方案二：方案二的原理框圖如圖3所示，電路由分壓電路，輸入保護(hù)及緩沖電路，交、直流變換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)及譯碼顯示電路組成。前幾個(gè)模塊的功能與方案一相同，不同的是方案中用到單片機(jī)對(duì)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行記錄然后通過(guò)譯碼顯示電路進(jìn)行顯示。分壓電路輸入保護(hù)及緩沖電路交、直流轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路譯碼顯示電路ACACDCDCux圖3方案2的原理框圖由于仿真軟件中無(wú)設(shè)計(jì)要求的A/D轉(zhuǎn)換芯片，所以本次課設(shè)采用的是方案一的設(shè)計(jì)。三、電路設(shè)計(jì)1.分壓電路及保護(hù)緩沖電路電壓表測(cè)量交、直流共用一個(gè)分壓電路，

6、通過(guò)電阻進(jìn)行分壓將電壓表的量程分為2V，20V。分壓電阻的總阻值為 10 M，各檔的分壓比通過(guò)量程轉(zhuǎn)換開關(guān)S2加以選擇，并且按照10倍率關(guān)系來(lái)改變。該分壓器將0500V被測(cè)交、直流電壓一律衰減到2V以下，以便于將電壓送入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行測(cè)量及顯示。分壓電路如圖3所示，當(dāng)電路中開關(guān)J1撥到上面時(shí)測(cè)的是直流電壓，而當(dāng)開關(guān)S1撥到下面時(shí)測(cè)的是交流電壓。 R14、R5是分壓電阻，J2是量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，從上到下量程分別為2V，20V。電路中Ui1即電阻R5端為電壓輸入端，Uo1即OP22HS6端為分壓后電壓輸出端。緩沖部分由兩個(gè)分壓電阻、二極管以及一個(gè)電壓跟隨器組成。輸入保護(hù)電路由R11、D4、D5組成

7、。其中R11起限流作用，D4和D5組成雙向限幅電路進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，電位器用以調(diào)整失調(diào)電壓。分壓緩沖保護(hù)電路如圖4所示。R11為輸入，6端口為輸出。圖4分壓緩沖保護(hù)電路圖2.交直流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)交、直流變換電路是用來(lái)將交流電壓變換成直流電壓，而最終得到的直流電壓大小相當(dāng)于交流電壓的有效值。該電路的設(shè)計(jì)需要濾波器和放大器，濾波器的作用是將交流變換成直流，放大器的作用是將電壓平均值轉(zhuǎn)換成有效值。交直流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，電路中U1端為交流輸入端，U0端為將交流轉(zhuǎn)換成直流的輸出端，電路采用以正弦波平均值為響應(yīng)的AC/DC轉(zhuǎn)化的原理。在電路中由微功耗單運(yùn)放的U7（ICL7611DCBA）和二極管D6(

8、1N4148)組成半波整流電路。采取將U1接成反向放大器，D6僅在正半周時(shí)導(dǎo)通，進(jìn)行半波整流。副半周時(shí)D6截止，D7導(dǎo)通，D7，R19的作用是防止U7的輸出端出現(xiàn)電壓飽和現(xiàn)象，并使U7的反相輸入端的電壓保持穩(wěn)定。放大器U8（MC3476）與電容器C8構(gòu)成有源濾波器，以便獲得平均電壓值 VO，對(duì)半波整流而言，正弦波與平均值的關(guān)系為：V=2.22 VO這就要求U8的電壓放大倍數(shù)KV>2.22倍，才有調(diào)整余量。U8的負(fù)反饋電阻Rf=R21+R22，反相輸入端的電阻為R18。因此R22是可調(diào)電阻，調(diào)整其以改變反饋電阻值，進(jìn)而控制MC347的增益使輸出電壓在數(shù)值上恰好是被測(cè)交流電壓的有效值?，F(xiàn)取R

9、21=39K，R2220 K，只需調(diào)節(jié)R22= 5.4K電路中R24是ACV檔的校整電位器。選擇U8的原則是功耗低，快速實(shí)現(xiàn)放大功能?？删幊踢\(yùn)算放大器MC3476輸入失調(diào)電壓2mV，輸入偏置電流15 mA，轉(zhuǎn)換速率為10mV/s，選擇MC3476滿足電路設(shè)計(jì)要求。R15為交流電壓輸入口，MC3476U為直流電壓輸出。圖5交、直流變換電路3.壓頻轉(zhuǎn)換電路壓頻轉(zhuǎn)換電路是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，先通過(guò)運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行電壓放大，然后再通過(guò)LM324J進(jìn)行電壓積分，其次通過(guò)理想運(yùn)放，經(jīng)過(guò)一系列整流反饋，將輸入進(jìn)來(lái)的電壓放大為頻率，通過(guò)改變電路中電阻、電容等的參數(shù)，最終電壓和頻率放大關(guān)系為一千倍左右。壓頻

10、轉(zhuǎn)換電路如下圖6所示。電阻R1處為電壓輸入，74LS008D為頻率輸出。圖6 壓頻轉(zhuǎn)換電路4.計(jì)數(shù)譯碼顯示電路 在計(jì)數(shù)譯碼顯示電路中，計(jì)數(shù)器采用74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并且采用同步預(yù)置法進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)CD4511譯碼器譯成七段碼通過(guò)LED顯示出來(lái)，由于精度顯示的需要，本次顯示需用4片數(shù)碼管顯示輸出，因此用了四個(gè)計(jì)數(shù)器。通過(guò)接每個(gè)計(jì)數(shù)器的高位輸出端將次計(jì)數(shù)器變成能夠輸出為0-9999的計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)譯碼顯示電路如圖7所示。圖7計(jì)數(shù)譯碼顯示電路四、性能的測(cè)試（1）分壓緩沖測(cè)試：分壓緩沖保護(hù)電路如圖8所示圖8 分壓緩沖電路性能測(cè)試當(dāng)輸入電壓為1V時(shí)，我們選擇直流擋2V量程，輸出電壓為999.832

11、mV。當(dāng)輸入電壓為2V20V之間的交流電壓時(shí)，輸出電壓值為輸入值的10倍率減小。如圖9所示圖9 直流電壓測(cè)量值表1電壓測(cè)量輸入電壓測(cè)量值理論值1V999.832mV1V5V500.158mV500 mV10Vrms1V1V20Vrms2.001 V2.0 V（2）交直流轉(zhuǎn)換測(cè)試：交直流轉(zhuǎn)換電路如圖10所示圖10 交直流轉(zhuǎn)換電路半波整流部分輸入電壓為2V時(shí)，輸出電壓為V=-Rf/R5=0.5Vin=-1V。最終輸出電壓與輸入電壓在數(shù)值上近似相等，如圖11a所示，同時(shí)整流后的波形，如圖11b所示圖11a 交直流轉(zhuǎn)換電路顯示圖11b整流后的波形顯示表交直流轉(zhuǎn)換電壓值輸入電壓測(cè)量值理論值V1.98VV

12、V4.951VV10V9.776V10V20V19.819V20V由于電路連接及參數(shù)本身存在一定問(wèn)題，電容的充放電速度都會(huì)影響電路測(cè)量電壓值，所以存在一定誤差。（3）壓頻轉(zhuǎn)換電路性能測(cè)試 壓頻轉(zhuǎn)換電路測(cè)試如圖12所示圖12 壓頻轉(zhuǎn)換電路性能測(cè)試輸入2v直流電壓，轉(zhuǎn)換成的頻率如圖13所示圖13 壓頻轉(zhuǎn)換電路顯示表3壓頻轉(zhuǎn)換頻率值輸入電壓測(cè)量值理論值V2.182KHZ2KHZV5.045KHZ5KZ10V9.989KHZ10KHZ15V15.032HZ15KHZ（4）計(jì)數(shù)譯碼顯示電路性能測(cè)試 當(dāng)給一個(gè)方波脈沖，其頻率為1KHZ，計(jì)數(shù)器開始工作通過(guò)譯碼然后在數(shù)碼管上顯示出來(lái)，如圖14所示 。計(jì)數(shù)器能

13、夠顯示0-9999區(qū)間的數(shù)值，保證電壓表精度顯示需要。圖14 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路測(cè)試五、結(jié)論、性價(jià)比數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)有多種不同的方法，根據(jù)所需的功能設(shè)計(jì)出的電壓表可以將各個(gè)功能實(shí)現(xiàn)，因此可以根據(jù)不同的用途選擇不同的元器件組成不同的電路，很多新型的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)采用集成芯片作為核心電路，再加上運(yùn)算放大器等電路，集成度高，電路規(guī)模小，適合用于要求比較穩(wěn)定的電壓場(chǎng)合；而有的電壓表設(shè)計(jì)則結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本自然較低，但電壓不是很穩(wěn)定。本次課程設(shè)計(jì)的電壓表設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)整個(gè)課設(shè)題目的分析理解，對(duì)題目劃分四個(gè)模塊，逐塊分析仿真，設(shè)計(jì)思路明確易懂，電路圖可讀性好，從器件選擇到設(shè)計(jì)整體都考慮器件的常

14、見(jiàn)度。本次的設(shè)計(jì)不足之處在于設(shè)計(jì)多用到的是晶體管電路，對(duì)實(shí)物自作來(lái)說(shuō)可能性價(jià)比不是很高。但總體看來(lái)本次電路都遵循性價(jià)比原則，各個(gè)器件都比較常見(jiàn)，而且每個(gè)功能模塊都實(shí)現(xiàn)。同時(shí)按照輸入電阻的大小，結(jié)果的分辨率大小以及電壓的量程比對(duì)，任務(wù)結(jié)果基本符合課設(shè)要求。六、課設(shè)體會(huì)及合理化建議通過(guò)這兩周的課程設(shè)計(jì)使我學(xué)到了很多，在此次課設(shè)期間我借閱了大量關(guān)于電壓表方面的設(shè)計(jì)資料，學(xué)到了很多關(guān)于數(shù)字電壓表電路的知識(shí)。由于是初次實(shí)用Mutlisim仿真軟件，操作起來(lái)不是很熟練，但經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我初步學(xué)會(huì)實(shí)用這款軟件，相信這次的課設(shè)在我以后的工作和學(xué)習(xí)中一定會(huì)讓我受益匪淺。我認(rèn)為做每一樣事情結(jié)果并不是最重要的，

15、過(guò)程是最重要的。本次課設(shè)也一樣，用什么樣的態(tài)度去做課設(shè)就決定了你對(duì)學(xué)習(xí)的態(tài)度，或許自己做出來(lái)的電路不是最完美的，但在課設(shè)的過(guò)程中，自己去思考去琢磨，這帶我我一大筆財(cái)富。因?yàn)檎n設(shè)培養(yǎng)了我認(rèn)真的態(tài)度以及堅(jiān)定的信念。我非常感謝此次指導(dǎo)我的課設(shè)老師，老師給了我很多思路以及建議，再加上通過(guò)自己的分析設(shè)計(jì)及調(diào)試讓我能最終設(shè)計(jì)出具體的符合要求的電路。在此次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中也看到了我自身的不足，如以前學(xué)習(xí)的原理知識(shí)掌握不踏實(shí)，曾經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)如今卻不會(huì)應(yīng)用。我們即將踏入大四，還要經(jīng)過(guò)兩次課設(shè)，這次課設(shè)提供給我很多的鍛煉機(jī)會(huì)來(lái)培養(yǎng)自己實(shí)踐能力，對(duì)于以后的課設(shè)很有幫助。同時(shí)我覺(jué)得此次課設(shè)讓我所感悟到的對(duì)我今后在社會(huì)

16、的發(fā)展，將產(chǎn)生很大的影響。參考文獻(xiàn)1 沙占友、李學(xué)芝著.中外數(shù)字萬(wàn)用表電路原理與維修技術(shù).M北京：人民郵電出版社，1993年2 童詩(shī)白、華成英主編者.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).M北京：高等教育出版社，2006年3 戴伏生主編.基礎(chǔ)電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐.M北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002年4 譚博學(xué)主編.集成電路原理與應(yīng)用. M北京：電子工業(yè)出版社，2003年5 沙占友、李學(xué)芝編著.數(shù)字萬(wàn)用表電路圖集.M北京：人民郵電出版社，1996年6 趙文博等編著.新型常用集成電路.M北京：人民郵電出版社出版，2006年7 孫肖子等編著.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).M西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001年附錄1 總電路圖附錄2

17、元器件清單序號(hào)編號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1R1、R6、R7電阻1K1/2W32R2電阻5K1/2W13R3電阻41K1/2W14R4、R14、R11電阻100K1/2W35R15、R17、R19電阻10K1/4W36R24、R 12滑動(dòng)變阻器100K27R13電阻6.8 K1/4W18R16、R23電阻1M1/4W29R18電阻20K1/4W110R20電阻18K1/4W111R21電阻39K1/4W112R22滑動(dòng)變阻器10K113R8電阻50K114R9電阻40K115R5電阻9001/4W116C7瓷片電容30pF117C8 電解電容20uF118C3 、C5瓷片電容0.01uF219C2瓷片電容100pF120C1瓷片電容7.3nF121C6瓷片電容47uF122C12薄膜電容0.33uF, 50V123D7、D6、D