三位半数字万用表课程设计.docx
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三位半数字万用表课程设计
三位半数字万用表课程设计
D
第一章:
系统概述-----------------------------------------------------------------------------1
1.1主要内容-------------------------------------------------------------------------1
1.2方案设计与论证-----------------------------------------------------------------2
第二章:
单元电路设计于分析----------------------------------------------------------------4
2.1器件-------------------------------------------------------------------------------4
2.2单元电路--------------------------------------------------------------------------4
2.2.1MC14433-------------------------------------------------------------------4
2.2.2CD4511---------------------------------------------------------------------7
2.2.3MC1413--------------------------------------------------------------------8
2.2.4MC1403--------------------------------------------------------------------9
2.2.5量程选择电路------------------------------------------------------------9
2.2.6单相桥式整流滤波电路----------------------------------------------10
第三章:
电路的安装与调试介绍---------------------------------------------------------11
3.1数码显示部位的组装与调试-------------------------------------------------11
3.2电路连接及测试-----------------------------------------------------------------11
第四章:
结束语---------------------------------------------------------------------------------12
附录一:
元件表--------------------------------------------------------------------------------13
附录二:
电路图--------------------------------------------------------------------------------16
附录三:
参考文献----------------------------------------------------------------------------17
三位半数字万用表
第一章系统概述
1.1主要内容
1、利用所学过知识,通过上网或到图书馆查阅资料,设计出2-3个实现数字万用表的方案;只要求写出实现工作原理,画出电原理功能框图,描述其功能。
说明:
采用原理、方案、方法不限,可以自行设计。
2、其中对将要实验方案3位半位数字万用表方案,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,设计出电原理图。
3、技术指标:
(1)测量直流电压200mv;2V;20V;200V;1000V;
测量交流电压2V;20V;200V;750V
(2)测量直流电流2MA;20MA;200MA;20A;
测量交流电流2MA;20MA;200MA;20A;
(3)电阻:
200
、2K、20K、200K、2M、20M
(4)电容;200nF、20nF、2nF20μF、2μF
(5)三位半数字显示。
1.2方案设计与论证
方案一:
采用双积分A/D转换器MC14433,七段译码驱动器CD4511,基准电源MC1403,反向驱动器,4只LED数码管。
方案二:
根据系统功能实现要求,决定控制系统采用AVR单片机,A/D转换采用其内置的10位AD、四个共阴极LED数码管。
系统除能确保实现要求的功能外,还可以方便地进行数据通讯上传,存储等扩展功能。
原理框图如下:
方案三:
采用逐次逼近型A/D转换器。
方案论证:
1、MC14433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,
2、AVR;它的内置A/D转换的精确度较低,同时在编程及调试方面比较复杂考虑到客观条件因素,放弃使用此方案。
3、逐次渐进型A/D转换器具有转换速度快,功耗低准确度高等特点。
在低分辨率时价格便宜。
但高于12位时价格很高,逐次渐进型A/D转换器的转换时间取决于位数,与输入信号无关,但抗干扰能力差。
综上采用mc14433方案
第二章单元电路设计与分析
2.1、器件
三位半A/D转换器(MC14433):
将输入的模拟信号转换成数字信号。
基准电压(MC1403):
提供精密电压,供A/D转换器做参考电压。
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。
七段显示器:
将译码输出的七段信号进行数字显示,读出A/D转换结果。
七段锁存-译码-驱动器CD4511。
电阻、三极管、电容、导线等。
2.2单元电路
2.2.1.MC14433
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:
1.精度:
读数的±0.05%±1字
2.模拟电压输入量程:
1.999V和199.9mV两档
3.转换速率:
2-25次/s
4.输入阻抗:
大于1000MΩ
5.输入阻抗:
大于1000MΩ
6.功耗:
8mW(±5V电源电压时,典型值)
7.功耗:
8mW(±5V电源电压时,典型值)
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。
(1)引脚功能说明:
VAG(1脚):
被测电压VX和基准电压VR的参考地。
VREF(2脚):
外接基准电压(2V或200mV)输入端
VX(3脚):
被测电压输入端
R1(4脚)、R1/C1(5脚)、C1(6脚):
外接积分阻容元件端
C1=0.1μf,R1=470KΩ;
CO1(7脚)、CO2(8脚):
外接失调补偿电容端,典型值0.1μf。
DU(9脚):
实时显示控制输入端。
若与EOC(14脚)端连接,则每次A/D转换均显示。
CP1(10脚)、CP0(11脚):
时钟振荡外接电阻端,典型值为470KΩ。
CP1~CP0端外接电阻R9=330kΩ,采样速率约为4次/s。
VEE(12脚):
电路的电源负端,接-5V。
VSS(13脚):
除CP外所有输入端的低电平基准(通常与1脚连接)。
EOC(14脚):
转换周期结束标记输出端,每一次A/D转换周期结束,EOC输出一个正脉冲,宽度为时钟周期的二分之一。
OR(15脚):
过量程标志输出端,当|VX|>VR时,OR输出为低电平。
DS4~DS1(16~19脚):
多路选通脉冲输入端,DS1对应于千位,DS2对应于百位,DS3对应于十位,DS4对应于个位。
Q0~Q3(20~23脚):
BCD码数据输出端,DS2、DS3、DS4选通脉冲期间,输出三位完整的十进制数,在DS1选通脉冲期间,输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。
(2)工作原理:
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MC14433电路的A/D转换结果采用BCD码多路调制方法输出,通过译码器译码,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输出多路调制脉冲信号。
DS选通脉冲高电平,则表示对应的数位被选通,此时该数据在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,DS4则对应最低位。
在对应DS2、DS3和DS4选通期间,Q0~Q3输出BCD码全位数据,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。
或1及过量程、欠量程和极性标志信号。
过量程是当输入电压Vx超过量程范围时,输出过量程标志信号/OR。
当Q3=0,Q0=1时,表示Vx处于过量程状态。
当Q3=1,Q0=1时,表示Vx属于欠量程状态。
当OR=0时,|Vx|>1999,则溢出;|Vx|>Vr,则OR输出低电平。
当OR=1时,表示|Vx|正常时OR输出高电平,表示被测量在量程内。
2.2.2七段锁存-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,引脚分配见右图,真值表参见下图。
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。
输入
输出
LE
BI’
LT’
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示字形
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
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1
0
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0
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1
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1
0
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1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
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1
1
1
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0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
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1
1
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0
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0
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0
0
0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
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1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
X
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁存
锁存
2.2.3.七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电路结构和引脚如图3所示,它采用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。
本电路采用三极管代替七路达林顿驱动器阵列MC1413。
2.2.4.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。
MC1403用8条引线双列直插标准封装,如右图所示。
2.2.5.量程选择电路
如左图中四个电阻串联分压设计,总电阻值为10MΩ,当开关S1闭合时,为最小量程2V;当开关S2闭合时,衰减10倍,其量程为20V;当开关S3闭合时,衰减100倍,其量程为200V;当开关S3闭合时,衰减100倍,其量程为200V。
通过电阻对不通电压进行不同的分压,从而得到固定范围内的相对较小的电压输入至MC14433进行模数转换,输出至数字显示器上。
2.2.6.单相桥式整流滤波电路
电路为单向桥式整流电路,适用于大电压的整流。
电路TR为电流变压器,它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的电压V2=Sinwt,四支整流二极管D1~D4接成电桥的形式。
第三章电路的安装与调试介绍
3.1、数码显示部分的组装与调试;
(1)实际实验中采用4个8段数码管,将千位数码管bc并联作为千位1,g作为符号显示。
Mc1413用NPN三极管与电阻搭接的反相器替代。
(2)先将4个数码管插入试验箱IC座,插好芯片MC4511与三极管反相器,将输入端与逻辑电平试验箱相连。
(3)调节实验箱逻辑电平高低检查译码显示是否正常。
如果所有4位数码管显示正常,则说明显示部分工作正常。
3.2电路连接及测试
(1)插好芯片MC14433,接电路全图接好全部线路。
(2)将输入端接地,接通电源,此时显示器将显示000,如果不是,应检测电源正负电压。
用示波器测量DS1~DS4,Q0~Q3的波形,判别MC14433是否工作。
(3)用电阻、电位器构成一个简单的输入电压调节电路,调节电位器,4位数码将相应变化,然后进入下一步精调。
(4)用实验台数字电压表测量输入电压,调节电位器,使输入电压为1.000V,这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”,应调整基准电压源,使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。
(5)改变输入电压,使其为-1.000V,检查“-”是否显示。
(6)在+1.999V~0~-1.999V量程内再一次仔细调整(调基准电源电压)使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。
第四章结束语
通过为期两个星期的课程设计,我受益匪浅。
当老师布置好任务并让我们独立完成时,我认为这是一个不可能完成的任务。
我对这个实验毫无头绪,甚至对一些元器件都不了解,不知道要去做什么。
但通过查询资料和老师的帮助,我对这些元器件有了一定的认识。
了解了三位半数字万用表的工作原理和电路,并通过查询资料完成了三个方案的设计。
最终通过实验,实现并完成了设计。
这次课程设计让我认识到了自己的很多不足,我们不仅要通过课本学习知识,还要学习课本之外的知识,学习掌握各种技能和知识。
学会了如何分析问题、解决问题。
比如上网查询资料和对word的使用和熟悉。
学无止境,我们要无止境的学习,对学过的知识加强认识,才能更熟练的运用。
加强理论与实践的结合,才能更好的运用知识,增加自己的动手能力。
多对自己学习的知识进行总结和积累,不断提高自己的知识水平和能力。
这次课程设计让我深深地体会到了我的不足之处和应该努力的方向。
知道了我应该做什么和应该怎么做。
附录一
序号
名称
型号
参数
数量
备注
三位半A/D转换器
MC14433
1
将输入的模拟信号转换成数字信号。
基准电压
MC1403
1
提供精密电压,供A/D转换器做参考电压。
译码器
MC4511
1
将二—十进制(BCD)码转换成七段信号。
驱动器
MC1413
1
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。
七段显示器
4
将译码输出的七段信号进行数字显示,读出A/D转换结果
七段锁存-译码-驱动器
CD4511
1
555
2
电阻
1Ω
2
电阻
90Ω
1
电阻
100Ω
10
电阻
900Ω
1
电阻
9k
1
电阻
2k
5
电阻
10k
4
电阻
900k
1
电阻
90k
1
电阻
9k
1
电阻
1k
2
电阻
1.2k
1
电阻
2.2k
1
电阻
2.7k
1
电阻
47k
3
电阻
22k
1
电阻
100k
1
电阻
220k
1
电阻
470k
2
电阻
1m
2
电阻
2M
1
电阻
750
1
二极管
4
电容
0.1μv
4
电容
47μ
1
电容
100μ
4
电容
104μ
1
单刀开关
9
三极管
5
滑动变阻器
200
1
滑动变阻器
1k
1
滑动变阻器
10k
2
滑动变阻器
100k
1
滑动变阻器
1m
1
参考文献
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高等教育出版社,1998,347-351
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(5)吴政江.电子测量仪器及其应用.武汉理工大学出版社,2003.66-95
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