三位半数字电压表电路的设计文档格式.docx

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2011-6-13至2011-6-26

目录

一、题目及设计目的-1-

二、设计要求-1-

三、方案设计与论证-1-

（1）、主控芯片-1-

（2）显示部分-1-

四、设计原理及电路图-2-

（1）数字电压表原理框图如下：

-2-

①量程转换模块-3-

②基准电压模块-3-

③31/2位A/D电路模块-4-

④字形译码驱动电路模块-4-

⑤显示电路模块-5-

（2）实验芯片简介：

-5-

①三位半A／D转换器MC14433-6-

②七段锁存-译码-驱动器CD4511 

（如图二）-9-

③七路达林顿驱动器阵列MC1413（如图三）-10-

④高精度低漂移能隙基准电源MC1403（如图四）-11-

（3）实验电路图：

-12-

五、元器件清单-13-

六、参数计算-13-

七、结论与心得-14-

参考文献-15-

数字电压表电路设计报告

一、题目及设计目的

1、题目：

31/2位数字电压表

2、设计目的：

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，同时复习、巩固以往的模电、数电内容。

二、设计要求

1、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出3个实现数字电压表哦那功能的方案；

要求写出实现工作原理，画出电原理功能图，描述其功能。

2、对将要进行实验的方案，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。

3、技术指标：

测量直流电压1999-1V；

199.9-0.1V；

19.99-0.01V；

1.999-0.001V；

测量交流电压1999-199V。

三、方案设计与论证

（1）、主控芯片

方案1：

选用A/D转换芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403实现电压的测量，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。

缺点是工作速度低，优点是精度较高，工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。

方案2：

选用专用电压转化芯片INC7107实现电压的测量和控制。

它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管。

用四位数码管显示出最后的转换电压结果。

缺点是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。

优点是价格低廉。

方案3：

选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0809实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。

缺点是价格稍贵；

优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。

基于课程设计的要求，以及元器件现有状况，选择方案一进行试验。

（2）显示部分

方案1：

选用4个单体的共阴数码管。

优点是价格比较便宜；

缺点是焊接时比较麻烦，容易出错。

选用点阵显示器。

优点是能显示文字和数字；

缺点是其内部结构较为复杂，不易连接。

选用液晶显示器。

优点是能显示大量的文字、数字和图形，而且清晰化程度高；

缺点是成本高。

基于实验室元器件的现有提供情况，选用了方案一。

四、设计原理及电路图

方案1的原理框图如图a所示；

方案2的原理框图如图b所示；

方案3的原理框图如图c所示。

图a

图b

图c

选用方案一，由数字电压表原理框图可知,数字电压表由五个模块构成,分别是基准电压模块,31/2位A/D电路模块,字形译码驱动电路模块,显示电路模块,字位驱动电路模块.

各个模块设计如下:

①量程转换模块

输出

采用多量程选择的分压电阻网络，可设计四个分压电阻大小分别为900KΩ，90KΩ，9KΩ和1KΩ。

用无触点模拟开关实现量程的切换。

②基准电压模块

这个模块由MC1403和电位器构成,提供精密电压，供A/D转换器作参考电压.

③31/2位A/D电路模块

直流数字电压表的核心器件是一个间接型A/D转换器，这个模块由MC14433和积分元件构成,将输入的模拟信号转换成数字信号。

④字形译码驱动电路模块

这个模块由CD4511构成,将二—十进制（BCD）码转换成七段信号。

⑤显示电路模块

这个模块由数码管构成,将译码器输出的七段信号进行数字显示，同时根据数位选择电路选择是否输出小数点，读出A/D转换结果。

在实验中应用四块数码管以实现三位半输出。

数字显示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（如图1所示）可采用MC14433—三位半A/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MC1403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0000～1999。

所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为0～9，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。

各部分的功能如下：

三位半A/D转换器（MC14433）：

将输入的模拟信号转换成数字信号。

基准电源（MC1403）：

提供精密电压，供A/D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，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A/D转换结果。

工作过程如下：

三位半数字电压表通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的A/D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。

DS1～DS4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（MSD），DS4则对应最低位（LSD）。

在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0～Q3输出BCD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Q0～Q3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UX>

0；

Q2的电平为0，表示极性为负，即UX<

0。

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

。

当Q3=0,Q0=1时，表示Ux处于过量程状态；

当Q3=1，Q0=1时，表示Ux处于欠量程状态。

当

=0时，|UX|>

1999，则溢出。

|UX|>

UR则

输出低电平。

=1时，表示|UX|<

UR。

平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内。

MC14433的

端与MC4511的消隐端

直接相连，当UX超出量程范围时，

输出低电平，即

=0→

=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。

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l00MΩ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）与外接电容器C0构成自动调零电路。

除“模拟电路”以外，MC14433内部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数（0～1999），并锁存于三位半十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号（DU）作用下，实现A/D转换结果的锁定和存储。

借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0～Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1～DS4实现三位半数码的扫描方式（多路调制方式）输出。

MC14433内部的控制逻辑是A/D转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。

根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。

在对基准电压VREF进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成A/D转换。

MC14433内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井利用内部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC多谐振荡器，一般外接电阻为360kΩ时，振荡频率为100kHz；

当外接电阻为470kΩ时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750kΩ时，振荡频率为50kHz。

若采用外时钟频率。

则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI（10脚）端输入，时钟脉冲CP信号可从CPO（原文资料为CLKO）（11脚）处获得。

MC14433内部可实现极性检测，用于显示输入电压UX的正负极性；

而它的过载指示（溢出）的功能是当输入电压Vx超出量程范围时，输出过量程标志OR（低有效）。

MC14433是双斜率双积分A/D转换器，采用电压—时间间隔（V/T）方式，通过先后对被测模拟量电压UX和基准电压VREF的两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。

双积分过程可以做如下概要理解：

首先对被测电压UX进行固定时间T1、固定斜率的积分，其中T1=4000Tcp。

显然，不同的输入电压积分的结果不同（不妨理解为输出曲线的高度不同）。

然后再以固定电压VREF以及由RI,CI所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。

于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，则该数N就是被测电