电压表课程设计说明书正文.docx

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电压表课程设计说明书正文

1.前言：

由于物理学的重大突破，电子技术在20世纪取得了惊人的进步，特别是近四十多年来，微电子技术和其他高技术的飞速发展，致使工业，农业，科技和国防等领域以及人们的社会生活发生了令人瞩目的变革。

随着21世纪的到来，世界将进入信息时代，作为其发展基础之一的电子技术必将以更快的速度前进。

当今世界上集成电路产品日益更新，层出不穷。

人们在掌握基本电子电路的工作原理，主要特性以及电路之间的互联匹配等基本知识之后，通过阅读器件产品手册，就有可能以最少量的集成电路芯片设计出满足技术要求，性能可靠，成本低廉的应用电子电路，乃至构成某种功能完善的电子系统。

半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，由于它具有体积小，重量轻，使用寿命长，输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。

集成电路特别是大规模和超大规模集成电路不断更新换代，致使电子设备在微型化，可靠性和电子系统设计的灵活性等方面有了重大的进步，因而电子技术成为当代高新技术的龙头。

二极管和三极管作为电子技术电路中最基本器件，在电子设计中起着重要的作用，研究各种类型的二极管和三极管对分析电路的功能和构建新电路有着及其重要的意义。

半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型和面接触型两类。

点接触型是由一根很细的金属触丝和一块半导体的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。

由于点接触型和二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。

这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可以用来作小电流整流。

二极管的类型繁多，主要有齐纳二极管，变容二极管，光电二极管，发光二极管和激光二极管等。

齐纳二极管又称稳压二极管，是一种特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。

当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿，形成反向击穿电压。

即稳压管的稳定电压。

稳压管的稳压作用在于，电流增量△I很大，只引起很小的电压变化△Vz。

稳压管的稳定电压Vz,低的为3V，高的可达300V，它的正向压降约为6V。

稳压管在直流稳压电源中获得广泛的应用。

BJT又常称晶体管，它的种类很多。

按照频率分，有高频管，低频管；按照功率分，有小，中，大功率管；按照半导体材料分，有硅管，锗管等等。

BJT都有三个电极，发射e,基极b和集电极c。

BJT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。

为了保证这一个传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置，集电极要反向偏置。

在半导体器手册中，有时画出某些BJT的典型特性曲线，但由于BJT本身特性的分散性，即使是同型号的器件，他们的特性也不完全一致。

所以手册中给出的这些特性曲线只能作为使用时的参考。

在实际应用中，通常是利用专用的图示仪对输入，输出特性进行显示，获通过实验进行测量。

2．总体方案设

2.1方案论证

方案一：

三端稳压直流电源为设计电路中的器件提供了稳定的直流电源，恒流源分别为稳压管提供5mA，为三极管提供10uA的稳定电流。

稳压管的稳压值可以直接通过CC7106A/D转换器构成的电压数字显示电路显示出来。

三极管的β值可以先通过I/U转换器，以电压的形式表示出来，再通过数字显示电路测出电压值（即β的值）。

当稳压管的电压超过6V，三极管的放大倍数超过200的时候，即可以通过系统报警器报警。

图2.1.1方案一的方框图

方案二：

本设计与方案一不同的是以AT89C51单片机最小系统为核心，用汇编语言编程，用多组放大器组成恒流源采样电路，可靠地实现了对三极管基极和集电极电流的检测，通过ADC118和放大器组成数据采集电路。

系统能准确地测量交直流放大系数。

单片机对采集到数据进行处理，并用液晶显示各项参数。

图2.2.1方案二的方框图

2.2方案比较和选择

方案一：

此方案原理简单，测量精度高，所需要的元器件也相对简单，电路图相对简单容易，对于一般的学生可以容易掌握。

方案二：

由于此方案设计涉及的器件比较复杂而且需要汇编语言进行编程这就要求设计者要对单片机有一定的认识和熟悉掌握汇编语言。

且电路图比较复杂，这对一般的初学者有一定的难度。

通过对比，可以发现方案一的精度不如方案二的，但考虑到测量一般的稳压管和三极管时，方案一的精度足够了。

且方案一比较简单，器件容易找。

所以在做设计的时候选择方案一。

3.单元模块设计

3.1直流恒压电源

3.1.1

直流恒压电源设计电路

图3.1.1

直流恒压源电路图

用三端式稳压器LM7815和LM7915构成正，负双电压输出电路，其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品，型号为3N246。

滤波电容为100uF。

当稳压器距离整流滤波电路比较远时，应在输入端接入大小约为0.33uF的电容器，以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。

输出电容约为0.1uF用以滤波除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。

图中T3为电源变压器，它的作用是将交流电网220V50HZ的电压变成整流电路要求的交流电压，其值大约为22V。

电源变压器的线圈匝数比应为1000：

100。

在桥式整流电路中，四个二极管分为两组，且这两组二极管轮流导通，使的正弦波交流电压变为如图3.1.1.1的波形电压。

图3.1.1.1整流后的电压波形

电容C15起着滤波的作用，用来滤去整流输出电流种的纹波。

电容在电路中有储能的作用，并联的电容器C15在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平衡，即电容具有平波的作用.图3.1.1.2就是滤波后电压输出的波形。

图3.1.1.2电容滤波后的电压波形

滤波后的电压作为三端稳压器的输入电压，LM7815具有输出电流0.5A和输出电压为正15V的功能，LM7915具有输出负15V电压的功能。

经过三端稳压器便能得到如图3.1.1.3所示的稳定直流电压。

图3.1.1.3三端稳压器稳压后电压波形

3.1.2+5V直流恒压源设计电路

图3.1.2+5V直流恒压源电路图

3.1.3+9V直流恒压源设计电路

图3.1.3+9V直流恒压源设计电路图

3.2直流恒流源

在测量稳压管稳压值，三极管β值，要求流过其电流分别为5mA和10uA。

我们可以分别接入5mA和10uA的恒流源，恒流源可以由两个运放器及电阻搭接出来，其原理图如图3.2.1所示。

Ui2

I

图3.2.1微电流恒流源电路图

U2为电压跟随器，U1为同相加法器。

C1的输出电压为Uo为:

式中，Kf=1+（R4+R3）.当R1=R2,R3=R4时，Uo=Ui+Ui2

恒流源电流I为：

I=（Uo-Ui2）/R5=（Ui+Ui2-Ui2）/R5

I与负载没关，只要Ui,和R5为定值，则电流I为恒流源。

当输入电压Ui为5V,开关打到R5时，电流为I=10uA,

当输入电压Ui为5V,开关打到R6时，电流为I＝5mA。

运放器C1和C2可以用单个FO82来代替，其原理图为图3.2.2所示

图3.2.2FO82内部结构图

3.3I/U转换电路

测量三极管β值时，是很难直接用仪器测出来的，只能通过β与电流I和U的关系来表达，通过测出I,U来间接将β表示出来。

图3.3I/U转换电路图

BJT集电极的直流电流Ic,与基极的直流电压Ib的比值，就是BJT的直流放大系数，但是BJT常常工作在有信号输入的情况下，这时基极电流产生一个变化量

，相应的集电极电流变化量

，则

与

之比称为BJT的交流放大系数。

一般情况下，BJT的直流放大系数和交流放大系数都非常接近，可以互用。

由图3.3可知,β＝Ic/Ib,而Ic=U1/R13,所以β＝U1/（Ib*R13）,当Ib=10uA,R13=1k时，β＝100U1，只要测出U1的值则可求出β值。

当U1为1V时，β则为100，但由于一般的运放器都不能放大到100V,所以不能用100V来表示β的值。

我们可以用100mV来表示β。

U21构成电压跟随器，Uo=[R28/（R14+R28）]*U1,当R14=9K,R28=1K时，则Uo=0.1U1，当U1＝1V时，则Uo=100mV,则β值可以通过电压显示器显示Uo的值来表达。

3.4系统报警器

在测量稳压管稳压值，三极管β值时，要求当稳压值超出5V,β大于200时，系统要自动报警，发光和发声。

图3.4.1就是报警器的设计电路图。

图3.4.1报警器电路图

图中U1,U2是运放比较器，U1的作用是将稳压管的稳压电压与+5V电压相比较，U1的负端接入一个+5V电压，当稳压管稳压电压小于+5V时，运放比较器输出一个低电平。

当稳压管稳压值大于+5V时，运放比较器输出一个高电平。

U2的作用是将用表示三极管β大小的电压Uo与200mV相比较，其负端接入一个200mV的电压，当Uo大于200mV时，则意味着所测三极管的β大于200，比较器输出一个高电平，当Uo小于200mV时，则说明三极管的β在所测的范围内，系统不需要报警，比较器输出一个低电平。

U20是一个三极管在电路中起着开关的作用，当所测稳压管的稳压值和三极管的β在规定的范围内时，两个比较器都输出低电平，三极管保持截止状态，发光二极管不发光，蜂鸣器不晌。

当所测稳压管的稳压值或三极管的β超出规定的范围内时，三极管的基极加入了一个高电平，三极管导通。

发光二极管发光，蜂鸣器发声。

报警器工作时，应考虑发光二极管是否会被烧坏，所以应和发光二极管串联上一个电阻。

电阻的取值，可以由流过发光二极管的电流所决定，一般规定流过二极管的电压是3～10mA，发光二极管本身存在着一个1.5V左右的管压降。

当电流取3.5mA，则串联电阻R=（5V-1.5V）/3.5mA,R=1K。

3.5脉冲产生电路

锁存器74LS194在工作时，需要CP脉冲，可以用时基电路555产生，其振荡频率约为1HZ。

其电路图如图3.5.1。

Vc

图3.5.1555定时器构成的多谐振荡器电路图

由555定时器构成的多谐振荡器，其工作波形如图3.5.2。

图3.5.2555定时器构成的多谐振荡器工作波形图

接通电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。

当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。

电容器放电所需的时间为

Tpl=R2*Cln2≈0.7R2C

当C电容结束时，T截止，Vcc将通过R1,R2向电容放电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为：

Tph=（R1+R2）Cln2≈0.7（R1+R2）C

当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复起，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：

f=1/（Tpl+Tph）≈1.43/（R1+R2）C

令R1=R2=48K,C=10uF,则得到f=1HZ的频率

由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，他的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。

五端接入一个0.01uF的电容是为了防止外界对电路的干扰。

3.6数字显示器

本模块的功能就是将稳压管的稳压电压和三极管β值以数字的形式显示出来，并且不需要手动控制，电路便能自动调节量程，测出所需要的值。

数字显示器的电路图如图3.6.1所示。

J6为选择开关，用来选择测量的对象。

拔到Ui2表示测量三极管β的值，拔到Ui2表示测量稳压管的稳压值。

电路的测量范围分三档200mV,2V,20V.其中，基本量程为200mV；测量速率为2.5次/S；输入阻抗为100K；显示数位为3（1/2）位。

其中R8,R9,R10与异或门等组成的电路用来驱动和控制小数点；R4,R24,R25组成的电阻衰减网络及开关实现量程的转换，Ri=R4+R24+R25=100K,各档衰减后的电压Vx与输入电压Vi的关系是为Vx=Vi（Rx/Ri）,公式Rx为开关的动端对地电阻；当对地电阻为R4时表示量程为200mV，当为R24时量程为2V，为R25时量程为20V.R2为限流电阻。

两只二极管和电容起过压保护作用。

设CC7106一次A/D转换所需的时钟脉冲总数N为4000，而一次转换所需的时间T=1/2.5次＝0.4s,则时钟脉冲频率fcp＝N/T≈10KHZ得主频率为fosc=4fcp=40kHZ,通过计算可得R7,C7的值。

若C7取100PF，则

R7=（0.45/C1）fosc≈112.5K取标准值120K

积分元件R5，C9及自动调零电容C10分别取值为56K,0.22uF,0.47uF.R6和R3组成基准电压的分压电路。

C11和R2为输入滤波电路。

电源电压取+9V，C8取0.1uF。

自动量程的转换就是根据被测电压的大小，自动选择合适的量程，以得到最佳的精度。

升量程信号的获取。

3（1/2）位数字电压表的最大显示值为1999，再增加一个字就产生溢出，只在千位上显示“1”，其余位全部消隐。

此溢出信号可作为升量程信号。

降量程信号的获取。

CC7106A/D转换器是以静态方式驱动LCD显示器，无BCD码输出端，因此不能直接获得降量程信号，但可以用其他信号来获取。

例如，当千位消隐，而百位为0时就需要降量程。

由于LCD显示器只有再笔段输出信号为高电平时，相应的笔段才发光，所以通过分析七段显示器的字型结构可以发现，当百位显示0时，一定满足条件b3=f3=1,且g3=0,千位为0时，bc4为0。

UR为升量程信号，UR=

，当UR＝1时，应升高量程。

降量程信号OR=

，当OR等于1时，应降低量程。

UR和OR信号由各段输出信号与BP端信号异或后，通过组合逻辑电路得到。

如图3.6.1所示，升量程信号UR和降量程信号OR分别送至双向移位寄存器74LS194的控制端So和S1，控制74LS194，以实现右移（升量程）或左移（降量程）。

移位寄存器的输出Qo～Q3经异或门译码后，得到量程控制信号A,B,C。

量程控制信号用来控制量程转换电路，以转换量程开关位置和显示器上小数点的位置。

OR

UR

图3.6.1数字显示器电路图

4.特殊器件的介绍

4.1三端式稳压器

本设计中需要的四个直流恒压源分别是用LM7815，LM7915,LM7809.LM7809设计的。

虽然四个稳压器的稳压值不同，但其原理结构都基本上是一样的。

图4.1.1为LM78XX的原理图，图4.1.2为LM78XX的外形图。

入

地

出

78XX

图4.1.1LM78XX型三端集成稳压器的原理图

图4.1.2LM78XX外形图

由图4.1.1可知，三端式稳压器由启动电路，基准电压电路，取样比较放大电路，调整电路和保护电路等部分组成。

启动电路由T1,T2,Dz1组成。

当输入电压高于稳压管DZ1的稳定电压时，有电流通过T1,T2，使T3基极电位上升而导通，同时恒流源T4,T5也工作。

T4的集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1相当的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。

与此同时，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致于影响基准电压源。

基准电压电路：

此电路由T4,DZ2,T3,R1,R2,R3,D1,D2组成，电路中的基准电压为：

Vref=（Vz2-3Vbe）R1/（R1+R2+R3）+2Vbe,式中Vz2d为Dz2的稳压电压，Vbe为T3,D1,D2发射结的正向电压值。

取样比较放大电路和调整电路：

这部分电路由T4～T11组成，其中T10,T11组成复合调整管；R12,R13组成取样电路；T7,T8和T6组成恒流源的差分式放大电路；T4,T5组成的电流源作为它的有源负载。

保护电路：

（1）减流式保护电路由T12,R11,R15,R14和Dz3,Dz4,组成。

（2）过热保护电路由Dz2,T3,T14和T13组成。

78XX系列输出为正电压，输出电流可达1A。

他们的输出电压为5V,6V,9V,12V,15V,18V和24V等7档。

和78XX系列对应的有79XX系列，它输出为负电压。

4.2双运放F082

图4.2.1F082的内部结构图图4.2.2F082的外形图

Ｆ０８２运放结合了结型场效应晶体管及高性能双极晶体管的优点，在同一芯片上制作的单片集成电路，具有高的转换速率、输入偏置低、失调电压温漂低等特点。

可用于传感放大器，高阻抗缓冲放大器。

特点：

低输入偏置电流：

３０ＰＡ，高输入阻抗１０１２Ω，转换速率较高：

１３ｖ／μｓ，输出短路保护。

VCC接+15V，VEE接-15V

4.3移位寄存器

移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。

既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左，右移的控制信号便可实现双向移位要求。

根据移位寄存器存取信息的方式不同分为：

串入串出，串入并出，并入串出，并入并出四种形式。

移位寄存器应用很广，可构成移位寄存器型计数器;顺序脉冲发生器；串行累加器。

集成移位寄存器74194由四个RS触发器及他们的输入控制电路组成。

图4.3.1是它的引脚图，有四个并行输入端A,B,C,D，还有两个控制输入端S1,S2。

他们的状态组合状态可以完成4种控制功能，其中左移和右移两项是指串行输入，数据是分别从左移SL和右移输入端SR送入寄存器。

CLR为异步清零输入端。

图4.3.2是74194的功能表。

其第一行表示寄存器异步清零；第二行表示当CLR＝1，CP＝1（或0）时，寄存器处于原来状态；第三行表示为并行输入同步预置数；第4，5行为串行输入左移；第6，7行为串行输入右移；第八行为保持状态。

图4.3.174LS194的引脚图

序号

清零RD

输入

输出

控制信号

串行输入

CP

并行输入

QDQCQBQA

S1SO

SLSR

DCBA

1

L

XX

XX

X

XXXX

LLLL

2

H

XX

XX

H（L）

XXXX

QDQCQBQA

3

H

HH

XX

前沿

DCBA

DCBA

4

H

HL

HX

前沿

XXXX

HQDQCQB

5

H

HL

LX

前沿

XXXX

LQDQCQB

6

H

LH

XH

前沿

XXXX

QCQBQAH

7

H

LH

XL

前沿

XXXX

QCQBQAL

8

H

LH

XX

X

XXXX

QDQCQBQA

图4.3.274LS194的功能

4.4A/D转换器CC7106

CC7106是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟与数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，所以只需外接少量元件就可以组成各种数字式测量仪表。

CC7106的引脚功能如图4.4。

图中，驱动电路由多个异或门构成，可直接驱动液晶显示器：

a1～g1,a2～g3,a3～g3分别为个位，十位和百位的笔段驱动端：

bc4接千位”1”字的b,c段；PM为负极性指示输出，接千位的“g”段，PM为负值时，显示负号；BP端输出50Hz方波信号，驱动液晶显示器的背面公共电极；VREF+,VREF-为基准电压端；CREF为基准电容端；COM为模拟信号公共端；INT为积分输出端，接积分电容；BUF为缓冲器输出端，接积分电阻；AZ为积分器和比较器的反向输入端，接自校零电容；TEST为数字逻辑地端，此外，还用来测试显示器的笔段，VDD，VEE为电压正，负极，单电源供电，通常接+9V。

IN+,IN-为模拟信号输入端，OSC1～OSC3为时钟振荡器的引出端，主振荡fosc由外接R1C1的值来决定，即：

fosc=0.45/R1C1

CC7106计数器的时钟脉冲fcp是主振频率fosc经÷4分频后得到的,即

Fcp=fosc/4=0.45/4R1C1

设CC7106一次A/D转换所需时钟脉冲的总数为N，则一次转换所需时间

T=N/fcp=4N/fosc

图4.4CC7106引脚功能图

4.5555计时器

图a图b

图4.5.1555内部结构图和引脚图

555定时器的组成如图4.5（a）所示，（b）为引脚图。

其工作原理如下：

比较器C1的反向输入端U6（接引脚6）称为阈值输入端，用TH来表示，比较器C2的同向输入端U2（接引脚2）称触发输入端，用TR标注。

C1和C2的参考电压（电压比较的基准）UR1和UR2由电源UCC经三个5kΩ的电阻分压给出。

当控制电压输入端UCO悬空时，UR1=2Ucc/3，UR2=Ucc/3；若UCO外接固定电压，则UR1=Uco,UR2=Uco/2。

RD为异步置0端（对应管脚4），只要在RD端加入低电平，无论U6、U2的输入电平如何，基本RS触发器就置0，电路输出UO为零。

平时RD处于高电平；管脚6称为高触发端，该引脚的电平与2Ucc/3作比较；管脚2称为低触发端，该引脚与Ucc/3作比较，所以在RD=1时，U6和U2有三种状态组合。

使555定时器电路的输出UO有低电平0、保持和高电平1三种状态。

定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管V1状态的控制。

555定时器功能表如表2-1所示。

当U6>2Ucc/3,U2>Ucc/3时，比较器C1输出为0，C2输出为1，基本RS触发器被置0，V1导通，UO输出为低电平。

当U6<2Ucc/3,U2

当U6<2Ucc/3,U2>Ucc/3时，C1和C2输出均为1，则基本RS触发器的状态保持不变，因而V1和UO输出状态也维持不变，定时器输出处于高阻状态。

RD

U1（TH）

U2（TL）

U0

V1

0

0

导通

1

1

截止

1

0

导通

1

不变

不变

图4.5.2555的功能表

5.系统调试

在使用本设计前，应先对系统的各个模块进行调试。

为了方便测试，我们可以使用mutilsim或者isis软件进行仿真。

1.先对恒压源电路进行调试，利用mutilsim或者isis软件上的示波器或者电压表便可以测出各恒流源电路的输出值是否符合设计所需的电压。

为了电路能稳定工作，最好是使三端稳压器输入的值比输出大2～3V左右。

2.测试恒流源电路，用电流表测试双运放设计出来的恒流源是否为10uA或5mA，若输入电流偏大或偏小，只有调试图3.2.1中的R5或者R6便可以得到需要的恒流电流。

3.系统报警电路的测试，如图3.4.1，要想报警系统能正常工作，只要使接在两比较器负端上的比较电压保持稳定就行了。

用电压表测出两比较器的电压是否分别为+5V，+220mV便知道报警系统是否正常工作。

发光二极管的两端应加上一个限流电阻，以