数字直流电压表方案.docx

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数字直流电压表方案

数字直流电压表课程设计报告

前言

随着电子技术的发展，电子行业经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。

何况在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。

数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流或交流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。

本次我们所做的课程设计就是基于数字电子技术和模拟电子技术的一个电子产品。

本人对自己的设计作品从各个角度分析了由A/D转换器组成的数字电压表的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了数模转换进而使系统运行起来的原理及方法。

通过自身实践提高了动手能力，也只有亲历亲为才能收获掌握到已经学过的知识。

其实也为建立节约成本的意识有些帮助，本人并没有采用单片机模块，而是直接采用A/D转换，在MC1433系列找块带显示译码并带A/D转换的片子并不难，相对于单片机有成本上的优势，但这里同时也牵涉几个问题：

精度、位数、速度、还有功耗等不足之处，这些都要慎重考虑。

这些也是在这次实践中收获的吧！

1.总体设计方案

1.1数字直流电压表方案

1.1.1运用单片机制作直流电压表方案

用ICL7135与AT89C52单片机构成电压表系统的硬件和软件设计方法。

优点：

CL7135的串行方式在实践中的应用效果很好。

与并行方式相比，其突出的优点是结构简单、程序简洁、占用单片机的资源少、可提高抗干扰能力，同时可提高仪器的检测可靠性，并且可在不添加任何扩展口线器件的情况下使系统的成本得到降低。

基本结构图：

图1结构图

定时器T0所用的CLK频率是系统晶振频率的1/12。

因此可利用单片机（AT89C52）的ALE信号作为ICL7135的脉冲（CLK）输入。

但要注意，若指令中不出现MOVX指令，ALE端产生的脉冲频率将是晶振的1/6。

至此，便可找到定时器所使用的频率与单片机系统晶振频率的关系，以及ICL7135所需的频率输入与单片机系统晶振频率的关系。

1.1.2运用数模转换数字直流电压表方案

本设计实际上是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示，主要由以下几部分构成：

量程转换电路、AC-DC转换电路、3位半A/D转换单元电路、基准电源单元电路、译码驱动单元以及数码管显示单元。

其中A/D转换器选用三位半MC14433，基准电源选用MC1403，译码驱动器则MC14511，另加四个共阴极LED发光数码管。

并利用Multisim和PROTEUS软件对其编译和仿真。

实验结构图：

图2实验结构图

位计数器由三级十进制计数器和一个D触发器构成，计数范围是0～1999。

锁存器用来存放A/D转换结果。

控制逻辑能适时发出信号接通相应的模拟开关，按照顺序完成A/D转换。

DS1～DS4是多路调制位选通信号。

当某一选通信号为高电平时，相应的位即被选通，此时该位数据便从Q0～Q3端输出。

EOC为脉宽仅T0/2的窄脉冲，且当EOC正脉冲过后按照DS1（最高位MSD，即千位）→DS2→DS3→DS4（最低位LSD）的顺序依次选通。

位选通信号的脉宽为18T0，相邻位选通信号之间有2T0的位间消隐时间。

做动态扫描时，扫描频率f1＝f0／80。

若取f0＝50kHz，则f1＝625Hz，测量速率MR＝f0/16400≈3次／秒。

整个A/D转换分6个阶段进行：

①模拟调零，占4000T0；②数字调零，小于800T0；③重复模拟调零占4000T0；④正向积分，T1＝4000T0；⑤重复数字调零，小于800T0；⑥反向积分，T2≤4000T0。

其中，阶段①与阶段③都是消除缓冲器和积分器的失调电压。

在阶段②用计数器将比较器的失调电压△UOS记下来，存入锁存器中；阶段⑤则是在反向积分之前先扣除△UOS的影响，使计数器复位。

本次设计选用方案为：

MC14433型3½位A／D转换器。

其具有以下特点：

（1）工作电压范围是

4.5V~8V。

典型值为

5V，功耗约8mW。

（2）A／D转换精度：

0.05％

1个字（½位十进制相当于11位二进制），转换速率为3~10次／秒。

（3）具有自动调零和自动转换极性之功能。

（4）有多路调制的BCD码输出，可以方便的与微机相连，或打印记录。

（5）能获得超量程（OR）和欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。

（6）具有读数保持功能。

（7）采用共阴极LED动态扫描显示方式，不仅降低了显示功耗，还使外部接线大为简化。

2.单元模块设计

2.1直流电压表电路模块设计

电路各部分的功能：

1.基准电源：

提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。

2.

位A/D转换器：

采用MC14433-----

位A/D转换器将输入的模拟信号转换成数字信号。

3.译码器：

将二-十进制（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，驱动发光数码管（LED）进行显示。

5.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

2.1.1基准电源MC1403

A/D转换需要外接标准电压源作参考电压。

标准电压源的精度应当高于A/D转换器的精度。

本实验采用MC1403集成精密稳压源作参考电压，MC1403的输出电压为2.5V，当输入电压在4.5～15V范围内变化时，输出电压的变化不超过3mV，一般只有0.6mV左右，输出最大电流为10mA。

图3基准电压源

MC1403是低压基准芯片。

一般用作8～12bit的D/A芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。

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：

温度系数小；

躁声小；

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；

输出电压值准确度较高，在2.475V～2.525V以内；

压差小，适用于低压电源；

负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。

MC1403采用8引线双列直插标准封装：

图4MC1403引脚图：

因为输出是固定的，所以电路很简单。

1、Vin接电源输入。

2、GND接底。

3、Vout加一个0.1uf~1uf的电容就可以了。

4、Vout一般用作8～12bit的D/A芯片的基准电压。

2.1.2A/D转换器MC14433

MC14433是美国摩托罗拉公司生产的A/D（模拟／数字）转换集成电路，广泛应用于其有自动量程LED显示，合数字万用表中。

1．功能特点MC14433集成电路内含BCD码产生电路，DS1--DS4的个、十、百、千位选通电路，A/D变换器电路，自动调零控制电路，基准电源电压电路，以及其他一些辅助功能电路。

2.引脚功能及数据MC14433集成电路采用24脚双列封装，其集成电路的引脚排列及功能如图所示，其集成电路的实测电阻值见表所列。

MC14433具有自动调零，自动极性转换等功能。

可测量正或负的电压值。

当CP1、CP0端接入470KΩ电阻时，时钟频率≈66KHz，每秒钟可进行4次A/D转换。

它的使用调试简便，能与微处理机或其它数字系统兼容，广泛用于数字面板表，数字万用表，数字温度计，数字量具及遥测、遥控系统。

图5A/D转换器MC14433

MC14433引脚表：

引脚功能说明：

VAG（1脚）：

被测电压VX和基准电压VR的参考地。

VR（2脚）：

外接基准电压（2V或200mV）输入端；当参考电压VR＝2V时，满量程显示1.999V；VR＝200mV时，满量程为199.9mV。

可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。

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（聚酯薄膜电容器），R1＝470KΩ（2V量程）；R1＝27KΩ（200mV量程）。

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）、CPo（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时，fo

60Hz，采样速率约为4次／s。

外接电阻变成165kΩ，此时fo

120kHz，采样速率提高到8次／s。

VEE（12脚）：

电路的电源最负端，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。

（15脚）：

过量程标志输出端，当｜VX｜＞VR时，

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。

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（MSB），DS4则对应最低位（LSB）。

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。

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”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻Rm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Rdp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。

MC14433的/OR端与MC4511的消隐端直接相连，当Vx超出量程范围时，/OR=0，输出低电平。

那么，/BI=0，也处于低电平，MC4511译码器输出全0，是发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。

A/D转换器性能指标：

（1）分辨率

A/D转换器的分辨率是指引起A/D转换器的输出数字量变动一个二进制数码的最低有效位（LSB）（例如从00H变到01H）时输入模拟量的最小变化量。

例如，A/D转换器输入模拟电压变化范围为0～10V，输出为10位码，则分辨率R为

比9.77mV小的模拟量变化不再引起输出数字量的变化。

所以，A/D转换器的分辨率反映了它对输入模拟量微小变化的分辨能力。

在满量程一定的条件下位数愈多，分辨率越高，当然价格也愈贵。

常用的A/D转换器有8、10、12位几种。

（2）精度

A/D转换器的精度决定于量化误差及系统内其他误差之和。

一般的精度指标为满量程的±0.02%，高精度指标为满量程的±0.001%。

（3）转换时间或转换速度率

从输入模拟量到转换完毕输出数字量所需要的时间称为转换时间，转换时间越短，速率越高，价格也越贵。

A/D转换器转换时间的典型值50μs，高速A/D转换器的转换时间为50ns。

2.1.3显示电路

从MC14433输出的BCD码经过MC14511译码后，连接到四个七段数码管，其中千位只连接b,c和g端，使其只显示1和负号。

图6仿真显示电路

当UIN＞2V时，OR端呈低电平、使段译码驱动器CD4511的消隐控制端＝0，强迫共阴极显示器全部消隐。

位选通信号经过MC1413分别接4只数码管的公共阴极，在DS1～DS4位选通信号的控制下进行动态扫描显示。

MC1413属于7路达林顿驱动器（现仅用其中5路），它有两个作用：

第一，将DS1～DS4反相成低电平有效，以便接LED数码管的公共阴极；第二，增加驱动能力，其β＝l500，ICM≥200mA，7路同时工作时每路仍可输出40mA电流。

利用MC1403向MC14433提供2V的基准电压，RP为精密多圈电位器。

实选R2＝470kΩ时f0≈50kHz。

R3～R9为笔段限流电阻。

RDP、RM分别为小数点、负极性笔段的限流电阻。

负极性显示的原理是，当DS＝1（正好扫到千位）且UIN＜0时，从Q2端输出负极性信号（低电平），加至MC1413的第5脚。

因MC1413属于集电极开路输出（OC门），故第12脚无输出，相当于开路。

＋5V电压就经过RM接千位LED的g段，由于此时千位已被选中并且该位公共阴极接低电平，故g段发光，显示负极性符号。

2.1.4读数保持电路

在EOC端与DU端串入100kΩ电阻。

当开关S断开时能正常进行A/D转换，显示值被不断地刷新；闭合S时DU＝0，A/D转换结果就长期保持下来，此时A/D处于锁存状态。

保持时间即开关闭合时间。

2.2系统整体硬件电路

2.2.1整体硬件电路

PROTEL是PORTEL公司推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。

它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。

1、运用PROTELL工具画出以下电路：

图7整体电路图

2、PCB图

图8PCB电路图

3、三维PCB图

图9三维PCB图

3.系统功能

3.1仿真软件介绍

Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。

Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。

此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。

这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。

Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。

3.1.1仿真电路图

仿真电路基本操作步骤：

（1）、打开PROTEUS操作界面添加所需电路元件到元件列表中：

单击“P”按钮，出现挑选元件对话框，

在出现的对话框Keywords中输入所用元件名称，在对话框中单击OK按钮，关闭对话框。

（2）放置元件。

在元件列表中左健选取元件，在编辑窗口中单击左健，这样元件就被放到原理图编辑窗口中了。

（3）在编辑区布线，修改元件参数。

点击想要连接的两个引脚，就能就能简单地实现布线。

在特殊的位置需要布线，用户只需在中间的角落点击。

自动布线也能在元件移动的时候操作，自动地解决相应的连线。

节点自动布置和移除。

节约时间的同时，避免其他方面可能引起的错误。

也可以手工布点，但是布点以后需要连线。

双击元件修改相关参数。

（4）进行电路仿真，完成原理图如图10所示。

运用PROTEUS软件仿真电路图：

图10仿真电路图

注：

MC1413或ULN2003都是集成了7个非门的器件，作用是输入‘1’的时候输出‘0’，使得共阴极的数码管被选中。

在做仿真时，可能是仿真软件版本的问题，仿真效果均不理想，所以用74ls04（4非门）来替代。

整个电路显示是采用动态扫描的方式实现的。

3.2调试现象及结论

由于电路中使用共阴极数码管,调节DIPSW-10,使其输出相应的值,经过非门在数码管上就可以看到管子动态显示相应的字符。

经过以上的系统调试,证明该电路图正确,就是我们设计所要的电路图。

3.3安装总调

1、直流电压表调试步骤。

（1）插好芯片MC14433，接图13接好全部线路。

（2）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。

（3）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。

（4）用标准数字电压表（或用数字万用表代）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。

（5）改变输入电压VX极性，使Vi＝－1.000V，检查“－”是否显示，并按（4）方法校准显示值。

（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。

至此一个测量范围在±1.999的三位半数字直流电压表调试成功。

2、记录输入电压为±1.999，±1.500，±1.000，±0.500，0.000时（标准数字电压表的读数）被调数字电压表的显示值，列表记录之。

3、如图连接好量程选择电路，用电压表测试经过衰减后的电压的比例关系是否为100：

10：

1，经过电压跟随器后，连接到MC14433的输入端。

拨动量程开关到20V，输入电压为2~20V时，观察输出电压的数值。

4、按图连接好AC-DC转换电路，设置一个交流/直流选择档，如果输入的是交流，则必须通过AC-DC转换电路，将交流电压的有效值转换为直流电压，这样才能通过MC14433进行A/D转换。

5、若积分电容C1、C02（0.1μF）换用普通金属化纸介电容时，观察测量精度的变化。

6、准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。

它表示测量结果与真值的一致程度，也反映了测量误差的大小，准确度愈高，测量误差愈小。

测量的绝对误差有两种表达式：

△U＝±（a%Ux＋b%UM）

（1）

△U＝±（a%Ux＋n）

（2）

式

（1）中，Ux为读数值（即显示值），UM表示满度值。

括号中前一项代表A/D转换器和功能转换器（例如分压器）的综合误差，后一项是数字化处理所带来的误差。

式

（2）中，n是量化误差反映在末位数字上的变化量。

若把n个字的误差折合成满量程的百分数，则变成式

（1）。

可见上述二式是完全等价的。

数字电压表的准确度远优于模拟式电压表。

例如，3½位、4½位DVM的准确度分别可达±0.1％、±0.02％。

4.设计总结

经过5个星期的课程设计，实践中碰到很多的困难，也给我们提了个醒必须要有扎实的基础才能更快的找到实验中碰到的运用模块，也意识到软件在实验中起到了很大的作用，所以计算机辅助设计是我们显示工作中有着举足轻重的位置这必须引起我们足够的重视。

我就碰到过有些芯片很难在网上找到，必须要动手画出来，其中就必须熟悉运用软件，要不然搞了半天还在磨蹭着，浪费时间这是不可取的。

本次的课程设计并不要求自己有太多的收获，但至少要求自己要亲历亲为的去做，不要怕丢脸不懂就要问，学习就要脸皮要厚就要有多厚才行，这是自己的一些心得吧！

随着实验进行的深入自己也潜移默化的受到一些影响，就是怎么把整体的看待开发产品中要从全局出发，不能只知其一却不知其二这是失败的。

自己的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种电子知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，有所收获就是这次的实验目的吧。

课程设计是培养了我综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力。

是对我实际工作能力的具体训练和考察.检测与转换技术已经在国民经济中占有极其重要的地位和作用。

因此作为大学生来说掌握检测与转换技术的知识是十分重要的。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固……通过这次课程设计之后，把以前所学过的知识也重新温故。

在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我通过查找大量资料以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，我学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

5.参考文献

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[2]沙占友编著.数字万用表的原理使用与维修，电子工业出版社，1988.11

[3]沙占友、李学芝编著.数字万用表电路图集,人民邮电出版社,1996.11

[4]王福瑞，单片微机测控系统设计大全。

北京:

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[5].张毅坤，陈善久等，单片微型计算机原理及应用。

西安电子科技大学出版社，1998。

[6]杨威,张金栋.《电力电子技术》.重庆大学出版社,2000年

[7]傅丰林.《模拟电子线路基础》.西安科技大学出版社,1999年

[8]冯民昌.《模拟集成电路系统》.中国铁道出版社,2003年

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