数字式电阻测量仪课程设计Word文档格式.docx
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题目及摘要。
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第一章系统概述。
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第一节总体思想。
第二节各部分功能简介。
第二章主要单元电路设计及分析论证。
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第一节.电阻的电压比例输入法。
第二节A／D转换器一MCl4433。
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第三节显示译码器CD4511。
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第四节七路达林顿驱动器阵列MCl413。
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第五节发光数码管显示器。
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第六节简单调试要点。
16
第三章补充说明。
17
第四章课设的收获。
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附：
设计总电路图。
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元器件明细表。
20
鸣谢。
21
参考文献。
设计题目：
初始条件：
本设计可以使用在数模电理论课上学过或没学过的集成器件和必要的门电路，用数码管显示被测电阻的数值。
要求完成的主要任务：
1.被测电阻值范围100Ω～100kΩ；
2.四位数码管显示被测电阻值；
3.分别用红、绿色发光二极管表示单位；
4.具有测量刻度校准功能。
摘要：
数字化测量仪器较模拟仪器具有使用方便，测量精确等优点。
本次课程设是针对数字式电阻测试仪的设计，介绍了数字式电阻测试仪的设计方案及其基本原理，并着重介绍了数字式电阻测试仪各单元电路的设计思路，原理及整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。
设计共有三大组成部分：
一是系统概述，本部分概括讲解了电路的设计思想和各部分功能；
二是各单元所用器件、其性能和在电路中的功能。
三是设计小结，这部分包括设计的完成情况，并提出本系统需要改进的地方及遇到的困难。
关键字：
电阻转化电压模数转换器MC14433驱动器1413数码显示。
第一章系统概述
第一节总体思想
本设计旨在将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示。
该系统采用采用电阻的比例法输入电路、MC14433——3位半A/D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511BCD码七段锁存-译码-驱动器、超量程闪烁报警电路和4位共阴极LED发光数码管组成。
本系统是3位半数字式电阻测量表，3位半指十进制数0000～1999。
其系统框图如下：
图1系统框图
第二节各部分功能简要介绍
1直流源及串联电阻比较电路：
用比例法将待测电阻值输入AD转换器。
通过提供流过被测电阻的电压与模数转换芯片标准电压的比值反映被测电阻与标准电阻的比值，再根据模数转换芯片内部特性将其阻值输出。
2位A／D转换器（MC14433）：
将输入的模拟信号转换成数字信号，并将与被测阻值有关的信号输入译码-驱动-显示电路，将溢出信号提供给双D触发器组成的超量程报警电路。
改部件是本设计电路的核心部分。
3译码器（CD4511）：
将二—十进制（BCD）码转换成七段信号。
4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。
5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。
第二章主要单元电路设计及分析论证
第一节被测电阻输入方案的选择
为了用数字的办法测量电阻，首先需要将被测电阻值以某种方式输入AD转换器。
根据测量原理的不同，其输入方法有很多，如直接法、电桥法和充放电法。
各种办法都有相应的优缺点，例如充放电法及直接法均需求得被测样两端的电压与通过被测样的电流，利用欧姆定律从而得出被测样的电阻，电桥法则是利用电桥两端电位的平衡来得出被测样的电阻。
其中利用直接法测得的电阻（如“摇表”）存在读数不精确等明显的人为因素干忧，在读数较大的情况下尤其如此；
利用充放电法测得的电阻阻值偏大；
而利用电桥法测量，则存在电桥调节费时费力等不利因素。
下面列出几中具体方案进行分析比较，最终选择得出方案：
方案一通过555单稳态触发器转换
利用单稳或电容充放电规律等，可以把被测电阻量的大小转换成脉冲的宽窄，即脉冲的宽度Tx与Rx成正比。
只要把此脉冲和频率固定不变的方波（以下称为时钟脉冲）相与，便可以得到计数脉冲，将它送给数字显示器。
如果时钟脉冲的频率等参数合适，便可实现测量电阻。
这种设想如图所示，图中计数控制电路输出的脉冲宽度Tx应与Rx成正比。
其电路原理图及具体555单稳态触发器的构成及仿真如下图所示。
图1方案一原理图
图2计数控制电路
方案二利用施密特反相器构成方波发生电路，其输出脉冲宽度与被测电阻成正比，其余原理同上方案，其原理电路图如下：
图3方案2原理图
方案三通过微分电路转换
把三角波输入给微分电路〔把被测电阻作为微分电阻），在电路参数合适的条件下，微分电路的输出幅度与Rx成正比，再经过峰值检测电路或精密整流及滤波电路，可以得到与Rx成正比的直流电压Vx、然后再进行A／D转换，送给数字显示器，便可通过测电压来测电阻。
这种设想如图l—1所示，图中的A／D转换器可采用数字仪表中常用的MC14433.图中压控振荡器输出矩形波，它的频率fx与Vx成正比，而Vx与被测电阻Rx成正比，因此fx与Vx成正比。
在计数控制时间To等参数合适的条件下，数码显示器所显示的数字N就是Rx的大小。
图4方案一的原理图
方案四电压比例输入法
本设计方案图如下，结合模数转换芯片MC14433本身的特性，为其提供电阻比较电路，如右图所示，两恒流源提供相等电流，两个标准电阻通过双掷开关选择，若模数转换器的标准电压和输入电压用Vo和Vi表示，标准电阻和被测电阻分别用RnRx表示，则其显示值满足下式：
N=1999*Vi/Vo=1999*Rx/Rn
这表明显示值N仅取决于Rx和Rn的比例，故称之为比例法。
式中Rx的单位根据n的值选定。
接入不同阻值的标准电阻，并利用单刀双掷开关选择Rn的值，可得到想要的量程。
标准电阻与量程的对应关系如下：
图5方案4原理图
表1标准电阻与量程对应关系
量程（欧）
200
2k
20k
200k
2M
倍率n
1
3
标准电阻（欧）
19.99
199.9
1999
19990
199900
1999000
方案的比较
方案一
用555构成的单稳态电路在正常工作条件下输出脉冲的宽度Tx与Rx的函数关系是：
Tx=R*Cx*ln3
所产生的时间误差可能达到百分之五，再加上其他原因产生的误差，测量是的时间延迟太大。
方案二
用施密特反相器可以构成方波发生器，它的震荡周期与R成正比，但存在下列问题：
（1）如果途中的施密特反相器是TTL器件74LS14，则震荡周期稳定性差。
（2）如果图中的施密特反相器是CMOS器件，则若C较小，振荡周期的稳定性差，甚至不能正常工作；
若C较大，则震荡周期有可能过大造成响应时间太长。
方案三
利用微分电路和整流、滤波、峰值检测电路将电阻转换成电压，回路复杂，而且不易换算。
方案四
本方案原理较易理解，实现也方便简单。
测量精确，而且利用标准电阻的更换让测量更具有灵活性。
本电路还有一个好处是，可以测量两个未知电阻的阻值。
此时将一个被测电阻仍作为Rx接入，另外一个作为Rn接入，则有：
N=1999*Vi/Vo=1999*Rx1/Rx2
对于标称值相同的两个电阻，其相对误差的表达式为E=Rx1-Rx2*100%=（Rx1/Rx2-1）*100%因此，将测量电阻比时的显示值减去1，并用百分数表示，就是Rx1Rx2的相对误差，其值一般再0.1%~10%之间。
所以最后决定，由于第三种方案换算和电路都比较简单，并且测量精确，本实验选取第三种方案。
最终具体方案（方案三细化）
由于本课设中所要求的R的量程为100—100千欧，选择倍率2和5，即标准电阻为200欧和200千欧，相对应的量程为0~200欧及0~200千欧，单位分别为0.1欧和100欧。
为了判断所用的量程和单位，为200欧标准电阻的一路串联一个红色发光二极管，为200千欧标准电阻的一路串联一个绿色发光二极管。
当选定某一路标准电阻即量程时，该路相应的二极管发光，由此二极管可显示选定的量程大小和相应单位。
当测量电阻较小时，选用红色放光的那一路，则可以精确到一位小数；
若测量较大电阻，则选择绿色发光的那一路。
第二节A／D转换器一MCl4433
（一）芯片功能简介和内部结构
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：
精度：
读数的±
0.05%±
1字
模拟电压输入量程：
1.999V和199.9mV两档
转换速率：
2-25次/s
输入阻抗：
大于1000MΩ
电源电压：
±
4.8V—±
8V
功耗：
8mW（±
5V电源电压时，典型值）
采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。
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。
MC14433内部电路结构与引脚图如下：
图6MC14433内部结构图
（二）
MC14433的引脚说明：
[1].Pin1（VAG）—模拟地，为高科技阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。
[2].Pin2（VR）—基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。
MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。
此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲（VR），就能够复为至转换周期的起始点。
[3].Pin3（Vx）—被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：
因此，满量程时Vx=VR。
当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，由于要用的是0到19.99伏的量程，可以使，VR取20.00V。
[4].Pin4-Pin6（R1/C1，C1）—外接积分元件端。
这三个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率选为66kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470kΩ，而满量程为200mV时，R1取47kΩ。
在20.00V满量程时，电阻R1约为4.7M
[5].Pin7、Pin8（C01、C02）—外接失调补偿电容端，电容一般也选0.1uF聚脂薄膜电容即可。
[6].Pin9（DU）—更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。
如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出。
否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。
这个作用可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC引脚直接短接即可。
[7].Pin10、Pin11（CLK1、CLK0）—时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300kΩ即可。
[8].Pin12（VEE—负电源端。
VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高
[9].Pin13（Vss）—数字电路的负电源引脚。
Vss工作电压范围为VDD-5V≥Vss≥VEE。
除CLK0外，所有输出端均以Vss为低电平基准。
[10].Pin14（EOC）—转换周期结束标志位。
每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。
[11].Pin15（
）—过量程标志位，当|Vx|>
VREF时，
输出为低电平。
[12].Pin16、17、18、19（DS4、DS3、DS2、DS1）—多路选通脉冲输出端。
DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。
当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期，以保证数据有充分稳定时间。
图7MC14433外部引脚图
[13].Pin20、21、22、23（Q0、Q1、Q2、Q3）—BCD码数据输出端。
该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。
同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息，这些信息所代表的意义见下表。
[14].Pin24（VDD）—正电源电压端。
表2
MC14433千位BCD码标志意义
MSD编码内容
Q3Q2Q1Q1
BCD7段数码显示
+0
1110
不显示
-0
1010
+0UR
1111
-0UR
1011
+1
1100
4-1（仅显示"
b"
和"
c"
段）
-1
0000
0-1（仅显示"
+1OR
0111
7-1（仅显示"
-1OR
0011
3-1（仅显示"
（三）MC13344在电路中的具体工作原理
3位半A/D转换器通过位选信号DSl—DS4进行动态扫描显示，由于MCl4433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，则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1。
因MC14433的OR#端通过MC4013输出与MC4511的消隐端BI#直接相连，当超过量程时，OR#=0使BI#=0，译码器输出全为0，使数码管不显示数字。
第三节显示译码器CD4511
1CD4511简介
.CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码的CMOS电路能提供较大的拉电流。
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
其引脚图如图13所示。
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；
5、4、3分别表示LE、BI、LT；
13、12、11、10、9、15、14分别表示
a、b、c、d、e、f、g。
左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
图8CD4511引脚图
2.CD4511的工作原理
（1）CD4511的工作真值表如表3
输
入
出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
8
消隐
7
9
锁
存
锁存
（2）锁存功能
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通，TG2截止；
当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。
（3）译码
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出
、
四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
（4）消隐
BI为消
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