簡易數(shù)字電壓表課程設(shè)計

1、<p>　　《數(shù)字邏輯》課程設(shè)計報告</p><p>　　題 目 簡易數(shù)字電壓表 </p><p>　　學院（部） 信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 計算機科學與技術(shù) </p><p>　　班 級 </

2、p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　6 月 18日至 6 月 21 日 共 1 周</p><p>　　指導教師（簽字） </p><p><

3、b>　　前言</b></p><p>　　關(guān)于數(shù)字式簡易電壓測試儀的設(shè)計，我們提出了三種設(shè)計方法和思路，分別是ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換電路、LM331V/F轉(zhuǎn)換電路、555定時器的V/F轉(zhuǎn)換電路。在具體操作中，經(jīng)過對資料的收集、分析，研究與對比，最終選擇了簡單易懂，而且精度較高的方法，即LM331壓頻轉(zhuǎn)換法。</p><p>　　本方法的基本理論是LM331的輸入電壓幅

4、值與輸出脈沖的頻率成正比，再通過一系列的控制，計數(shù)，鎖存，顯示電路實現(xiàn)了對電壓的一般測試與數(shù)字顯示。</p><p>　　每學期的課程設(shè)計是綜合檢驗我們所學知識的時候，在這期間我們需要將自己所學的知識進行綜合，然后運用到我們所要完成的任務(wù)中。此次課程設(shè)計我們完成的任務(wù)是制作簡易數(shù)字電壓表，我們在拿到這個題目時是沒有一點思路的，在仔細研究和向老師請教后終于有了一點頭緒，在小組兩外兩個成員楊羽豐和侯理想的共同努力下，

5、我們初步實現(xiàn)了數(shù)字電壓表的制作的方案制作，但是由于仿真軟件中缺少我們所需元件的原因，我們的方案沒能進行模擬仿真，這是此次課程設(shè)計的遺憾之處。我們現(xiàn)在正在試圖用另外的仿真軟件進行此方案的仿真。</p><p>　　在本次課程設(shè)計過程中得到了各方面的支持和幫助，在此特別向數(shù)子電子技術(shù)老師表示由衷的感謝。由于設(shè)計時間和水平的限制，如有不足之處，敬請指正！</p><p><b>　　目

6、錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p><b>　　報告正文3</b></p><p>　　第一章：系統(tǒng)概述4</p><p>　　1.1 設(shè)計目的4</p><p>　　1.2 數(shù)字電壓表簡介4</p>&

7、lt;p><b>　　1.3方案分析4</b></p><p>　　1.4 V/F轉(zhuǎn)換電路方案比較與論證4</p><p>　　1.4.1 采用ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換電路4</p><p>　　1.4.2 采用LM331V/F轉(zhuǎn)換電路5</p><p>　　1.4.3 采用555定時器的V/F轉(zhuǎn)換電路

8、6</p><p>　　1.4.4 可行性分析6</p><p>　　第二章：單元電路設(shè)計7</p><p>　　2.1 分壓電路、輸入保護及緩沖電路7</p><p>　　2.2 交、直流轉(zhuǎn)換電路7</p><p>　　2.3 壓頻轉(zhuǎn)換電路8</p><p>　　2.4 脈

9、沖產(chǎn)生電路9</p><p>　　2.5 計數(shù)、譯碼、顯示電路10</p><p>　　第三章：系統(tǒng)綜述10</p><p>　　第四章：結(jié)束語11</p><p>　　4.1 個人總結(jié)11</p><p>　　4.2 存在的問題11</p><p><b>　　第五

10、章：附錄13</b></p><p>　　5.1 參考文獻13</p><p>　　5.2 鳴謝13</p><p>　　5.3 元器件明細表，附圖13</p><p><b>　　簡易數(shù)字電壓表</b></p><p><b>　　摘要</b><

11、;/p><p>　　本文介紹了一種簡易的數(shù)字式顯示電壓測試儀的設(shè)計思路及硬件結(jié)構(gòu)。該測量儀的基本工作原理是：把電壓量通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器轉(zhuǎn)化成時間脈沖量，然后在這個時間脈沖內(nèi)進行計數(shù)，再鎖存計數(shù)值，最終通過數(shù)碼顯示譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管進行顯示?？捎?55集成定時器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生計數(shù)脈沖和對單穩(wěn)態(tài)進行觸發(fā)，555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路來控制計數(shù)器清零與鎖存器鎖存，四片74LS160構(gòu)成計數(shù)電路，四片74LS373N構(gòu)成鎖存

12、電路，四片DCD_HEX數(shù)碼管構(gòu)成四位譯碼顯示電路，通過計算與分析把各電路連接起來，最終實現(xiàn)對電壓（0V—9.99V）的簡易測量與數(shù)字顯示。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞 </b></p><p>　　數(shù)字電壓表、壓頻轉(zhuǎn)換、LM331、多諧振蕩、單穩(wěn)態(tài)、緩沖級、交直流轉(zhuǎn)換、計數(shù)器。</p><p><b>　　技術(shù)要求<

13、/b></p><p>　　1、 利用壓-頻轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)對一個正電壓的測量，測量值用數(shù)碼管直接顯示。</p><p>　　2、 被測電壓為正值，測量電壓范圍為0～9.99V。</p><p>　　3、 對輸入的0～9.99V正電壓用三位數(shù)碼管顯示0.00～9.99。</p><p>　　4、 數(shù)碼管每4秒刷新一次，讀數(shù)停頓3秒。<

14、/p><p><b>　　一、系統(tǒng)概述</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計目的</b></p><p>　?。?）掌握簡易數(shù)字式電容測試儀的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法；</p><p>　?。?）熟悉相應(yīng)的中大規(guī)模集成電路的使用方法，并掌握其工作原理；</p><p>　

15、?。?）學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、設(shè)計步驟；</p><p>　　（4）進一步熟悉和掌握常用數(shù)字電路元器件的應(yīng)用；</p><p>　?。?）學習數(shù)字電路仿真、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法、技巧；</p><p>　　（6）培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。</p><p>　　1.

16、2數(shù)字電壓表簡介</p><p>　　數(shù)字電壓表簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)設(shè)計的電壓表。數(shù)字電壓表自1952年問世以來，已有50多年的發(fā)展史，大致經(jīng)歷了五代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是20世紀50年代問世的電子管數(shù)字電壓表，第二代產(chǎn)品屬于20世紀60年代出現(xiàn)的晶體管數(shù)字電壓表，第三代產(chǎn)品為20世紀70年代研制的中、小規(guī)模集成電路的DVM。近年來，國內(nèi)外相繼推出由大規(guī)模集成電路（LSI）或超大規(guī)模集成電路（VLSI）

17、構(gòu)成的數(shù)字電壓表、智能數(shù)字電壓表，分別屬于第四代、第五代產(chǎn)品。它們不僅開創(chuàng)了電子測量的先河，更以其高準確度、高可靠性、高分辨力、高性價比等優(yōu)良特性而受到人們的青睞。</p><p><b>　　1.3 方案分析</b></p><p>　　此設(shè)計主要利用壓頻轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對電壓的測量。輸入信號的電壓幅值經(jīng)過555定時器構(gòu)成的壓頻轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)于輸出信號的頻率，即輸入幅值與輸

18、出頻率存在線性對應(yīng)關(guān)系V=f（U），對輸出信號在1秒內(nèi)的電平進行計數(shù)，通過譯碼鎖存再輸出，就能顯示電壓的幅值。</p><p>　　1.4 V/F轉(zhuǎn)換電路方案比較與論證</p><p>　　設(shè)計數(shù)字電壓表有多種的設(shè)計方法，方案是多種多樣的，由于大規(guī)模集成電路數(shù)字芯片的高速發(fā)展，各種數(shù)字芯片品種多樣，導致對模擬數(shù)據(jù)的采集部分的不一致性，進而又使對數(shù)據(jù)的處理及顯示的方式的多樣性。又由于在現(xiàn)實

19、的工作生活中，電壓表的測量測程范圍是比較大的，所以必須要對輸入電壓作分壓處理，而各個數(shù)據(jù)處理芯片的處理電壓范圍不同，則各種方案的分段也不同。下面介紹三種數(shù)字電壓表的設(shè)計方案。</p><p>　　1.4.1 采用ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　ADC0809是AD公司采用CMOS工藝生產(chǎn)的一種8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。用ADC0809和AT89S52用程序查詢方式來

20、采集被測的輸入模擬信號。采集數(shù)據(jù)時首先單片機執(zhí)行一傳送指令，在該指令執(zhí)行過程中單片機在控制總線中產(chǎn)生寫些信號，其低電平品信號啟動A/D轉(zhuǎn)換工作，ADC0809經(jīng)100us后將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存于輸出鎖存器，EOC新好景反相器產(chǎn)生中斷請求信號,通知單片機取數(shù)。當單片機響應(yīng)中斷請求轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)采集子程序后，立即執(zhí)行輸入指令，指令產(chǎn)生讀信號給ADC0809，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器中。整個數(shù)據(jù)采集過程中，由單片機有序地執(zhí)行若干指令完成。A

21、DC0809內(nèi)部邏輯圖如圖 1-4-1所示。</p><p>　　圖 1-4-1 ADC0809內(nèi)部邏輯圖</p><p>　　圖中多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)

22、據(jù)總線相連。</p><p>　　1.4.2 采用LM331V/F轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　V/F 轉(zhuǎn)換方式是把電壓模擬量轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號，由單片機對脈沖頻率信號進行計數(shù)來實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換功能的。</p><p>　　LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比比較高的集成芯片。只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。LM331的內(nèi)

23、部電路組成及其與外部器件構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換電路如圖1-4-2 所示。</p><p>　　圖 1-4-2 LM331內(nèi)部結(jié)構(gòu)及V/F轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　1.4.3 采用555定時器的V/F轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　圖1-4-3是由555芯片組成的輸出脈沖為0-10KHz的V/F轉(zhuǎn)換電路原理。</p><p>　　圖 1-4-3

24、555定時器的V/F轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　它是一種高精度電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換電路，線性精度優(yōu)于0.02%，輸入電壓為0-10V，輸出頻率為0-10KHz。前級運放741構(gòu)成電荷積分器，555芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。</p><p>　　1.4.4 可行性分析</p><p>　　以上三種方案對轉(zhuǎn)換10V內(nèi)的電壓信號都是可以實現(xiàn)的，但方案一電路中ADC 0809

25、管腳較多，另外還需接鎖存器電路，所需的元器件較多，成本較大；方案三的555定時器在設(shè)計過程中電路連接雖然簡單，但是其線性度不高，存在較大的誤差；而LM331是一個簡單的、廉價的電壓/頻率變換電路，非常適合用作模/數(shù)轉(zhuǎn)換，有極高的轉(zhuǎn)換精度，且十分適用于低電壓，低功耗的數(shù)字電路，十分適合用作光電隔離，有良好的共模抑制能力；并且V/F型A/D轉(zhuǎn)換器多采用電壓反饋形式，它除有較好的抗干擾能力外，還引入電位差計的方法，提高了準確度和輸入阻抗，因而

26、常被采用。綜合考慮，我們采用方案二，用LM331進行壓頻轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　單元電路設(shè)計</b></p><p>　　2.1 分壓電路、輸入保護及緩沖電路</p><p>　　該電路采用SW開關(guān)進行量程選擇，開關(guān)在上是2V檔，同時第四位數(shù)碼管后的小數(shù)點亮，開關(guān)在下是20V檔，同時第三位數(shù)碼管后小數(shù)點亮。為滿足要求，用電阻進行分壓

27、。用兩個反并聯(lián)的二極管作為輸入保護，防止輸入電壓過大燒毀后續(xù)電路。為使電壓表獲得較高的輸入阻抗，以提高測量準確度，采用了輸入阻抗較高的集成運放TLC2252。將運放接成電壓跟隨器以獲取并輸出被測電壓，起到緩沖作用。如圖2-1-1.</p><p>　　圖2-2-1 分壓、保護及緩沖電路</p><p>　　2.2 交、直流轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　如圖2-2-1

28、.該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對小信號進行絕對值運算。電路中選擇,，。</p><p>　　當輸入電壓>0時，二極管D2導通， D1截止，第一個運放的輸出電壓。故。</p><p>　　當<0時，二極管D2截止，D1導通，=0，故。</p><p>　　由上述可知輸出形成全波整流。對于交流信號，全波整流后需要進行濾波以減小紋波電壓，故在兩端并聯(lián)電容。開關(guān)SW在上是交流

29、檔，在下是直流檔。 經(jīng)過理論計算并運行調(diào)試選取電阻=1uF，, 。</p><p>　　圖2-2-1 交直流轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　2.3 壓頻轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　圖2-3-1是LM331組成的V/F變換器。圖中和組成輸入濾波環(huán)節(jié)。電路左下角為調(diào)零電位器，右下角為轉(zhuǎn)換增益調(diào)節(jié)，取為，在上產(chǎn)生串聯(lián)產(chǎn)生一個附加的滯后效應(yīng)，改善線性度。該電路有如下壓頻

30、轉(zhuǎn)換公式：</p><p>　　取，使7腳的偏流能抵消6腳的偏流影響，以減小頻率失調(diào)。取0.01uF~0.1uF，這里取0.1uF，但決不能使<<，以防止微小的變化會導致的瞬時停頓。下圖當輸入電壓0~10V時，輸出頻率為0~10kHz，非線性誤差為0.03%。</p><p>　　圖2-3-1 壓頻轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　2.4 脈沖產(chǎn)生電路<

31、;/p><p>　　該電路由555定時器連接成多諧振蕩和單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生計數(shù)脈沖。如圖2-4-1所</p><p>　　圖 2-4-1 多諧振蕩與單穩(wěn)態(tài)電路</p><p>　　2.5 計數(shù)、譯碼、顯示電路</p><p>　　將由壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖信號同步輸入到計數(shù)器的CLK端進行計數(shù)。由圖2-4-1的邏輯控制電路可知，在開始計數(shù)的1s內(nèi)，EN

32、P端和ENT端被置為1，計數(shù)器計數(shù)1s。譯碼器的LE端是鎖存控制端，是為了在計數(shù)過程中防止跳數(shù)。計數(shù)時，LE被置為0，1s后計數(shù)完畢被置為1，計數(shù)被鎖存。計數(shù)器的MR端與清零開關(guān)連接，清零后可以進行下一次測量。三輸入或門與發(fā)光二極管組成判斷是否溢出的邏輯電路。當計數(shù)達到1000時，數(shù)碼管全部熄滅，表示超出所選量程的測量范圍。</p><p>　　圖2-5-1 計數(shù)譯碼顯示電路</p><p&g

33、t;<b>　　系統(tǒng)綜述</b></p><p>　　該方案的原理圖如圖3-1-1所示。該系統(tǒng)首先對輸入的信號進行緩沖輸入，以保護后續(xù)電路正常工作，同時又對輸入信號進行交直流轉(zhuǎn)化，保證輸入的信號都以直流的形式輸入到壓頻轉(zhuǎn)換電路。在壓頻轉(zhuǎn)換電路部分，采用LM331將輸入信號的幅值轉(zhuǎn)化為輸出信號的頻率，從而得到相信頻率的脈沖，最后由計數(shù)器對1秒鐘內(nèi)得到的脈沖數(shù)量進行計數(shù)，再譯碼顯示輸出。<

34、/p><p>　　圖3-1-1 數(shù)字電壓表原理圖</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p><b>　　4.1 個人總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過四天的奮戰(zhàn)，我們的課程設(shè)計結(jié)束了，我們的任務(wù)也基本上算是完成了，在此期間我們遇到過很多的問題，比如最開始時我們甚至都不知道從哪里著

35、手，在老師的講解下我們才明白的題目的真正含義，在中期，我們又遇到了如何正確選擇壓頻轉(zhuǎn)換器的問題，一直在555定時器和LM331之間猶豫不決，在我們小組成員的共同努力下，最終選擇了性能較好的LM331作為壓頻轉(zhuǎn)化的主元件。</p><p>　　本次課程設(shè)計是理論與實踐相結(jié)合的一次體驗，在課程設(shè)計的過程中，我們充分的體會到了思考特別是獨立思考和不斷創(chuàng)新的重要性。</p><p>　　本次課程設(shè)

36、計對數(shù)字電子技術(shù)有了更進一步的熟悉，實際操作和課本上的知識有很大聯(lián)系，但又高于課本，一個看似很簡單的電路，要動手把它設(shè)計出來就比較困難了，因為是設(shè)計要求我們在以后的學習中注意這一點，要把課本上所學到的知識和實際聯(lián)系起來，同時通過本次電路的設(shè)計，不但鞏固了所學知識，也使我們把理論與實踐從真正意義上結(jié)合起來，增強了學習的興趣，考驗了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)文獻資料，和組織材料的綜合能力。</p><p>　　本

37、次課程設(shè)計我也學到了很多的東西。（1）、通過本次的課程設(shè)計使我們初步懂得了中大規(guī)模集成電的設(shè)計思路，以及實現(xiàn)方法。學會了基本的設(shè)計思路與設(shè)計方法：總體框圖設(shè)計法、單元功能模塊設(shè)計法；通過對于簡易數(shù)字式電壓測試儀的設(shè)計，把數(shù)電與模電的知識進一步的深化與結(jié)合，對于數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換的思想也有了更深的學習。（2）通過這次課程設(shè)計使我更加堅信了一個團隊的力量，在這次課程設(shè)計當中我們相互分工但又緊密合作，才是任務(wù)順利完成?？梢哉f每個人都是功不可沒

38、，在遇到問題自己解決不了時，就進行查資料相互討論從而解決問題。</p><p>　　4.2 存在的問題</p><p>　　本次課程設(shè)計雖然已經(jīng)完成，但是我們深深的了解到自己所完成的方案還存在很多的問題。（1）此設(shè)計方案由于仿真軟件元件的限制，雖然我們對部分單元電路進行了仿真，但是我們沒能在multisim上進行整體方案的連接與仿真，我們還正在試圖用其他的電子仿真軟件對自己設(shè)計方案進行模

39、擬仿真。（2）由于知識不足和自己實力欠缺的原因，題目里面的刷新要求我們沒能滿足，不能在每隔3秒進行一次讀書刷新。（3）小組間的合作還不夠默契，在課程設(shè)計階段，我們雖然都有明確的分工，但是還是需要大家在一起不斷的談?wù)摵徒粨Q自己的看法，我們在相互交流方面做的還很欠缺。</p><p>　　在以后的工作學習中我們一定會克服以上的不足，不斷的完善自己。</p><p><b>　　參考文

40、獻</b></p><p>　　[1] 林濤、楚巖、田莉娟、林薇《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》.清華大學出版社，2006年</p><p>　　[2] 高玉良《電路與模擬電子技術(shù)》.高等教育出版社，2004</p><p>　　[3] 閻石《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》.高等教育出版社，2006年</p><p><b>　　鳴謝</

41、b></p><p>　　數(shù)電課程設(shè)計指導老師：鄧秋霞 老師</p><p>　　數(shù)字電子技術(shù)課程老師：鄧秋霞 老師 </p><p><b>　　元器件明細表，附圖</b></p><p><b>　　LM331</b></p><p>　　LM331 是美

42、國NS 公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。LM331 采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低4.0V 電源電壓下都有極高的精度。LM331 的動態(tài)范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.001%，工作頻率低到0.1Hz 時尚有較好的線性；變換精度高。數(shù)字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)

43、成V/F 或F/V 等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。</p><p>　　圖 附-1 LM331內(nèi)部電路</p><p>　　圖 附-2 LM331管腳圖及管腳功能圖</p><p>　　2. 555定時器內(nèi)部原理圖</p><p>　　555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CM