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
一、课程设计的目的.………………………………………………2
二、设计题目和要求.………………………………………..…..…2
三、总体方案….…………………………………………………....2
四、方案比较……….……………………………………………….4
五、基本原理.……………………………………………………….4
六、单元电路设计.......................................5
6.1器件介绍..................................................5
6.2AC/DC转换电路.............................................8
6.3电压、电流信号衰减电路.....................................9
6.4电阻测量电路..............................................10
6.5电容测量..................................................11
七、组装、调试内容.....................................13
八、所用元器件.........................................14
九、设计心得和体会.....................................14
十、总电路图............................................15
参考文献.............................................16
三位半数字万用表
一、课程设计的目的
课程设计的主要目的，是通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。
通过设计也有助于复习、巩固以往的学习模电、数电内容，达到灵活应用的目的。
在设计完成后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强学生的动手能力。
在此过程中培养从事设计工作的整体观念。
课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计任务同时注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面：
1、独立工作能力和创造力。
2、综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。
3、查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。
4、熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法。
5、工程绘图能力。
6、写技术报告和编制技术资料的能力。
二、设计题目和要求
题目：
设计31/2数字万用表
具体要求：
（一）根据题目，利用所学知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计
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。
（二）其中对将要实验方案31/2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。
（三）技术指标：
1、测量直流电压1999-0001V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-
0.001V；测量交流电压1999-199V。
2、交、直流电流；
3、电阻、电容；
4、三位半数字显示。
三、总体方案
方案一：
由MC14433A/D转换器构成的31/2位数字万用表
原理：
该系统中将待测直流电压Vx加到MC14433芯片的3脚，经MC14433完成A/D转换后，通过CD4511七段锁存/译码/驱动器送到LED显示，LED位选是由MC14433的DS4-DS1经MC1413反向后提供，MC1403为MC144433提供基准电压。
测交流时则需经AC-DC转换。
原理框图：
方案二：
由ICL7106构成的31/2为数字万用表
原理：
该系统采用ICL7106、四个共阴极LED数码管，ICL7106内部包括模拟电路（即双积分A/D转换器）、数字电路两大部分。
输入电压经量程转换进入ICL7106进行A/D转换，直接在数码器上显示。
ICL7106只有液晶笔段及背电极驱动，没有小数点驱动端。
为显示小数点，需另加外围电路。
原理框图：
方案三：
由ICL7136构成的31/2为数字万用表
其原理、原理框图与ICL7106大致相同。
有以下改进：
1、在模拟电路的输出端增加了过零检测器和极性触发器；2、在缓冲器和积分器之间增加了一个自动调零模拟开关SAZ。
四、方案比较
项目
MC14433
ICL7106
转换速率
3~10次/s
0.1~15次/s
输入阻抗
1000M
10000M
基准电压
200．0V（200mV量程）
100．0V（100mV量程）
2．000V（2V量程）
1．000V（1V量程）
封装形式
DIP-24
DIP-40
电源电压
双电源供电，电源电压范围是+4.5V~+8V。
一般取典型值+5V
单电源供电，电源电压范围是7~15V，典型值为9V
显示器
共阴极LED显示器
LCD显示器
显示方式
动态扫描方式，驱动线少
静态显示，驱动线多
显示特点
亮度高，亮暗对比度大，显示清晰，色彩绚丽，寿命长，功耗高
亮度低，亮暗对比度小，寿命短，微功耗
输出功能
具有BCD码输出，可配计算机进行数据处理，自动控制自动打印结果
无BCD码输出，不能配计算机或打印机
外围电路
需配基准电b源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂
外围电路简单，只需5个电阻和5个电容
由上表可知，
（1）MC14433与ICL7106比较前者具有转换速率高、输入阻抗低、电压范围大等优点，MC14433转换准确度比较高，相当于二进制11位的A/D转换器，还具有价格低廉、抗干扰性强之优点。
（2）3位半双积分式A/D转换器MC14433可以满足设计要求，适合实验室应用，其功能也较全面。
ICL7106采用大规模集成电路芯片，价格昂贵实验室不易提供且不符合设计中用小规模集成芯片的要求。
（3）同ICL7106相比ICL7136有以下特点：
微功耗、输入电流为1pA、低噪声、能消除超量程时的滞后效应、测量速度低。
但总体性能仍不如MC14433。
故进行实验时用MC14433器件来构成31/2位数字万用表。
五、基本原理
该系统可采用MC144333位半A/D转换器，MC1413七路达林顿驱动阵列，CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器，基准电压MC1403和共阴极LED发光数码管组成。
（1）各部分功能如下：
1、31/2A/D转换器：
将输入的模拟信号转换成数字信号
2、基准电源：
提供精密电压，供A/D转换器作参考电压
3、译码器：
将BCD码转换成七段信号
4、驱动器：
驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，推动发光数码管进行显示
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
（2）工作过程如下：
31/2数字万用表通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，其中MC14433用来实现A/D转换、计数和控制逻辑等主要功能。
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，就可以将转换结果一数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描。
DS1～DS4为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数位被选通，此时，该位数据在Q0～Q3端输出。
DS和EOC时序关系是在EOC脉冲结束之后，紧接着是DS1输出正脉冲，以下依次是DS2、DS3、DS4，其中DS1对应高位（MSD）DS4对应低位（LSD）。
对应位选通期间，Q0～Q3输出以BCD码形式数据，DS1选通期间Q0～Q3输出千位的半位数0或1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代表千位数的数字。
若其值为1，则代表千位数的数字显示为0；反之，若其值为0，千位数的数字显示为1。
Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即Vx>0，Q2的电平为0，表示极性为负，即Vx<0。
显示数的负号（负电压）由MC1413中的一只晶体管控制，符号位“一”段的阴极与千位数的阴极接在一起，当输入信号Vx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“一”段（即g段）点亮；当输入信号Vx为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使反相器导通，电阻接地，使“一”旁路而熄灭。
小数点显示是由正电源通过限流电阻供电燃亮小数点。
若量程不通则选通对应的小数点。
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。
六、单元电路设计
6.1器件介绍
（一）MC14433芯片引脚及其功能.
（1）MC14433的内部框图如图所示，主要包括模拟电路（A/D转换器）、数字电路两大部分。
（2）MC14433采用24脚双列直插式封装（DIP——40）管脚排列如下图所示:
MC14433引脚排列图
各引脚功能如下:
UDD——正电源端，一般接+5V。
UAG——输入信号的公共端，简称模拟地。
USS——输入信号Q0-Q3、DS1-DS4,ORˉ、ECO（不包括CLO）的公共地；此端接UAG时输出电压变化范围是UAG-UDD，接UEE端时是UEE-UDD。
UEE——负电源端，通常接-5V；UEE主要作为内部模拟电路的负电源，其负载电流约为0.8mA。
UI——模拟电压输入端，输入电压为UIN。
UREF——外接基准电压端。
R1、R1/C1、C1——外接积分元件端。
C01、C02——外接自动调零电容。
DU——实时输出控制端，亦称数据更新端。
若在双积分第5阶段开始之前从DU端输入一个正脉冲，则本次A/D转换结果就依次通过锁存器和多路选择开关输出。
否则，输出端仍保持锁存中原有数据不变。
使用中若将DU端与EOC端相连，则每次A/D的转换结果都被输出；将DU端接USS时即可实现读数保持。
CLK1、CLK2——分别为时钟脉冲输入、输出端，二者之间接上振荡电阻RC即可产生时钟信号。
EOC——A/D转换结束标志输出端，每个A/D转换周期结束时此端输出一个正脉冲。
ORˉ——量程信号输出端，超量程时ORˉ=0（负逻辑）。
DS1-DS4——多路调制位选通信号输出端，其中DS1为千位，DS4为个位。
Q0-Q3——BCD码输出端。
（二）CD4511引脚图及其功能
CD4511引脚排列图
其功能介绍如下：
1）VDD,VSS为正负电源端,电源电压范围为3~18V通常取5V
2）A,B,C,D:
BCD码输入端，A为最低位。
3）a、b、c、d、e、f、g:
七段译码输出（高电平有效）可驱动共阴极LED数码管。
4）LT为灯测试端，只要LT=0无论其它输入端状态如何LED显示为8，各笔段都被点亮，由此检测数码管是否故障，正常工作时应为高电平。
5）BI为消隐功能端只要BI=0且LT=1，LED灭灯达到消隐目的，正常工作应置BI端为高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点，输入数据超过十进制数9（1001）时显示字形也自行消隐。
6）LE锁存信号：
当LE=1且BI=LT=1时，则锁存输出信号LED保持前一时刻.
（三）MC1403的引脚及其功能
ＶIN18
VOUT277
GND36
N.C.45
MC1403引脚图
MC1403的输出电压温度系数为0，即输入电压与温度无关。
该电路的特点：
（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ΔV0<3mV；（4）输出电压准确度较高，V0值在2.475-2.525V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。
（四）MC1413反相驱动器（实验中用5个三极管搭建）
MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此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OC门）。
MC1413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抑制二极管。
6.2AC/DC转换电路
交流电压测量电路如图所示：
左边IC1为精密半波整流电路，右边IC2为平均值-有效值变换电路。
IC1输入端电压是经过衰减器和电压跟随器后得到的电压，此交流电压被限制在2V以下，经过半波整流后，变换成平均值，再经过IC2修正使之成为电压的有效值。
半波整流后的平均值与有效值之间的关系如图所示，图中的Vm为输入端电压的峰值。
V=1/ЛVm，V¯=1/√2Vm。
IC2是平均值-有效值变换电路，其作用是将经IC1半波整流后得到的输出电压加以平滑和放大，即将V放大到有效值V，放大倍数Au=V/V¯=2.22。
IC2为反相放大器。
验证电路：
如输入电压有效值V~=2V,Vm=√2X2V=2.828V。
IC1输出半波整流电压，其平均值V¯=1/√2Vm≈0.9V。
IC2输出直流电压：
V=AuV¯≈2V。
所以上面的电路设计达到交流电压测量的目的。
6.3电压、电流信号衰减电路
（1）电压衰减电路
四个电阻串联值为10MΩ，若隔直电容104通过交流电压使输出V0达到2V，则开关4接入的Vi=V0/10kΩX10MΩ=2000V,同理，其它档位1、2、3、4分别为2V、20V、200V、2000V。
（2）电流衰减电路
四个电阻串联值为1000Ω，若选1档，且使输出不超过2V，则IiX1000Ω=V0≤2V,所以Ii≤2mA。
同理可计算出其它档的满量程电流。
档位1、2、3、4分别为2mA、20mA、200mA、2A。
图1-电压衰减电路图2-电流衰减电路
6.4电阻测量电路
如图3所示
即
选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量挡。
对200Ω挡，取R01=100Ω，小数点定在十位上。
当Rx=100Ω时，表头就会显示出100.0（Ω）。
当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.1Ω测到199.9Ω。
又如对2kΩ挡，取R02=1kΩ，小数点定在千位上。
当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.001kΩ测到1.999kΩ。
由上分析可知，
R1＝R01=100Ω
R2＝R02－R01＝1000－100＝900Ω
R3＝R03－R02＝10k－1k＝9k
……
6.5电容测量
IC7是555方波产生器，低电平时触发IC8单稳态触发器。
电容测量仪输出电压V0与MC14433第3脚相连，通过A/D转换，可以从LED显示器上读出电容值。
下面分析IC7的工作情况。
C1放电时：
tpL=R2C1ln2≈33μS
C2充电时：
tpH=（R1+R2）C1ln2≈3.3ms
占空比K=tpH/（tpH+tpL）=（R1+R2）/（R1+2R2）≈0.99
频率f=1/（tpH+tpL）≈300HZ。
IC8是555单稳态触发器，其输出脉宽tpo由被测电容Cx及电阻目的。
当×1挡R4=1ΜΩ时，被测电容Cx最大可达2000pF。
因此，
tpo≈RCln3≈1.1R4Cx=2.2ms
同理，×0.1、×10、×100、×1000挡都为2.2ms，单稳输出，脉冲宽度最大且固定不变，而且小于IC7输出脉宽3.3ms。
当×1挡被测Cx=2000pF时，tpo=0.22ms>tpL=0.033ms，IC8仍能集电极开路工作。
其波形如图所示
电容测量部分波形图
下面来计算IC8第3脚输出电压V3的平均值。
当×1挡，Cx=2000pF时，其输出电压最大。
V平均=tpo/（tpH+tpL）×V3m≈0.66×V3m，其中V3m是IC8第3脚输出电压V3幅值。
设数字表输出最大电压Vx=2V，其方波幅度
V3m=V平均/0.66=V0/0.66《=Vx/0.66=2V/0.66≈3V，其中，V3m=V0《=Vx=2V。
保持这一档量程不变，下面来验证一下显示的指示值正确与否。
例：
当×1挡，Cx=200pF时，V平均3=0.2V。
此时每个字母代表1pF。
×1挡最小可测到tpo=0.33ms=11000000Cx。
由上述计算可知，Vx=2V时，IC8的第3脚方波幅度应为3V，当555定时器供电为5V时，其3脚电压幅度近似为4V，为此必须加衰减器将电压由4V降至3V。
七、组装、调试内容
总电路组装与调试：
（1）接通正负电源电压，+5V、-5V；调节电位器，使基准电压为2V。
（2）将4只数码管插入板上，插好芯片CD4511、MC14433，用5个三极管搭成MC1413，按电路全图接好全部线路。
（3）接通电源，检查译码显示是否正常。
（4）将输入端接地，接通+5V，－5V电源（先接好地线），此时显示器将显示“000”值，如果不是，应检测电源正负电压。
用示波器测量、观察DS1～DS4，Q0～Q3波形，判别故障所在。
（5）用电阻、电位器构成一个简单的输入电压VX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。
（6）用数字万用表代测量输入电压，调节电位器，使VX＝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。
（7）改变输入电压VX极性，使Vi＝－1.000V，检查“－”是否显示，并校准显示值。
（8）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。
至此调试成功。
八、所用元器件
主要芯片
组件名称
型号
个数
A/D转换器
MC14433
1
BCD七段锁存/译码/驱动器
CD4511
1
达林顿反向驱动器
MC1413
1
能隙基准电源
MC1403
1
七段共阴极LED数码管
--
4
二极管
IN4001
4
运算放大器
LM324
2
单刀四掷开关
--
5
可变电位器
--
4
电阻
阻值（Ω）
1
9
90
100
200
900
1K
10M
2K
3.3K
9K
个数
1
1
1
10
1
2
8
1
1
1
2
阻值（Ω）
6.2K
10K
20K
39K
90K
100K
470K
900K
1M
9M
10M
个数
1
5
2
1
2
2
1
2
3
1
1
电容
容值
0.01uF
470uF
100nF
10μF
个数
3
1
3
2
九、设计心得和体会
这次实习是到大学来后的第一次真正的动手锻炼，虽说以前做过一些实验，但对其主要思想还是不太懂，主要是根据电路图直接搭接。
这次和以前就大不一样。
第一节课是老师说做万用表，当时脑子里是一点想法都没有，大概该怎么弄呢？
也没有思路，唯一知道的就是下来了查资料吧，下课后先去的图书馆，但不让借书就在里面找书看了看，大概有了些了解，后来去网吧查资料但却查不到，主要是不知道从哪个网站查，怎么查，看来这做设计的第一步查资料也要有经验啊！
只有差得多了才能查得快找得多而全。
找到资料后来是了解原理图，好多都与以前学的电路、模电、数电有关联，也发现了自己的好多不足，对以前的知识掌握的不是太充足，通过这次实习我知道了自己现在开的课是多么有用，以后一定要好好掌握。
当然也在后来搭接电路时也出现了很大问题，以至最后没能完美结束，主要原因是没有按实验步骤来，没有把电路板和接线测试好就开始搭接电路，最后因元件问题没能做好，通过这次搭接我懂得无论做任何事情一定要先把准备工作做好，正是要车马未动粮草先行啊！
通过这次实习我受益颇多，以后要抓住每次机会多多锻炼自己。
问题：
Q1和Q2的关系？
Q4Q3Q2Q1
0001
0010
0011
这是一个二进制码，当Q1为2时进一位给Q2.
十、总电路图
十一、实验测得波形图
DS断和Q端的波形分别如下图所示：
图一
图二
参考文献
1、康华光、《电子技术基础》模拟部分第五版高等教育出版社
2、阎石《电子技术基础》数字部分第五版高等教育出版社
3、沙占友《新型数字电压表原理与应用》第一版机械工业出版社
4、高吉祥、易凡《电子技术基础实验与课程设计》第二版电子工业出版社
5、沙占友《新型数字多用表实用大全》电子工业出版社
6、杨刚、周群《电子系统设计与实验》电子工业出版社
7、林德杰《电气测试技术》第三版机械工业出版社
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