數(shù)字電壓表的課程設計

1、<p><b>　　數(shù)字電壓表設計報告</b></p><p><b>　　設計目的作用</b></p><p>　　數(shù)字電壓表的基本原理，是對直流電壓進行模數(shù)轉換，其結果用數(shù)字直接顯示出來，按其基本工作原理可分為積分式和比較式兩大類。熟悉集成電路MC14433，MC1413，CD4511和MC1403的使用方法，并掌握其工作原理。&l

2、t;/p><p><b>　　二、設計要求</b></p><p>　?。?).設計數(shù)字電壓表電路</p><p>　?。?).測量范圍：直流電壓0V-1.999V,0V-19.99V,0V-199.9V,0V-1999V;</p><p>　?。?).畫出數(shù)字電壓表電路原理圖，寫出總結報告。</p><

3、p><b>　　三、設計的具體實現(xiàn)</b></p><p><b>　　（一）、系統(tǒng)概述</b></p><p>　　數(shù)字電壓表是將被測模擬量轉換為數(shù)字量，并進行實時數(shù)字顯示的數(shù)字系統(tǒng)。</p><p>　　該系統(tǒng)（如圖1所示）可由MC14433--3位A/D轉換器、MC1413七路達林頓驅動器陣列、CD4511 B

4、CD到七段鎖存-譯碼-驅動器、能隙基準電源MC1403和共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管組成。</p><p>　　本系統(tǒng)是3位數(shù)字電壓表，3位是指十進制數(shù)0000～1999，所謂3位是指個位、十位、百位，其數(shù)字范圍均為0～9。而所謂半位是指千位數(shù)，它不能從0變化到9，而只能由0變到1，即二值狀態(tài)，所以成為半位。</p><p><b>　　各部件的功能如下：</b></

5、p><p>　　（1）3A/D轉換器：將輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號。</p><p>　　基準電源：提供精密電壓，供A/D轉換器作參考電壓。</p><p>　　譯碼器：將二-十進制（BCD）碼轉換成七段信號。</p><p>　　驅動器：驅動顯示器的a,b,c,d,e,f,g七個發(fā)光段，推動發(fā)光數(shù)碼管（LED）進行顯示。</p>

6、<p>　　顯示器：將譯碼器輸出的七段信號進行數(shù)字顯示，讀出A/D轉換結果。</p><p><b>　　圖 1</b></p><p><b>　　工作過程如下：</b></p><p>　　3數(shù)字電壓表通過位選信號～進行動態(tài)掃描顯示，由于MC14433電路的A/D轉換結果是采用BCD碼多路調制方法輸出，只要

7、配上一塊譯碼器，就可以將轉換結果以數(shù)字方式實現(xiàn)四位數(shù)字的LED發(fā)光數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示?！敵龆嗦氛{制選通脈沖信號，選通脈沖為高電平，則表示對應的數(shù)位被選通，此時該位數(shù)據(jù)在～端輸出。每個選通脈沖高電平寬度為18個時鐘脈沖周期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期。和EOC的時序關系是在EOC脈沖結束后，緊接著是輸出正脈沖，以下依次為、和。其中對應最高位（MSD），則對應最低位（LSD）。在對應、和選通期間，～輸出BCD全位數(shù)據(jù)，即以8

8、421碼方式輸出對應的數(shù)字0～9。在選通期間，～輸出千位的半位數(shù)0或1及過量程、欠量程和極性標志信號。</p><p>　　在位選信號選通期間～的輸出內容如下：</p><p>　　表示千位數(shù)， =“0”代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為1， =“1”代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為0。</p><p>　　表示被測電壓的極性，的電平為“1”，表示極性為正，即＞0，的電平為“0”，表示極

9、性為負，即＜0。顯示數(shù)的負號（負電壓）由MC1413中的一只晶體管控制，符號位的“-”陰極與千位數(shù)陰極接在一起，當輸入信號為負電壓時，端輸出置“0”，負號控制位使得驅動器不工作，通過限流電阻使顯示器的“-”（即g段）點亮；當輸入信號為正電壓時，端輸出置“1”，負號控制位使達林頓驅動器導通，電阻接地，使“-”旁路而熄滅。</p><p>　　小數(shù)點顯示是由正電源通過限流電阻供電燃亮小數(shù)點。若量程不同則選通對應的小數(shù)

10、點。</p><p>　　過量程是當輸入電壓超過量程范圍時，輸出過量程標志信號。</p><p>　　當=“0”且=“1”時，表示處于過過量狀態(tài)。</p><p>　　當=“1”且=“1”時，表示處于欠量程狀態(tài)。</p><p>　　當=“0”時，|| >1999，則溢出。||>則輸出低電平。</p><p&g

11、t;　　當=“1”時，表示||<。平時為高電平，表示被測量在量程內。</p><p>　　MC14433的端與MC4511的消隱端直接相連，當超出量程范圍時，則輸出低電平，即=0→=0，MC4511譯碼器輸出全0，使發(fā)光數(shù)碼管顯示數(shù)字熄滅，而負號和小數(shù)點依然發(fā)亮。</p><p>　?。ǘ?、 單元電路設計與分析</p><p>　　1、3A/D轉換

12、器——MC14413</p><p>　　在數(shù)字儀表中，MC14413電路是一個低功率3位雙積分式A/D轉換器。MC14413電路總框圖如圖2所示。由圖2可知，MC14413A/D轉換器主要由模擬部分和數(shù)字部分組成。使用時只要外接兩個電阻和兩個電容就能執(zhí)行3位的A/D轉換器。</p><p>　　圖2 MC14433電路總框圖</p><p>　　模擬部分：圖3為

13、MC14413內部模擬電路的工作原理示意圖。其中共有3個運算放器，，和10多個電子模擬開關，接成電壓跟隨器，以提高A/D轉換器的輸入阻抗，由于采用CMOS電路，因此輸入阻抗可達100以上。和外接的、構成一個積分放大器，完成即電壓-時間的轉換。接成電壓比較器，主要功能是完成“0”電平檢出，由輸入電壓與零電壓進行比較，根據(jù)兩者的差值決定輸出是“1”還是“0”。比較器的輸出用作內部數(shù)字控制電路的一個判別信號。電容為自動調零失調補償電容。<

14、;/p><p>　　圖3 模擬電路工作原理示意圖</p><p>　　（2）數(shù)字部分：包括圖2中除“模擬部分”以外的部分。其中四位十進制計數(shù)器為3位BCD碼計數(shù)器，對反積分時間進行計數(shù)（0～1999），并送到數(shù)據(jù)寄存器；數(shù)據(jù)寄存器為3位十進制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實時取數(shù)信號（DU）作用下，鎖定和存儲A/D轉換器結果；多路選擇開關，從高位到低位逐位輸出多路調制BCD碼～，并輸出相應位的

15、多路選擇脈沖標志信號～；控制邏輯，這是A/D轉換的指揮中心，統(tǒng)一控制各部分電路的工作，它是根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開關，完成A/D轉換6個階段的開關轉換和定時轉換信號，以及過量程等功能標志信號，在對基準電壓進行積分時，令4位計數(shù)器開始計數(shù)，完成A/D轉換；時鐘發(fā)生器，它通過外接電阻構成的反饋，并利用內部電容形成振蕩，產(chǎn)生節(jié)拍時鐘脈沖，使電路統(tǒng)一動作，這是一種施密特觸發(fā)式正反饋多諧振蕩器，一般外接電阻為360時，振蕩頻率則為100

16、，當外接電阻為470時，振蕩頻率則為66，當外接電阻為750時，振蕩頻率則為50。若采用外時鐘頻率，則不要外接電阻，外部時鐘頻率信號從CLKI（10腳）端輸出，時鐘脈沖CP信號可從CLKO（11腳）獲得；極性檢測，顯示輸入電壓的正負極性</p><p>　　MC14413A/D轉換器是雙斜積分，采用電壓-時間間隔（）方式，通過先后對被測電壓模擬量和基準電壓的兩次積分，將輸入的被測電壓轉換成與其平均值成正比的時間間

17、隔，用計數(shù)器測出這個時間間隔內的脈沖數(shù)目，即可得到被測電壓的數(shù)字值。</p><p>　　雙積分過程可以由下面的式子表示：</p><p>　　=- =- （圖1）</p><p>　　=- =- （圖2）</p><p>　　因=，故有 = （圖3）</p><p>　　式中， =4000

18、。是定時間，為變時間，由確定斜率，若用時鐘脈沖數(shù)來表示時間，則被測電壓就轉換成了相應的脈沖數(shù)，實現(xiàn)了A/D轉換。</p><p>　　積分電阻電容的選擇應根據(jù)實際條件而定，若時鐘頻率為66，一般取0.1uF,的選取與量程有關，量程為2V時，取=470；量程為200mV時，取=27。</p><p>　　選取和的計算公式如下：</p><p><b>　　=

19、（圖4）</b></p><p>　　式中，為積分電容上充電電壓幅度，</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=0.5V</b></p><p><b>　　×</b></p><p>　　例如，假定=

20、0.1uF， =5V, =66。當=2V時，代入（圖4）式可得=480，取=470。3A/D轉換器設計了自動調零線路，其中緩沖器和積分器采用模擬調零方式，而比較器采用數(shù)字調零方式。在自動調零時，把緩沖器和積分器的失調電壓存放在一個失調補償電容上，而比較器的失調電壓用數(shù)字形式存放在內部的寄存器中，A/D轉換系統(tǒng)自動扣除電容上和寄存器中的失調電壓，就可得到精確的轉換結果。</p><p>　　A/D轉換器周期約需16

21、000個時鐘脈沖數(shù)，若時鐘頻率為48，則每秒可轉換3次，若時鐘頻率為86，則每秒可轉換4次。</p><p>　　MC14413采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列如圖4所示，各引腳端功能說明如下：</p><p>　　1端：，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測電壓和基準電壓的參考點地。</p><p>　　2端：，基準電壓端，是外接基準電壓輸入端，若此端加一個大

22、于5個時鐘周期的負脈沖（電平），則系統(tǒng)復位到轉換周期的起點。</p><p>　　3端：，是被測電壓輸入端。 </p><p>　　4端：，外接積分點阻端。 圖4 MC14433頂視圖 </p><p>　

23、　5端： /，外接積分元件電阻和電容的接點。</p><p>　　6端：，外接積分電容端，積分波形由該端輸出。</p><p>　　7和8端：和，外接失調補償電容端，推薦該兩端外接失調補償電容取0.1uF。</p><p>　　9端：，實時輸出控制端，主要控制轉換結果的輸出，若在比積分放電周期即階段5開始前，在端輸入一正脈沖，則該輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來的轉換結果

24、，若該端通過一電阻和EOC短接，則每次轉換的結果都將被輸出。</p><p>　　10端：CLKI，時鐘信號輸入端。</p><p>　　11端：CLKO，時鐘信號輸出端。</p><p>　　12端：，負電源端，是整個電路的電源最負端，主要作為模擬電路部分的負電源，該端典型約為0.8mA，所有輸出驅動電路的電流不流過該端，而是流向端。</p><

25、;p>　　13端：，負電源端。</p><p>　　14端：EOC，轉換周期結束標志輸出端，每一A/D轉換周期結束，EOC端輸出一正脈沖，其脈沖寬度為時鐘信號周期的1/2。</p><p>　　15端：，過量程標志輸出端，當||＞時，輸出低電平，正常量程內為高電平。</p><p>　　16～19端：對應為～，分別是多路調制選通脈沖信號個位、十位、百位和千位輸

26、出端。當端輸出高電平時，表示此刻～輸出的BCD碼代碼是該對應位上的數(shù)據(jù)。</p><p>　　20～23端：對應為～，分別是A/D轉換結果數(shù)據(jù)輸出BCD代碼的最低位（LSB）、次低位、次高位和最高位輸出端。</p><p>　　24端：，整個電路的正電源端。</p><p>　　2.七段鎖存-譯碼-驅動器CD4511</p><p>　　CD

27、4511是專用于將二-十進制代碼（BCD）轉換成七段顯示信號的專用標準譯碼器，它由四位閂鎖、七段譯碼電路和驅動器三部分組成，如圖5所示。</p><p>　　圖5 CD4511功能圖</p><p>　　四位閂鎖（LATCH）:它的功能是將輸入的A、B、C和D代碼寄存起來，該電路具有鎖存功能，在鎖存允許端LE端（即LATCH ENABLE）控制下起閂鎖電路的作用。</p>&

28、lt;p>　　當LE=“1”時，閂鎖器處于鎖存狀態(tài)，四位閂鎖封鎖輸入，此時它的輸出為前一次LE=“0”時輸入的BCD碼；</p><p>　　當LE=“0”時，閂鎖器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。</p><p>　　由此可見，利用LE端的控制作用可以將某一時刻的輸入BCD代碼寄存下來，使輸出不再隨輸入變化。</p><p>　　七段譯碼電路：將來自四位閂

29、鎖輸出的BCD代碼譯成七段顯示碼輸出，MC4511中的七段譯碼器有兩個控制端：</p><p>　　①（LAMPTEST）燈測試端。當=“0”時， 七段譯碼器輸出全“1”，發(fā)光數(shù)碼管各段全亮顯示；當=“1”時，譯碼器輸出狀態(tài)由端控制。</p><p>　?、冢˙LANKING）消隱端。當=“0”時，控制譯碼器為全“0”輸出，發(fā)光數(shù)碼管各段熄滅。=“1”時，譯碼器正常輸出，發(fā)光數(shù)碼管正常

30、顯示。上述兩個控制配合使用，可使譯碼器完成顯示上的一些特殊功能。</p><p>　?。?）驅動器：利用內部設置的NPN管構成的射極輸出器，加強驅動能力，使譯碼器輸出驅動電流可達20mA。</p><p>　　CD4511電源電壓的范圍為5V～15V。它可與NMOS電路或TTL電路兼容工作。</p><p>　　圖 6 CD4511頂視圖</p>&

31、lt;p>　　CD4511采用16引線雙列直插式封裝（見圖6）。其真值表1。</p><p>　　使用 CD4511時應注意輸出端不允許短路，應用時電路輸出端外接限流電阻。</p><p><b>　　表 1</b></p><p>　　3.七路達林頓驅動器陣列MC1413</p><p>　　MC1413采用N

32、PN達林頓復合晶體管的結構，因此具有很高的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成電路的信號，并把電壓信號轉換成足夠大的電流信號驅動各種負載。該電路內含有7個集電極開路反相器（也稱OC門）。 MC1413電路結構和引腳如圖7所示，它采用16引腳的雙列直插式封裝。每一驅動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的抑制二極管。</p><p>　　圖7 MC1413引腳和電路結構圖 </p>

33、<p>　　4.高精度低漂移能隙基準電源 MC1403</p><p>　　MC1403的輸出電壓的溫度系數(shù)為零，即輸出電壓與溫度無關。該電路的特點是：①溫度系數(shù)??；②噪聲??；③輸入電壓范圍大，穩(wěn)定性能好，當輸入電壓從+4.5V變化到+15V時，輸出電壓值變化量＜3mV；④輸出電壓值準確度較高，值在2.475～2.525V以內；⑤壓差小，適用于低壓電源；⑥負載能力小，該電源最大輸出電流為10mA，M

34、C1403用8條引線雙列直插標準封裝，如圖8所示。</p><p>　　圖8 MC1403頂視圖</p><p><b>　　四、總結</b></p><p>　　通過這次對數(shù)字電壓表的設計學習，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了數(shù)字電壓表的原理和設計理念。但是在做數(shù)字電壓表設計時，由于對數(shù)字電壓表的原理和電路的不了解，在查閱資料和上網(wǎng)閱

35、讀才對此設計了解了一些，但是總感覺還是沒有徹底懂得！思路還不是很清晰！在設計中，對芯片MC14433的掌握感覺很難，還需要繼續(xù)學習。在畫局部電路圖中遇到很多問題，通過老師的提示和講解才逐漸懂得如何應用。從這次的電子技術課程設計中，我學到很多東西，例如proteus的入門和簡單應用，還有一些電路原理方面的知識，豐富了我的知識面，對我以后的電子電路學習提供了幫助。</p><p><b>　　附錄</

36、b></p><p>　　MC14433 1片</p><p>　　CD4511 1片</p><p>　　MC1413 1片</p><p>　　MC1403 1片</p><p>　　CC4501 1片</p><p>　?。?）74LS194 1片</p&

37、gt;<p>　　LM324 1片</p><p>　　七段顯示器 4片</p><p>　?。?）電阻、電容、導線等</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　?。?）.高吉祥·《電子技術基礎 實驗與課程設計》·電子工業(yè)出版社·2002年