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

。

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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