位半数字万用表课程设计.docx
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位半数字万用表课程设计
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_____________--------------------------------------------------------------------------日期:
_____________
位半数字万用表课程设计
河北建筑工程学院
课程设计报告
课程名称：
电子技术综合课程设计
题目名称:
3位半数字万用表设计
学院：
电气工程学院
专业：
电子信息工程
班级：
电子131
学号：
20133151**
学生姓名：
指导教师：
魏建新
职称：
高级实验师
成绩:
2015年7月12日
前言
本次课程设计主要是通过自己的努力，独自完成一个三位半数字万用表的设计。
这次课程设计通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法，对模拟电路和数字电路的复习巩固和应用实践，以达到灵活应用的目的。
学生需要通过图书馆查阅资料和图书或上网查询资料，认识和了解三位半数字万用表的工作原理和构造，并自己完成三种不同的方案的设计，来实现三位半数字万用表功能。
然后将一种设计的电路进行安装、调试，实现并完成自己的设计方案。
通过方案设计和实验过程，使学生通过查阅文献资料，提高独立分析，解决问题的能力。
提高学生电子电路技能及仪器的使用能力、撰写课程设计总结报告的能力。
培养学生的创新能力和思维能力，了解电子产品的研制开发过程，掌握电子电路的安装和调试方法和故障排除方法。
第一章：
系统概述-----------------------------------------------------------------------------1
1.1主要内容-------------------------------------------------------------------------1
1.2方案设计与论证-----------------------------------------------------------------2
第二章：
单元电路设计于分析----------------------------------------------------------------4
2.1器件-------------------------------------------------------------------------------4
2.2单元电路--------------------------------------------------------------------------4
2.2.1MC14433-------------------------------------------------------------------4
2.2.2CD4511---------------------------------------------------------------------7
2.2.3MC1413--------------------------------------------------------------------8
2.2.4MC1403--------------------------------------------------------------------9
2.2.5量程选择电路------------------------------------------------------------9
2.2.6单相桥式整流滤波电路----------------------------------------------10
第三章：
电路的安装与调试介绍---------------------------------------------------------11
3.1数码显示部位的组装与调试-------------------------------------------------11
3.2电路连接及测试-----------------------------------------------------------------11
第四章：
结束语---------------------------------------------------------------------------------12
附录一：
元件表--------------------------------------------------------------------------------13
附录二：
电路图--------------------------------------------------------------------------------16
附录三：
参考文献----------------------------------------------------------------------------17
三位半数字万用表
第一章系统概述
1.1主要内容
1、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字万用表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能框图，描述其功能。
说明：
采用原理、方案、方法不限，可以自行设计。
2、其中对将要实验方案3位半位数字万用表方案，须采用中、小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工作原理，计算出参数，设计出电原理图。
3、技术指标：
（1）测量直流电压200mv；2V；20V；200V;1000V；
测量交流电压2V；20V；200V;750V
（2）测量直流电流2MA；20MA；200MA；20A；
测量交流电流2MA；20MA；200MA；20A；
（3）电阻：
200
、2K、20K、200K、2M、20M
（4）电容；200nF、20nF、2nF20μF、2μF
（5）三位半数字显示。
1.2方案设计与论证
方案一：
采用双积分A/D转换器MC14433，七段译码驱动器CD4511，基准电源MC1403，反向驱动器,4只LED数码管。
方案二：
根据系统功能实现要求，决定控制系统采用AVR单片机，A/D转换采用其内置的10位AD、四个共阴极LED数码管。
系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行数据通讯上传，存储等扩展功能。
原理框图如下：
方案三：
采用逐次逼近型A/D转换器。
图1.3方案三
方案论证：
1、MC14433具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，
2、AVR;它的内置A/D转换的精确度较低，同时在编程及调试方面比较复杂考虑到客观条件因素，放弃使用此方案。
3、逐次渐进型A/D转换器具有转换速度快，功耗低准确度高等特点。
在低分辨率时价格便宜。
但高于12位时价格很高，逐次渐进型A/D转换器的转换时间取决于位数，与输入信号无关，但抗干扰能力差。
综上采用mc14433方案
第二章单元电路设计与分析
2.1、器件
三位半A/D转换器（MC14433）：
将输入的模拟信号转换成数字信号。
基准电压（MC1403）：
提供精密电压，供A/D转换器做参考电压。
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，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管（LED）进行显示。
七段显示器：
将译码输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。
七段锁存-译码-驱动器CD4511。
电阻、三极管、电容、导线等。
2.2单元电路
2.2.1.MC14433
MC14433是美国Motorola公司推出的单片31/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
1.精度：
读数的±0.05%±1字
2.模拟电压输入量程：
1.999V和199.9mV两档
3.转换速率：
2-25次/s
4.输入阻抗：
大于1000MΩ
5.输入阻抗：
大于1000MΩ
6.功耗：
8mW（±5V电源电压时，典型值）
7.功耗：
8mW（±5V电源电压时，典型值）
MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。
（1）引脚功能说明：
VAG（1脚）：
被测电压VX和基准电压VR的参考地。
VREF（2脚）：
外接基准电压（2V或200mV）输入端
VX（3脚）：
被测电压输入端
R1（4脚）、R1／C1（5脚）、C1（6脚）：
外接积分阻容元件端
C1＝0.1μf，R1＝470KΩ；
CO1（7脚）、CO2（8脚）：
外接失调补偿电容端，典型值0.1μf。
DU（9脚）：
实时显示控制输入端。
若与EOC（14脚）端连接，则每次A/D转换均显示。
CP1（10脚）、CP0（11脚）：
时钟振荡外接电阻端，典型值为470KΩ。
CP1~CP0端外接电阻R9＝330kΩ，采样速率约为4次／s。
VEE（12脚）：
电路的电源负端，接－5V。
VSS（13脚）：
除CP外所有输入端的低电平基准（通常与1脚连接）。
EOC（14脚）：
转换周期结束标记输出端，每一次A/D转换周期结束，EOC输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的二分之一。
OR（15脚）：
过量程标志输出端，当｜VX｜＞VR时，OR输出为低电平。
DS4～DS1（16～19脚）：
多路选通脉冲输入端，DS1对应于千位，DS2对应于百位，DS3对应于十位，DS4对应于个位。
Q0～Q3（20～23脚）：
BCD码数据输出端，DS2、DS3、DS4选通脉冲期间，输出三位完整的十进制数，在DS1选通脉冲期间，输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。
（2）工作原理：
三位半数字电压表通过位选信号DS1~DS4进行动态扫描显示，由MC14433电路的A/D转换结果采用BCD码多路调制方法输出，通过译码器译码，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。
DS1~DS4输出多路调制脉冲信号。
DS选通脉冲高电平，则表示对应的数位被选通，此时该数据在Q0~Q3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，DS4则对应最低位。
在对应DS2、DS3和DS4选通期间，Q0~Q3输出BCD码全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0~9。
在DS1选通期间，Q0~Q3输出千位的半位数。
或1及过量程、欠量程和极性标志信号。
过量程是当输入电压Vx超过量程范围时，输出过量程标志信号/OR。
当Q3=0，Q0=1时，表示Vx处于过量程状态。
当Q3=1，Q0=1时，表示Vx属于欠量程状态。
当OR=0时，|Vx|>1999，则溢出；|Vx|>Vr，则OR输出低电平。
当OR=1时，表示|Vx|正常时OR输出高电平，表示被测量在量程内。
2.2.2七段锁存-译码-驱动器CD4511
CD4511是专用于将二-十进制代码（BCD）转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。
（1）四位锁存器（LATCH）：
它的功能是将输入的A，B，C和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。
当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；
当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。
由此可见，利用LE端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。
（2）七段译码电路：
将来自四位锁存器输出的BCD代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端：
①LT（LAMPTEST）灯测试端。
当LT=0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT=1时，译码器输出状态由BI端控制。
②BI（BLANKING）消隐端。
当BI=0时，控制译码器为全0输出，发光数码管各段熄灭。
BI=1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。
上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。
（3）驱动器：
利用内部设置的NPN管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。
CD4511电源电压VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。
CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配见右图，真值表参见下图。
使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。
输入
输出
LE
BI’
LT’
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示字形
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
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0
1
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1
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1
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1
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1
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0
1
2
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0
0
1
1
1
1
1
1
0
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1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
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0
7
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1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
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1
0
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1
1
1
1
0
0
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0
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0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
X
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁存
锁存
图2.3
2.2.3．七路达林顿驱动器阵列MC1413
MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具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OC0门）。
MC1413电路结构和引脚如图3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续流二极管。
本电路采用三极管代替七路达林顿驱动器阵列MC1413。
2.2.4．高精度低漂移能隙基准电源MC1403
MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温
度无关．该电路的特点是：
①温度系数小；
②噪声小；
③输入电压范围大，稳定性能好,当输入电压从+4．5V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；
④输出电压值准确度较高，y。
值在2.475V～2.525V以内；
⑤压差小，适用于低压电源；
⑥负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。
MC1403用8条引线双列直插标准封装，如右图所示。
2.2.5．量程选择电路
如左图中四个电阻串联分压设计，总电阻值为10MΩ，当开关S1闭合时，为最小量程2V；当开关S2闭合时，衰减10倍，其量程为20V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V。
通过电阻对不通电压进行不同的分压，从而得到固定范围内的相对较小的电压输入至MC14433进行模数转换，输出至数字显示器上。
2.2.6.单相桥式整流滤波电路
电路为单向桥式整流电路，适用于大电压的整流。
电路TR为电流变压器，它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的电压V2=Sinwt，四支整流二极管D1~D4接成电桥的形式。
图2.6单相桥式整流滤波电路
第三章电路的安装与调试介绍
3.1、数码显示部分的组装与调试；
（1）实际实验中采用4个8段数码管，将千位数码管bc并联作为千位1，g作为符号显示。
Mc1413用NPN三极管与电阻搭接的反相器替代。
（2）先将4个数码管插入试验箱IC座，插好芯片MC4511与三极管反相器，将输入端与逻辑电平试验箱相连。
（3）调节实验箱逻辑电平高低检查译码显示是否正常。
如果所有4位数码管显示正常，则说明显示部分工作正常。
3.2电路连接及测试
（1）插好芯片MC14433，接电路全图接好全部线路。
（2）将输入端接地，接通电源，此时显示器将显示000，如果不是，应检测电源正负电压。
用示波器测量DS1～DS4，Q0～Q3的波形，判别MC14433是否工作。
（3）用电阻、电位器构成一个简单的输入电压调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。
（4）用实验台数字电压表测量输入电压，调节电位器，使输入电压为1.000V，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。
（5）改变输入电压，使其为－1.000V，检查“－”是否显示。
（6）在+1.999V～0～－1.999V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。
第四章结束语
通过为期两个星期的课程设计，我受益匪浅。
当老师布置好任务并让我们独立完成时，我认为这是一个不可能完成的任务。
我对这个实验毫无头绪，甚至对一些元器件都不了解，不知道要去做什么。
但通过查询资料和老师的帮助，我对这些元器件有了一定的认识。
了解了三位半数字万用表的工作原理和电路，并通过查询资料完成了三个方案的设计。
最终通过实验，实现并完成了设计。
这次课程设计让我认识到了自己的很多不足，我们不仅要通过课本学习知识，还要学习课本之外的知识，学习掌握各种技能和知识。
学会了如何分析问题、解决问题。
比如上网查询资料和对word的使用和熟悉。
学无止境，我们要无止境的学习，对学过的知识加强认识，才能更熟练的运用。
加强理论与实践的结合，才能更好的运用知识，增加自己的动手能力。
多对自己学习的知识进行总结和积累，不断提高自己的知识水平和能力。
这次课程设计让我深深地体会到了我的不足之处和应该努力的方向。
知道了我应该做什么和应该怎么做。
附录一
序号
名称
型号
参数
数量
备注
三位半A/D转换器
MC14433
1
将输入的模拟信号转换成数字信号。
基准电压
MC1403
1
提供精密电压，供A/D转换器做参考电压。
译码器
MC4511
1
将二—十进制（BCD）码转换成七段信号。
驱动器
MC1413
1
驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管（LED）进行显示。
七段显示器
4
将译码输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果
七段锁存-译码-驱动器
CD4511
1
555
2
电阻
1Ω
2
电阻
90Ω
1
电阻
100Ω
10
电阻
900Ω
1
电阻
9k
1
电阻
2k
5
电阻
10k
4
电阻
900k
1
电阻
90k
1
电阻
9k
1
电阻
1k
2
电阻
1.2k
1
电阻
2.2k
1
电阻
2.7k
1
电阻
47k
3
电阻
22k
1
电阻
100k
1
电阻
220k
1
电阻
470k
2
电阻
1m
2
电阻
2M
1
电阻
750
1
二极管
4
电容
0.1μv
4
电容
47μ
1
电容
100μ
4
电容
104μ
1
单刀开关
9
三极管
5
滑动变阻器
200
1
滑动变阻器
1k
1
滑动变阻器
10k
2
滑动变阻器
100k
1
滑动变阻器
1m
1
参考文献
（1）阎石.数字电子技术基础,第三版.北京:
高等教育出版社,1998,347-351
（2）电子电路设计与实践山东：
山东科学技术出版社，2001
（3）康华光主编.电子技术基础数字部分,第四版.北京.高等教育出版社,1998.371-377
（4）施金鸿.电子技术基础实验与实验教程.北京航空航天大学出版社，2007.132-197
（5）吴政江.电子测量仪器及其应用.武汉理工大学出版社，2003.66-95
（6）谢自美.电子线路设计、实验、测试,第二版.武汉.华中科技大学出版社,2000.51-56
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