数字电压测试仪的制作Word文档格式.docx

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MC14433转换器抗干扰能力强,测量精度高,在电子仪表中获得广泛应用。

关键词MC14433转换器基准电源

一、任务与要求

数字电压表是一种直接用数字显示的电压测量仪器.

本课题要求设计制作一个31/2位的数字电压表.所谓31/2位是能测量显示出十进数0000~1999,即个位,十位,百位的范围为0~9.而千位为0和1两种状态,称为半位.

二、设计思路

1.实验目的

(1)掌握数字电压表的设计、组装与调试方法.

(2)熟悉集成电路MCl4433,MCl413,CD451l和MCl403的使用方法,并掌握其工作原理。

2.设计依据

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

=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就是被测电压对应的数字量。

由此实现了A/D转换。

积分电阻电容的选择应根据实际条件而定。

若时钟频率为66kHz,CI一般取0.1μF。

RI的选取与量程有关,量程为2V时,取RI为470kΩ;

量程为200mV时,取RI为27kΩ。

 

选取RI和CI的计算公式如下:

式中,ΔUC为积分电容上充电电压幅度,ΔUC=VDD-UX(max)-ΔU,ΔU=0.5V,

例如,假定CI=0.1μF,VDD=5V,fCLK=66kHz。

当UX(max)=2V时,代入上式可得RI=480kΩ,取RI=470kΩ。

MC14433设计了自动调零线路,足以保证精确的转换结果。

MC14433A/D转换周期约需16000个时钟脉冲数,若时钟频率为48kHz,则每秒可转换3次,若时钟频率为86kHz,则每秒可转换4次。

MC14433采用24引线双列直插式封装,外引线排列,参考图1的引脚标注,各主要引脚功能说明如下:

(1)端:

VAG,模拟地,是高阻输入端,作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。

(2)端:

RREF,外接基准电压输入端。

(3)端:

UX,是被测电压输入端。

(4)端:

RI,外接积分电阻端。

(5)端:

RI/CI,外接积分元件电阻和电容的公共接点。

(6)端,C1,外接积分电容端,积分波形由该端输出。

(7)和(8)端:

C01和C02,外接失调补偿电容端。

推荐外接失调补偿电容C0取0.1μF。

(9)端:

DU,实时输出控制端,主要控制转换结果的输出,若在双积分放电周期即阶段5开始前,在DU端输入一正脉冲,则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出,否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。

若该端通过一电阻和EOC短接,则每次转换的结果都将被输出。

(10)端:

CPI(CLKI),时钟信号输入端。

(11)端:

CPO(CLKO),时钟信号输出端。

(12)端:

VEE,负电源端,是整个电路的电源最负端,主要作为模拟电路部分的负电源,该端典型电流约为0.8mA,所有输出驱动电路的电流不流过该端,而是流向VSS端。

(13)端:

VSS负电源端.

(14)端:

EOC,转换周期结束标志输出端,每一A/D转换周期结束,EOC端输出一正脉冲,其脉冲宽度为时钟信号周期的1/2。

(15)端:

OR,过量程标志输出端,当|UX|>

VREF时,OR输出低电平,正常量程OR为高电平。

(16)~(19)端:

对应为DS4~DS1,分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端,当DS端输出高电平时,表示此刻Q。

~Q3输出的BCD代码是该对应位上的数据。

(20)~(23)端:

对应为Q0-Q3,分别是A/D转换结果数据输出BCD代码的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位输出端。

(24)端:

VDD,整个电路的正电源端。

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

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。

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。

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。

三、实施方案

1.实验步骤

数字电压表原理框图如下:

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)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.

(2)31/2位A/D电路模块

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。

(3)字形译码驱动电路模块

这个模块由MC4511构成,将二—十进制(BCD)码转换成七段信号。

(4)显示电路模块

这个模块由LG5641AH构成,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。

(5)字位驱动电路模块

这个模块由TD62003AP构成,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。

四、设计原理图

五、实验小结

通过这次对数字电压表的设计学习,让我再次了解了对电路设计的程序,也让我们了解了数字电压表的原理和设计理念。

有半年的时间没有接触数字电路和模拟电路了,这次的硬件课程设计是让我对以前学过的知识的重温,并再次证明了理论付诸实践的正确性。

设计中较重要的环节就是对双积分电路的理解,我当时半天没能理解基准电压的概念,以为是设计好了的,后来才发现是通过自己的设定来改变电路中参数的。

还有在设计最后,没有达到溢出千位显示一的结果,仔细检查电路也没发现原因,后来才知道是要通过Q3结反相器再连接的,电路图需要我们自己动脑思考,不是纯粹为了赶紧验收而实验的。

在设计只有一片MC14433,于是为了做到以防万一,我们不得不小心小心再小心,认真检查芯片各个管脚的输出,在此过程中对MC14433有了更进一步的了解。

同时,在焊接电路时让我们更加熟练的掌握了焊接的方法,更加清楚的了解到了焊接中应该注意的问题,加深了对焊接工艺的了解

这次硬件课设让我们对以前的知识有了一个回顾,学习到了很多东西,希望将来的工作中,我们都能像这次课设中一样认真的去学习和应用所学的知识。

六、参考文献

陈尚松郭庆雷加电子测量与仪器(第二版)电子工业出版社

康华光电子技术基础(第五版)高等教育出版社

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