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2、。 第16页 共16页1 引言随着电子技术的发展,电子行业经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。何况在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常.数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表.由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。本次我们所做的课程设计就是基于数字电子技术和模拟电子技术的一个电子产品。我们对自己的设计作品从各个角度分析了由A/D转换器组成
3、的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了数模转换进而使系统运行起来的原理及方法。通过自身实践提高了动手能力，也只有亲历亲为才能收获掌握到已经学过的知识.其实也为建立节约成本的意识有些帮助，我们并没有采用单片机模块,而是直接采用A/D转换，在MC1433系列找块带显示译码并带A/D转换的片子并不难，相对于单片机有成本上的优势,但这里同时也牵涉几个问题：精度、位数、速度、还有功耗等不足之处，这些都要慎重考虑。这些也是在这次实践中收获的吧！2 设计任务分析2.1设计说明本题要求设计一个位的数字电压表,位是指个位、十位、百位的范围为09，而千位只有0和1两个状态，称为半位。所以数字
4、电压表测量范围为00011999.数字电压表主要部分是A/D转换器,显示方法通常采用动态扫描(工作时四个数码管轮流点亮，利用人眼的视觉残留特性能够得到整体效果,当扫描频率过低时显示的数码会有闪烁感)方式,采用这种方式较为省电，但需要字形译码驱动电路和字位驱动电路。任务要求：（1）直流电压测量范围(0200V)(2）测量速度每秒为25次,任选（3）分辨率0.1mv（4）测量误差小于0.12。2方案分析1根据题目利用所学过的知识通过上网或到图书馆查阅资料，设计出3个实现数字万用表的方案.要求写出实现工作原理,画出原理框图,描述其功能.2对将要实验方案3位半数字万用表方案，须采用中小规模集成电路,m
5、c14433A/D 转换器等电路进行设计;写出以确定方案详细工作原理,计算出参数。2。2.1方案1:主要器件由芯片MC14433和共阴极半导体数码管LED组成.MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片3位半A/D转换器,它适合构成带B码输出的3位半LED显示数字电压表,是目前应用较为普遍的一种低速A/D转换器。MC14433的性能特点：（1）MC14433属于CMOS大规模集成电路，其转换准确度为0。05%.内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻.能获得超量程（OR）、欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程.能增加读数保持（HOLD）功能.电压量程分两挡：200mV、2V,最大显示值分别为1
6、99。9mV、1。999V。量程与基准电压呈11的关系,即UMUREF。（2)需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式，通常选用共阴极LED数管.（3）有多路调制的BCD码输出，可直接配P构成智能仪表。(4）工作电压范围是4。5 V8V，典型值为5V，功耗约8mW。2.2.2方案2:主要器件由芯片TC7106和液晶显示器LCD组成。由于TC7106是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模CMOS集成电路，因此本方案主要有以下特点：（1）采用单电源供电，可使用9V迭层电池,有助于实现仪表的小型化。（2）芯片内部有异或门输出电路,能直接驱动LCD显示器。（3）功耗低.芯片本身消耗电流
7、仅1.8mA,功耗约16mV。(4）输入阻抗极高，对输入信号无衰减作用.（5)能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性的功能。（6）噪声低，失调温标和增益温标均很小。具有良好的可靠性，使用寿命长。（7）整机组装方便,无须外加有源器件,可以很方便地进行功能检查.2.3方案选择在设计思路上我们选择了MC14433，但由于在各个仿真软件中，我们无法找到MC14433元器件,故我们采用在思路上选择MC14433设计，仿真环节采用TC7106，这样既能有效地了解实验原理，更能仿真出实验结果。3 单元模块分析数字电压表将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示.该系统可采用MC14433三位半A/
8、D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MCl403和共阴极LED发光数码管组成。本系统是三位半数字电压表,三位半是指十进制数00001999。所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为09，而所谓半位是指千位数，它不能从0变化到9,而只能由0变到l，即二值状态，所以称为半位。3.1各部分的功能 三位半AD转换器(MC14433）：将输入的模拟信号转换成数字信号.基准电源(MC1403）：提供精密电压，供AD 转换器作参考电压。译码器（MC4511）：将二十进制（BCD）码转换成七段信号。驱动器（MC1413）：驱动显示器的a,b，
9、c,d，e，f，g七个发光段，驱动发光数 码管（LED)进行显示。显示器:将译码器输出的七段信号进行数字显示,读出AD转换结果.3。2引脚功能说明MC14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列,参考图3。1的引脚标注，各主要引脚功能说明如下:（1) 端：VAG,模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。(2) 端：RREF，外接基准电压输入端。(3) 端:UX，是被测电压输入端.（4） 端：RI，外接积分电阻端。(5） 端：RICI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6） 端,C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出.(7) 和 (8） 端:C01和C0
10、2，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容C0取0.1F。(9) 端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲,则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和EOC 短接，则每次转换的结果都将被输出。（10） 端:CPI （CLKI），时钟信号输入端。（11) 端：CPO （CLKO），时钟信号输出端。(12） 端：VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0。8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端,而是流向VSS端.（
11、13） 端：VSS 负电源端(14） 端：EOC,转换周期结束标志输出端，每一AD转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的12。(15） 端：OR ，过量程标志输出端，当UX|VREF 时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平.（16)（19) 端：对应为DS4DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时,表示此刻Q。Q3 输出的BCD 代码是该对应位上的数据。（20)(23）端:对应为Q0-Q3，分别是AD 转换结果数据输出BCD代码的最低位（LSB）、次低位、次高位和最高位输出端。(24) 端：VDD，整个电路的正电源端。图3.
12、1 MC14433管脚图3.3工作过程分析三位半数字电压表通过位选信号DS1DS4进行动态扫描显示,由于MC14433电路的AD转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。DS1DS4输出多路调制选通脉冲信号.DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0Q3端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC 脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。以下依次为DS2，DS3和DS4。其中DS1对应最高位（MSD),D
13、S4则对应最低位（LSD）。在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字09在DS1选通期间，Q0Q3输出千位的半位数0或l及过量程、欠量程和极性标志信号。在位选信号DS1选通期间Q0Q3的输出内容如下：Q3表示千位数，Q3=0代表千位数的数宇显示为1，Q3=1代表千位数的数字显示为0.Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即UX0，Q2的电平为0,表示极性为负,即UX0。显示数的负号(负电压）由MC1413中的一只晶体管控制，符号位的“-阴极与千位数阴极接在一起，当输入信号UX为负电压时，Q2端输出置“0， Q2 负号控制
14、位使得驱动器不工作，通过限流电阻RM 使显示器的“”（即g 段）点亮；当输入信号UX为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地,使“-”旁路而熄灭。小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点.若量程不同则选通对应的小数点。过量程是当输入电压UX超过量程范围时，输出过量程标志信号OR(-)。当OR(-) = 0 时,|UX|1999，则溢出。|UXUR则OR(-) 输出低电平.当OR(-) = 1时，表示|UXUR 。平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内.MC14433的OR(-)端与MC4511的消隐端BI(-) 直接相连，当UX超出量程范围时，O
15、R(-)输出低电平，即OR(-) = 0 BI(-) = 0 ，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。3.3。1三位半A/D转换器MC14433在数字仪表中,MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式A/D转换器。和其它典型的双积分A/D转换器类似，MC14433A/D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成.如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用MC14433时只要外接两个电阻(分别是片内RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI）和两个电容（分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0）就能执行三位半的A/D转换。MC14433内部模拟电路实现了如下功能：（1）提高A/D 转换器的输入阻抗,使输入阻抗可达l00M以上;(2)和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成V/T 转换即电压-时间的转换；（3）构造了电压比较器,完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号；(4
