LED显示的电压表电路设计.docx
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LED显示的电压表电路设计
数理与信息工程学院
课程设计
题目：
LED显示的电压表电路设计
专业：
计算机科学与技术（专升本）
班级：
姓名：
学号：
实验地点：
成绩：
（2006.6）
目录
摘要
一、序言----------------------------------------------------------------------------------------1
二、MCS-51单片机简介---------------------------------------------------------------------2
三、总体方案设计----------------------------------------------------------------------------5
四、模块电路设计与比较-------------------------------------------------------------------6
（一）数据采集模块-------------------------------------------------------------------------6
（二）单片机系统数据处理模块---------------------------------------------------------10
（三）显示模块-------------------------------------------------------------------------------13
五、系统实现及理论分析-------------------------------------------------------------------13
（一）数据采集部分-------------------------------------------------------------------------13
（二）数据处理部分-------------------------------------------------------------------------13
六、电路调试----------------------------------------------------------------------------------13
（一）调试方法和过程----------------------------------------------------------------------13
（二）测试仪器-------------------------------------------------------------------------------14
七、发挥部分----------------------------------------------------------------------------------15
八、结论----------------------------------------------------------------------------------------15
九、参考文献----------------------------------------------------------------------------------16
附录1数字调制概述-------------------------------------------------------------------------17
附录2程序-------------------------------------------------------------------------------------22
LED显示的电压表电路设计
黄馥妃
计算机056班
[摘要]
设计分三个模块:
数据采集、数据处理和显示模块。
数据信号采集采用运算放大器0P07构成电压跟随器对信号进行跟随处理，再由采样/保持器LF398对信号进行采样/保持。
高电平，采样；低电平，保持。
采样控制信号由集成锁相环CD4046对被测信号进行64倍频产生。
具体如下：
首先，正弦波信号通过过零比较器变成脉冲信号，作为CD4046的输入。
其次，由二进制计数器74LS393构成64分频器。
最后，经过集成锁相环CD4046的内部处理，输出信号的频率就变成了原来的64倍。
数据处理以单片机8051为核心，对采集信号进行精确控制和严格计算，显示部分由4线-七段译码器/驱动器7447，NPN型三极管放大器和数码管构成。
[关键词]
电压跟随器采样/保持器A/D转换锁相环电路LED显示
ThecircuitdesignofVoltmeterdisplayedbyLED
[Abstract]
Inthisdesign,therearethreeparts:
data-gatheringpart,data-processingpartanddisplaypart.Datasignalgatherisaccomplishedasfollows:
first,thesignalsarefollow-processedbyvoltagefollower,andthensample/holdbysample/holdcircuit:
highvoltagelevel:
sample;lowvoltagelevel:
hold.Samplecontrolsignalisproducedbytheintegratedphase-lockedloopmultiplyingthemeasuredsignal64.Thedetailsare:
firstly,sinusoidalwavebecomesplusesignalbyzerocrossswitchcircuit,astheinputofCD4046,64frequencydividerismadeofbinarycounter74LS393.Finally,thefrequencyofoutputsignalbecomestheoriginalsignal’s64times,bytheinnerprocessedonintegratedCD4046.Themajorpartofthissystemis8051singlechipmicrocomputer.Itaccruatelycontrolsthegathersignalandcaculatethedata.Thedisplaypartisconsistedofdecoder-driver7447,NPNtypetriodeandLED.
[Keywords]
Ample/holdA/DconverterPLLCD4046Display
一、序言
当代计算机是微电子技术与计算机数学相结合的产物。
微电子学的基本元件极其集成电路构成了计算机的硬件基础；计算机数学的计算方法与数据结构则成为计算机的软件基础。
从1946年世界上第一代计算机问世到现在，计算机的发展随着电子技术的发展已经历了四代，即电子管、晶体管、集成电路及超大规模集成电路。
然而其结构都是冯.诺依曼结构，即计算机的组成分为五部分：
运算器、控制器、存储器、输入部分及输出部分。
现在，大部分微机的运算器和控制器集成在一片大规模集成电路上，叫做微处理器，也称为中央处理单元CPU（
CentralProcessingUnit）,如286、386机等，也有的机器把存储器和CPU做在了一起。
计算机的发展随着微电子技术的发展而发展，并且由于芯片的集成度的提高而使机器微型化，出现了微型计算机（Microcomputer）、单板机（SingleBoardComputer）、单片机（SingleChipComputer）等机型。
单片机，顾名思义，即一个芯片的计算机，在这一个芯片上包括了计算机的五个组成部分：
运算器、存储器、控制器、输入部分及输出部分。
单片机具有功能强、体积小、成本低、功耗小等特点，使它在工业控制、只能仪器、节能技术改造、通信系统、信号处理及家用电器产品中都得到了广泛的应用。
另外，单片机在很大程度上改变了传统的设计方法，以往采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，大部分功能单元都可以通过对单片机硬件功能扩展及专用程序的开发，来实现系统提出的要求，这意味着许多电路设计问题将转化为程序设计问题。
二、MCS-51单片机简介
MCS-51是一个单片机系列产品，具有多种芯片型号。
具体说，按其内部资源配置的不同，MCS-51可分为两个子系列和4种类型，如下表所示。
资源配置
子系列
片内ROM形式
片内
ROM
容量
片内
RAM
容量
定时器
/计数器
中
断
源
无
ROM
EPROM
E2PROM
51子系列
8031
8051
8751
8951
4KB
128B
2×16
5
52子系列
8032
8052
8752
8952
8KB
256B
3×16
6
表1MCS-51系列单片机分类
按资源配置数量，MCS-51系列分为51和52两个子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列则是增强型，以芯片型号的最末位数字的“1”和“2”作标志。
52作为增强型子系列，由于资源数量的增加，使其芯片的功能也有所增强。
例如片内ROM容量从4KB增加到8KB，片内RAM单元数从128字节增加到256字节，定时器/计数器的数目从2个增加到3个，中断源从5个增加到6个等。
单片机内部程序存储器（ROM）的配置共有：
不含有内部程序存储器（写为“无”或“ROMless”）、掩模型只读存储器（写为“ROM”或“MaskROM”）、紫外线擦除可编程只读存储器（写为“EPROM”或“OtpROM”）、电擦除可编程存储器（写为“E2PROM”或“FlashROM”）4种类型，所对应的（51子系列）芯片名称依次为：
80631、8051、8751和8951。
到目前为止，尽管计算机科学和技术得到了充分的发展，但计算机的体系结构仍然没能突破有计算机的开拓者、数字家约翰.冯.诺曼最先提出来的经典体系结构框架，即一台计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。
微型机是这样，单片机也不例外。
因此我们要从计算机五个基本组成部分的观点来理解单片机的系统结构，所不同的只是单片机是把那些作为控制应用所必需的内容，包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入/输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。
图1MCS-51单片机系统结构框图
●MCS-51单片机芯片内部逻辑结构
1.中央处理器（CPU）中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。
按其功能，中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。
2.运算器电路
运算电路时单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。
运算电路以ALU为核心，基本的算术和逻辑运算均在其中进行，包括加、减、乘、除、增量、减量、十进制调整、比较等算术运算，与、或、、异或等逻辑运算，左、右、移位和半字节交换等操作。
运算和操作结果的状态由状态寄存器（PSW）保存。
3.控制器电路
控制电路时单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调地工作。
单片机执行指令是在控制电路的控制下进行的。
首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作。
这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。
4.内部数据存储器
内部数据存储器包括RAM（128x8）和RAM地址寄存器等。
实际上80C51芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。
因此，通常所说的内部数据存储器是指前128单元，简称“内部RAM”。
5.内部程序存储器
内部程序存储器包括ROM（4Kx8）和程序地址寄存器等。
80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始数据。
因此称之为程序存储器，简称“内部ROM”。
6.定时器/计数器
出于控制应用的需要，80C51共有两个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。
7.并行I/O口
MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。
8.串行口
MCS-51单片机有一个全双公的串行口，以实现单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。
该串行口功能较强，即可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。
9.中断控制系统
MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用需要。
80C51共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。
全部中断分为高级和低级共两个优先级别。
10.时钟电路
MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接，时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，典型的晶振频率为12MHZ。
11.位处理器
单片机主要用于控制，需要有较强的位处理功能，因此位处理器是它的必要组成部分，在一些书中常把位处理器称为布尔处理器。
位处理器以状态寄存器中的进位标志位C为累加器，可进行置位、复位、取反、等于“0”转移、等于“1”转移且清“0”以及C可寻址位之间的传送、逻辑与、逻辑或等位操作。
位处理操作也是通过运算器实现的。
必须特别指出，位处理器是单片机的重要内容，因为它是单片机实现控制功能的保证。
12.总线
上述这些部件都是通过总线连接起来，才能构成一个完整的单片机系统。
总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。
从上述内容可以看出，虽然MCS-51只是一个芯片，但“麻雀虽小五脏俱全”，作为计算机应该具有的基本部件在单片机中几乎都包括，因此，实际上它已经是一个简单的微型计算机系统了，应当按计算机系统的概念来理解单片机。
信号引脚介绍
80C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。
.输入/输出口线
P0.0～P0.7P0口8位双向口线
P1.0～P1.7P1口8位双向口线
P2.0～P2.7P2口8位双向口线
P3.0～P3.7P3口8位双向口线
.ALE地址锁存控制信号
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。
此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
图280C51单片机芯片引脚图
.PSEN/外部程序存储器读选通信号
在读外部ROM时PSEN/有效（地电平），以实现外部ROM单元的读操作。
.
访问程序存储器控制信号
当
信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当
信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
.RST复位信号
当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。
.XTAL1和XTAL2外接晶体引线端
当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
.Vss地线
.Vcc+5V电源
以上就是80C51单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明。
本设计充分应用信号引脚的第二功能和并行通讯功能。
三、方案设计
采用89C51单片机来实现。
单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
单片机系统可用数码管显示测量值。
对于电压信号采样用OP07电压跟随器和LF398数据保持器进行预处。
在测量工频交流电压信号时，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制89C51对电压信号的相位测量。
采用以89C51为核心的单片机系统使整体结构简单，并且可以实现显示、打印、与微机通信等功能，大大提高了系统的智能化程度，同时系统所测结果的精度很高。
系统总体框图如：
图3系统整体框图
四、模块电路设计与比较
（一）数据采集模块
数据采集模块包括：
电压跟随电路，信号采样/保持电路，A/D转换电路。
1.电压跟随电路：
由OP07构成，虽然精确度不够高，但它能提高带负载能力，硬件电路简单，也不需软件控制，基本上能满足任务书上的要求，所以本设计采用了此方案。
电路如图1所示：
输入信号是0～5V交流电压信号，输出信号不变。
f（t）f（t）
t
t
图4电压跟随电路
2.信号采样/保持电路
采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。
在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。
输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。
电路如图2所示：
图5信号采样/保持电路
●芯片介绍
LF398是一种高性能单片采样/保持器。
它具有很高的直流精度、很快的采样时间和低的下降速度。
器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容达到最佳。
例如选择1000PF的保持电容，具有6us的采样时间，可达到12bit的精度。
LF398的价格低廉。
电源电压可从±5～±18V任意选择，其性能几乎无影响。
采样/保持的逻辑控制可与TTL或CMOS电平接口。
它可广泛地应用于高速A/D转换系统、数据采集系统和要求同步采样的领域。
该器件外形采用8脚DIP封装结构。
性能特点：
A.具有12bit吞吐精度；B.采样时间：
小于10us;C.宽带噪声：
小于20uV;D.可靠的整体结构；E.输入阻抗：
大于1010Ω；F.TTL和CMOS逻辑接口。
主要参数
a.输入偏流：
小于50nA;b.增益：
1；c.输入失调：
小于±7mV;d.输出阻抗：
小于0.5Ω；e.电源电压:
±5～±18V;f.电源电流：
±4.5～±6.5mA。
b.内部结构与引脚说明
①内部结构
图6LF398内部电路结构
LF398内部电路结构如图3，N1是输入缓冲放大器，N2是高输入阻抗射极输出器。
逻辑控制采样/保持开关：
当开关S接通时，开始采样，当开关断开时，进行保持。
②引脚说明
引脚功能为：
1、4脚：
V＋、V－，正、负电源输入端，应与地之间接入0.1uF电容；2脚：
OFAD，失调电压调整端；3脚：
Vi，模拟电压输入端；5脚：
OUT，采样/保持输出端；6脚：
HOC，采样/保持电容接入端；7脚：
MREF，逻辑控制电平参考端，一般接地；8脚：
MCTR，逻辑控制输入端，高电平为采样，低电平为保持。
基本接法与应用
下图4是LF398的基本连接图。
失调电压的调整是通过与V＋的分压并调整1KΩ电位器实现的。
保持电容CH应选用300～1000PF的高性能低漏电云母电容器。
控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。
本设计采用此种连接方法。
电路如图4所示：
图7LF398的基本接法
1.A/D转换电路
利用ADC0809完成A/D转换功能。
输入的是LF398输出的抽样信号，经过ADC0809内部的量化编码，以数字信号的形式输出。
数字信号的产生过程如下：
假设输入的模拟信号是
V①因为ADC0809是8位输出，所以将最高点的抽样信号5V平均分成28份，画出256个阶梯波。
最低点用二进制代码0000，00000表示，最高点用1111，1111表示。
换句话说，就是将1111，1111平均分成256份，这样每一个阶梯波对应一个二进制代码，如图5所示：
（1111，1111）5V
﹒.
256..
..
（0000，0000）0
图8模拟信号的量化编码
②用
表示
V模拟量在图中对应的点。
在图中标出
点，若
恰好落在阶梯波上，则这个阶梯波的编码就是
V电压的编码；若
落在两个阶梯波之间，则取它下方最近阶梯波的编码近似作为
V电压的编码。
根据求出的二进制编码，即可画出脉冲编码波形-数字信号。
本设计中ADC0809与8051单片机的接口方案如图6所示
8051AD0809
（+）
（-）
Ui
图9ADC0809与8051单片机的接口
由于ADC0809片内无时钟产生电路，可利用8051提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。
ADC0809具有三态数据输出，其8位数据线直接与CPU数据总线相连，地址译码线A、B、C共同接地，只选通IN0通路。
将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号WR/和P27控制ADC0809的地址锁存和转换启动。
由于AIE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行A/D转换。
再读取转换结果时，用弹片机的读信号RD/和P27给一级或非门形成的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。
由原理图可知，P27与ADC0809的ALE、START和OE之间有如下关系：
可见，P2.7应设置为低电平。
由硬件线路分析可知：
在编写软件时应令P2.7=A15=0;给出被选择的模拟通道地址；执行一条输出指令，启动A/D转换。
执行一条输入指令，读取转换结果。
下图7是ADC0809的工作时序图。
图10ADC0809的工作时序图。
●芯片介绍
ADC0809在同一芯片上设计了一个8位的A/D转换器和8通道模拟采样开关，因此可以直接输入8个单端的模拟信号，由于本设计只采样一路模拟信号，我选用IN0通道，所以令其它7路通道悬空。
该器件的主要性能如下a..采用单+5V电源逐次逼近式A/D转换，工作时钟典型值为640KHZ，转换时间约为100us。
b.分辨率为8位二进制码，总失调误差为+/-1LSB。
c.模拟量的输入电平范围为0～5V，不需要零点和满度调节。
d.具有8通道阀锁开关控制，可以直接接入8个单端模拟量。
e.数字量输出采用三态逻辑，输出符合TTL电平。
f.容易与各种微机处理器连接，也可以独立工作。
内部结构与引脚说明1.内部结构ADC0809的内部结构主要包括多路模拟开关和A/D转换器两大部份。
（1）多路模拟转换开关：
ADC0809器件内8个标准模拟开关的输入通过引线IN0-IN7.多路开关的状态地址译码器控制，用来指定采样的输入通道。
ALE是地址锁村信号，在ALE的上升沿A、B、C三个地址信号被锁入地址锁存器。
地址信号所选择的通道见下表
（2）A/D转换器：
ADC0809采用逐次逼近转换法。
该转换器包括比较器、逐次逼近寄存器（SAR）、开关树、256R网络和控制逻辑等部件。
其中开关树是一个接受逐次逼近寄存器控制的开关阵，开关树中各开关状态通过接通或断开256R网络中的某些支路，从标准参考电压逐次得到对应的推测值，送往比较器的输入端与输入模拟量进行比较。
三态输出锁存器用来锁存转换的结果。
2.引脚说明ADC0809为28脚双列直插式封装。
1-5端：
IN3-IN7,模拟通道输入端第3到第7路。
6端：
STAR
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