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1、测控电路实验设计报告 班级：04级测控一班 姓名：刘宏广 学号： 04170119电压测量模块的设计一、 实验目的应用测量电路课程有关理论设计一个简单的电压测量模块数字电压表。在实践中提高学生对测控电路的设计能力，掌握数字电压表的结构和原理，熟悉调试的基本方法和技能。二、 设计要求设计一个数字电压表，基本性能满足如下要求：1、 输入基本量程：02Vdc，2、 精度：0.05FS3、 测量速率2次/秒4、 具有极性显示，溢出报警5、 显示器件可用LED数码管6、 具有较强的常模干扰抑制能力三、 实验步骤1、 了解数字电压表的工作原理2、 按要求设计电路图3、 深入了解主芯片及所有芯片、器件的性能
2、参数4、 在面包板上完成电路图的设计（器件排列合理整洁）5、 调试，故障排除（常规仪器的使用）6、 指示考核（操作，答辩）四、 实验原理1 、MC14433芯片的介绍双积分式ADC的品种很多，常用十进制码输出的，3位半ADC有CH7106系列和MC14433,表1列出了MC14433的性能和参数。它是CMOS电路，功耗很小。MC14433的输入为单端双极性。单端指的是输入模拟信号的一端必须为模拟地（模拟量公共点）。双极性指信号可正可负。MC14433自动调零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描BCD码输出，需外接基准电压（1v），基准电压也是单端的。2、MC14433的工作原理和
3、内部结构MC14433在接好线并通电之后便不停地进行A/D转换，约每16400T完成一次A/D转换并输出转换结果。A/D转换周期共分为三个阶段，一是调零阶段，固定为To=1000T，二是输入信号积分阶段，固定为T1=4000T,其余时间为反积分阶段T2。输入信号越大则T2也越大。如图1所示。在整个A/D转换周期中锁存器不断输出数据。虽然MC14433一直在不断进行A/D转换，但并非每次转换结果都进入锁存器，只有在DU加一个正脉冲，才用刚转换完毕的结果更新锁存器的内容。因此为了使读出的总是最新结果，一般把EOC引脚和DU引脚相连。表1参数名称MC14433非线性0.05%1个字转换速率（次/秒）
4、310输出码状态BCD、非三态输出电平TTL和CMOS输入阻抗109基准电压VfsVfs工作电压（V）Vdd+ 4.5 +8Vee4.5 - 8静态功耗（mw）8电压抑制比0.5mv/v输出锁存器有满量程温漂零温漂噪声工作温度070oC时钟频率（KHz）内有30100模拟输入单端，双极性基准电压单端图1 双积分原理图图2是MC14433的内部结构示意图和电原理图。图中Rr，R1，C1,C0是外接元件，其余为内部电路。MC14433内部有时钟电路，只要外接电阻Rr，内部时钟就可正常工作。图中的线性电路包括模拟开关、极性选择、积分电路和比较器。MC14433是三位半ADC,千位只能输出1和0，其余
5、可输出09的任一个。锁存器用于锁存A/D转换结果。多路选择用分时输出四个BCD码。溢出电路用于判别是否有溢出，如有溢出则输出溢出信号。极性判别电路用于判别输入极性的正负，从而向锁存器送信号，使输出结果反映极性。图2 MC14433的内部结构示意图和电原理图3、 MC14433的管脚功能和排列图图3是MC14433的管脚图。各管脚的功能和参数说明如下：图3 MC14433的管脚图VAG：模拟地，各电压以此为基准VRF：基准电压输入管脚。若VRS=2V,则VFF=2V,若VFS=200mv，则VRF=200mv。VOD：电源正端，5VVEE：电源负端，5VVSS：电源负端，应保证VDD-3VSSV
6、EE.一般VSS与VAG相连。当VFS为200mv时，为保证误差小，较好的值为VDD=+6V,VEE=-6VEOC：转换周期结束标志。每次转换结束，在EOC脚输出一个宽为半个时钟周期的正脉冲VI：模拟信号输入脚。VI的范围为0vVRFOR：溢出标志，若VIVRF,则OR=0,表示溢出。反之，OR=1R1,R1/C1,C1：积分电阻R1和积分电容C1接线脚。R1接于引脚R1与R1/C1间，C1接于引脚R1/C1与C1间R1和C1的取值为R1C14000VI/fcp(VDD-VFD-0.5)。fcp为时钟频率。若取fcp=82KHz,VDD=5V,VFS=VRF=2V,Vi的最大值为2V，算得R1
7、C1=0.039。若取C1=0.068uF，则R1=470KCLKI,CLK0: 时钟输入输出端。若采用内部时钟源，在CLKI为时钟脉冲输入端，CLKI的电压基准为VEE,CLK0为时钟输出端。若采用内部，Rr与fcp间的关系可查曲线。查曲线知，若Rr270K,则fcp82KHz，若取Rr200K,则fcp147KHzC01,C02：外接失调电容C0接线端。一般取C0=0.1Uf,以供自动调零。DU：实时输出控制段。把一个正脉冲送至DU，则本次转换周期的转换结果可送入锁存器输出，否则锁存器保持原来的转换结果。若DU端与EOC相连，则每次转换结果都可以输出。DS1,DS2,DS3,DS4：位输出
8、选通信号Q3,Q2,Q1,Q0：BCD码输出相应位，Q3为最高位，Q0为最低位，高电平为1，低电平为0图4为MC14433输出的时序图。当在EOC脚出现一个正脉冲后便顺序从DS1-DS4出现正脉冲，在Q3Q0出现相应的十进制位的BCD码。例如，当认为高电平时，Q3-Q0为十进制百位BCD码，以此类推。当DS2-DS4高时，Q3-Q0为相应位的BCD码。但当DS1为高时，Q3-Q0的值的不同组合有不同的含义，如表2所示。由表可见：图4 MC14433输出的时序图Q3：表示千位的值。若Q31则千位为0，反之为1Q2：表示输入模拟电压的极性，若Q2=1,则输入为正，反之为负Q0=1：说明被测电压在量
9、程之外，也就是说或者过量程或者欠量程。Q0=Q3=1说明欠量程。可用于仪表自动量程的切换。用OR=0作为过量程的指示，控制方便。Q3Q2Q1Q0含义111001010011110 UR（欠量程）10110 UR (欠量程)01001000010111LOR (过量程)0011LOR（过量程）表24、 精密基准电源MC1403A / D转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于A / D转换器的精度。本实验采用MC1403集成精密稳压源作参考电压，MC1403的输出电压为 2.5V，当输入电压在4.515V 范围内变化时，输出电压的变化不超过3mV，一般只有0.6mV左右，输出最
10、大电流为10mA。MC1403引脚排列见图5。图5 MC1403引脚排列图5、 七路达林顿晶体管列阵MC1413MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内含有7个集电极开路反相器（也称OC门）。MC1413电路结构和引脚排列如图6所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。图6 MC1413电路结构和引脚排列图6、 CMOS BCD七段译码驱动器MC4511本实验采用MC4511驱动共阴极LED数码管，其
11、电路结构和引脚排列如图7所示。图7 MC4511电路结构和引脚排列图A、B、C、D BCD码输入端 a、b、c、d、e、f、g 译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。 测试输入端，“0”时，译码输出全为“1” 消隐输入端，“0”时，译码输出全为“0” LE 锁定端，LE“1”时译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE0时的数值，LE0为正常译码。五、实验内容电路连接图按图8所示组装并调试好一台三位半直流数字电压表，实验时应一步步地进行。(1)将5只数码管插入面包板上，将后4个数码管同名笔划段与显示译码的相应输出端连在一起，其中最高位只要将b、c二笔划段接入电路，左边第五
12、个数码管显示极性，只要g笔划段与三极管相连，但暂不插所有的芯片，用芯片插座定位，按图8接好连线。(2) 插好芯片MC4511，MC1413和MC14433，注意芯片的开口与连线的对应关系。(3) 调节电源使电源输出为5V，接通+5V，5V电源（先接好地线），用标准数字电压表检查输出是否为2.5V，然后调整20K电位器，使其输出电压为2.00V左右，调整结束后去掉电源线。(4) 将MC4511的3号端口接地，调节电源使电源输出为5V，接通+5V，5V电源（先接好地线），观察数码显示管是否正常，若显示为“1888”，则说明数码管显示正常，可进行下一步操作。 （5) 将MC4511的3号端口重新接电
13、源，将输入端接地，接通+5V，5V电源和地，此时显示器将显示“0000”值，如果不是，应检测电源正负电压。用标准电压表或用数字万用表检查DS1DS4,Q3Q0的电压，判别故障所在。(6) 用标准数字电压表（或用数字万用表代）测量一节干电池的电压，正向测一次，反向测一次，记录下这两个数值。 (7) 用被调电压表测量同一节干电池，也是正向测一次，反向测一次，记录下这两个数值。(8) 第七步和第六步所得的数值不一样，则调节3296电位器，使被调电路显示的数值与标准电压表测得的数值接近，在误差允许的范围内，即相差0.001V。记录下此时的数码管显示的数值和MC14433芯片2号端口的电压值。（9）用被
14、调电路测量两节干电池串联的电压，观察溢出报警。可以观察到数码管将会消隐。至此一个测量范围在1.999的三位半数字直流电压表调试成功。图8 电路连接图六、 实验数据实验所得的数据如表3所示表3 数据结果万用表数据实际测得数据现象正数据11.6901.690正常显示负数据1-1.690-1.690正常显示正过量程 -3.370 无显示（全黑）负过量程 -3.370 仅显示负号七、 注意事项1 注意合理布局器件的位置，不要将连接线跨过芯片。建议将数码管的同名端连接起来后连接到相应的驱动端，这样布线比较清楚，整洁。2 安装芯片时，注意开口的位置，切忌不要装反，防止损坏芯片。3 接入电源时，应先调节电源到5V后在接到电路板上，防止损坏芯片。八、 心得体会通过对接线图认真分析，了解各个器件的原理和结构，认真学习掌握了电压表的原理。根据事先设计的电路图的接线分析，精简合理布局和排线，尽量使面包板整齐美观。拿到芯片后，第一次调试时心情紧张，怕由于接线错误接通电源后烧毁芯片，对接线进行再次检查，发现译码器5号引脚漏接地，确定无误后开始调试。打开电源，LED显示不正确，确定接线正确后经分析发
