简易数字电压表课程设计.docx
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简易数字电压表课程设计
《数字逻辑》课程设计报告
题目简易数字电压表
学院（部）信息工程学院
专业计算机科学与技术
班级
学生姓名
学号
6月18日至6月21日共1周
指导教师（签字）
前言
关于数字式简易电压测试仪的设计，我们提出了三种设计方法和思路，分别是ADC0809的A/D转换电路、LM331V/F转换电路、555定时器的V/F转换电路。
在具体操作中，经过对资料的收集、分析，研究与对比，最终选择了简单易懂，而且精度较高的方法，即LM331压频转换法。
本方法的基本理论是LM331的输入电压幅值与输出脉冲的频率成正比，再通过一系列的控制，计数，锁存，显示电路实现了对电压的一般测试与数字显示。
每学期的课程设计是综合检验我们所学知识的时候，在这期间我们需要将自己所学的知识进行综合，然后运用到我们所要完成的任务中。
此次课程设计我们完成的任务是制作简易数字电压表，我们在拿到这个题目时是没有一点思路的，在仔细研究和向老师请教后终于有了一点头绪，在小组两外两个成员杨羽丰和侯理想的共同努力下，我们初步实现了数字电压表的制作的方案制作，但是由于仿真软件中缺少我们所需元件的原因，我们的方案没能进行模拟仿真，这是此次课程设计的遗憾之处。
我们现在正在试图用另外的仿真软件进行此方案的仿真。
在本次课程设计过程中得到了各方面的支持和帮助，在此特别向数子电子技术老师表示由衷的感谢。
由于设计时间和水平的限制，如有不足之处，敬请指正！
Notableofcontentsentriesfound.
简易数字电压表
摘要
本文介绍了一种简易的数字式显示电压测试仪的设计思路及硬件结构。
该测量仪的基本工作原理是：
把电压量通过单稳态触发器转化成时间脉冲量，然后在这个时间脉冲内进行计数，再锁存计数值，最终通过数码显示译码器驱动数码管进行显示。
可由555集成定时器构成多谐振荡器产生计数脉冲和对单稳态进行触发，555构成的单稳态触发器电路来控制计数器清零与锁存器锁存，四片74LS160构成计数电路，四片74LS373N构成锁存电路，四片DCD_HEX数码管构成四位译码显示电路，通过计算与分析把各电路连接起来，最终实现对电压（0V—）的简易测量与数字显示。
关键词
数字电压表、压频转换、LM331、多谐振荡、单稳态、缓冲级、交直流转换、计数器。
技术要求
1、利用压-频转换原理实现对一个正电压的测量，测量值用数码管直接显示。
2、被测电压为正值，测量电压范围为0～。
3、对输入的0～正电压用三位数码管显示～。
4、数码管每4秒刷新一次，读数停顿3秒。
一、系统概述
设计目的
（1）掌握简易数字式电容测试仪的设计、组装与调试方法；
（2）熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理；
（3）学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法、设计步骤；
（4）进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用；
（5）学习数字电路仿真、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧；
（6）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
数字电压表简介
数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术设计的电压表。
数字电压表自1952年问世以来，已有50多年的发展史，大致经历了五代产品。
第一代产品是20世纪50年代问世的电子管数字电压表，第二代产品属于20世纪60年代出现的晶体管数字电压表，第三代产品为20世纪70年代研制的中、小规模集成电路的DVM。
近年来，国内外相继推出由大规模集成电路（LSI）或超大规模集成电路（VLSI）构成的数字电压表、智能数字电压表，分别属于第四代、第五代产品。
它们不仅开创了电子测量的先河，更以其高准确度、高可靠性、高分辨力、高性价比等优良特性而受到人们的青睐。
方案分析
此设计主要利用压频转换实现对电压的测量。
输入信号的电压幅值经过555定时器构成的压频转换电路对应于输出信号的频率，即输入幅值与输出频率存在线性对应关系V=f（U），对输出信号在1秒内的电平进行计数，通过译码锁存再输出，就能显示电压的幅值。
V/F转换电路方案比较与论证
设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。
又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。
下面介绍三种数字电压表的设计方案。
采用ADC0809的A/D转换电路
ADC0809是AD公司采用CMOS工艺生产的一种8位逐次比较型A/D转换器。
用ADC0809和AT89S52用程序查询方式来采集被测的输入模拟信号。
采集数据时首先单片机执行一传送指令，在该指令执行过程中单片机在控制总线中产生写些信号，其低电平品信号启动A/D转换工作，ADC0809经100us后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，EOC新好景反相器产生中断请求信号
通知单片机取数。
当单片机响应中断请求转入数据采集子程序后，立即执行输入指令，指令产生读信号给ADC0809，将数据取出并存入存储器中。
整个数据采集过程中，由单片机有序地执行若干指令完成。
ADC0809内部逻辑图如图1-4-1所示。
图1-4-1ADC0809内部逻辑图
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。
采用LM331V/F转换电路
V/F转换方式是把电压模拟量转换成脉冲频率信号，由单片机对脉冲频率信号进行计数来实现A/D转换功能的。
LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。
只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路，并且容易保证转换精度。
LM331的内部电路组成及其与外部器件构成的V/F转换电路如图1-4-2所示。
图1-4-2LM331内部结构及V/F转换电路图
采用555定时器的V/F转换电路
图1-4-3是由555芯片组成的输出脉冲为0-10KHz的V/F转换电路原理。
图1-4-3555定时器的V/F转换电路图
它是一种高精度电荷平衡式V/F转换电路，线性精度优于%，输入电压为0-10V，输出频率为0-10KHz。
前级运放741构成电荷积分器，555芯片构成单稳态电路。
可行性分析
以上三种方案对转换10V内的电压信号都是可以实现的，但方案一电路中ADC0809管脚较多，另外还需接锁存器电路，所需的元器件较多，成本较大；方案三的555定时器在设计过程中电路连接虽然简单，但是其线性度不高，存在较大的误差；而LM331是一个简单的、廉价的电压/频率变换电路，非常适合用作模/数转换，有极高的转换精度，且十分适用于低电压，低功耗的数字电路，十分适合用作光电隔离，有良好的共模抑制能力；并且V/F型A/D转换器多采用电压反馈形式，它除有较好的抗干扰能力外，还引入电位差计的方法，提高了准确度和输入阻抗，因而常被采用。
综合考虑，我们采用方案二，用LM331进行压频转换。
2、单元电路设计
分压电路、输入保护及缓冲电路
该电路采用SW开关进行量程选择，开关在上是2V档，同时第四位数码管后的小数点亮，开关在下是20V档，同时第三位数码管后小数点亮。
为满足要求，用
电阻进行分压。
用两个反并联的二极管作为输入保护，防止输入电压过大烧毁后续电路。
为使电压表获得较高的输入阻抗，以提高测量准确度，采用了输入阻抗较高的集成运放TLC2252。
将运放接成电压跟随器以获取并输出被测电压，起到缓冲作用。
如图2-1-1.
图2-2-1分压、保护及缓冲电路
交、直流转换电路
如图2-2-1.该电路能够实现对小信号进行绝对值运算。
电路中选择
，
。
当输入电压
>0时，二极管D2导通，D1截止，第一个运放的输出电压
。
故
。
当
<0时，二极管D2截止，D1导通，
=0，故
。
由上述可知输出形成全波整流。
对于交流信号，全波整流后需要进行滤波以减小纹波电压，故在
两端并联电容
。
开关SW在上是交流档，在下是直流档。
经过理论计算并运行调试选取电阻
=1uF，
。
图2-2-1交直流转换电路
压频转换电路
图2-3-1是LM331组成的V/F变换器。
图中
和
组成输入滤波环节。
电路左下角为调零电位器，右下角
为转换增益调节，取为
，在
上产生串联
产生一个附加的滞后效应，改善线性度。
该电路有如下压频转换公式：
取
，使7脚的偏流能抵消6脚的偏流影响，以减小频率失调。
取~，这里取，但决不能使
<<
，以防止
微小的变化会导致
的瞬时停顿。
下图当输入电压0~10V时，输出频率为0~10kHz，非线性误差为%。
图2-3-1压频转换电路
脉冲产生电路
该电路由555定时器连接成多谐振荡和单稳态电路产生计数脉冲。
如图2-4-1所
图2-4-1多谐振荡与单稳态电路
计数、译码、显示电路
将由压频转换器输出的脉冲信号同步输入到计数器的CLK端进行计数。
由图2-4-1的逻辑控制电路可知，在开始计数的1s内，ENP端和ENT端被置为1，计数器计数1s。
译码器的LE端是锁存控制端，是为了在计数过程中防止跳数。
计数时，LE被置为0，1s后计数完毕被置为1，计数被锁存。
计数器的MR端与清零开关连接，清零后可以进行下一次测量。
三输入或门与发光二极管组成判断是否溢出的逻辑电路。
当计数达到1000时，数码管全部熄灭，表示超出所选量程的测量范围。
图2-5-1计数译码显示电路
3、系统综述
该方案的原理图如图3-1-1所示。
该系统首先对输入的信号进行缓冲输入，以保护后续电路正常工作，同时又对输入信号进行交直流转化，保证输入的信号都以直流的形式输入到压频转换电路。
在压频转换电路部分，采用LM331将输入信号的幅值转化为输出信号的频率，从而得到相信频率的脉冲，最后由计数器对1秒钟内得到的脉冲数量进行计数，再译码显示输出。
分压电路
输入保护及
缓冲电路
交、直流
转换电路
压频转换电路
计数、译码
显示电路
AC
AC
DC
DC
图3-1-1数字电压表原理图
4、结束语
个人总结
经过四天的奋战，我们的课程设计结束了，我们的任务也基本上算是完成了，在此期间我们遇到过很多的问题，比如最开始时我们甚至都不知道从哪里着手，在老师的讲解下我们才明白的题目的真正含义，在中期，我们又遇到了如何正确选择压频转换器的问题，一直在555定时器和LM331之间犹豫不决，在我们小组成员的共同努力下，最终选择了性能较好的LM331作为压频转化的主元件。
本次课程设计是理论与实践相结合的一次体验，在课程设计的过程中，我们充分的体会到了思考特别是独立思考和不断创新的重要性。
本次课程设计对数字电子技术有了更进一步的熟悉，实际操作和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手把它设计出来就比较困难了，因为是设计要求我们在以后的学习中注意这一点，要把课本上所学到的知识和实际联系起来，同时通过本次电路的设计，不但巩固了所学知识，也使我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的兴趣，考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力。
本次课程设计我也学到了很多的东西。
（1）、通过本次的课程设计使我们初步懂得了中大规模集成电的设计思路，以及实现方法。
学会了基本的设计思路与设计方法：
总体框图设计法、单元功能模块设计法；通过对于简易数字式电压测试仪的设计，把数电与模电的知识进一步的深化与结合，对于数模转换、模数转换的思想也有了更深的学习。
（2）通过这次课程设计使我更加坚信了一个团队的力量，在这次课程设计当中我们相互分工但又紧密合作，才是任务顺利完成。
可以说每个人都是功不可没，在遇到问题自己解决不了时，就进行查资料相互讨论从而解决问题。
存在的问题
本次课程设计虽然已经完成，但是我们深深的了解到自己所完成的方案还存在很多的问题。
（1）此设计方案由于仿真软件元件的限制，虽然我们对部分单元电路进行了仿真，但是我们没能在multisim上进行整体方案的连接与仿真，我们还正在试图用其他的电子仿真软件对自己设计方案进行模拟仿真。
（2）由于知识不足和自己实力欠缺的原因，题目里面的刷新要求我们没能满足，不能在每隔3秒进行一次读书刷新。
（3）小组间的合作还不够默契，在课程设计阶段，我们虽然都有明确的分工，但是还是需要大家在一起不断的谈论和交换自己的看法，我们在相互交流方面做的还很欠缺。
在以后的工作学习中我们一定会克服以上的不足，不断的完善自己。
参考文献
[1]林涛、楚岩、田莉娟、林薇《数字电子技术基础》.清华大学出版社，2006年
[2]高玉良《电路与模拟电子技术》.高等教育出版社，2004
[3]阎石《数字电子技术基础》.高等教育出版社，2006年
鸣谢
数电课程设计指导老师：
邓秋霞老师
数字电子技术课程老师：
邓秋霞老师
元器件明细表，附图
1.LM331
LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。
LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低电源电压下都有极高的精度。
LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于%，工作频率低到时尚有较好的线性；变换精度高。
数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。
图附-1LM331内部电路
图附-2LM331管脚图及管脚功能图
2.555定时器内部原理图
555是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
图附-3
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