三位半數(shù)字電壓表電路的設計課程設計

1、<p>　　《電子技術》課程設計報告</p><p>　　設計題目： 三位半數(shù)字電壓表電路的設計</p><p>　　院（系）:______</p><p>　　專業(yè)班級: ___________________</p><p>　　學生姓名: ____________</p><p>

2、;<b>　　目錄</b></p><p>　　一、題目及設計目的2</p><p><b>　　二、設計要求2</b></p><p>　　三、方案設計與論證2</p><p><b>　?。?）主控芯片2</b></p><p><b&

3、gt;　?。?）顯示部分2</b></p><p>　　四、設計原理及電路圖3</p><p>　?。?）數(shù)字電壓表原理框圖3</p><p><b>　　量程轉換模塊3</b></p><p><b>　　基準電壓模塊3</b></p><p><

4、;b>　　A/D電路模塊3</b></p><p>　　字形譯碼驅動電路模塊4</p><p><b>　　顯示電路模塊4</b></p><p>　　（2）實驗芯片簡介5</p><p>　　三位半A／D轉換器MC144335</p><p>　　七段鎖存-譯碼-驅動

5、器CD45118</p><p>　　七路達林頓驅動器陣列MC14139</p><p>　　高精度低漂移能隙基準電源MC14039</p><p>　　五、元器件清單11</p><p><b>　　六、參數(shù)計算11</b></p><p>　　七、結論與心得11</p>

6、<p><b>　　八、參考文獻12</b></p><p>　　數(shù)字電壓表電路設計報告</p><p><b>　　題目及設計目的</b></p><p>　　1、題目：3 1/2位數(shù)字電壓表</p><p>　　2、設計目的：通過電子技術的綜合設計，熟悉一般電子電路綜合設計過程、

7、設計要求、應完成的工作內容和具體的設計方法，同時復習、鞏固以往的模電、數(shù)電內容。</p><p><b>　　設計要求</b></p><p>　　1、利用所學過知識，通過上網(wǎng)或到圖書館查閱資料，設計出2-3個實現(xiàn)數(shù)字電壓表的方案；只要求寫出實現(xiàn)工作原理，畫出電原理功能圖，描述其功能。</p><p>　　2、對將要實驗方案，須采用中、小規(guī)模集

8、成電路、MC14433A/D轉換器等電路進行設計，寫出已確定方案詳細工作原理，計算出參數(shù)。</p><p><b>　　3、技術指標：</b></p><p>　　測量直流電壓 1999-1V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V；</p><p>　　測量交流電壓 1999-199V。</p>

9、<p><b>　　三、方案設計與論證</b></p><p><b>　　1、主控芯片</b></p><p>　　方案1：選用A/D轉換芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403實現(xiàn)電壓的測量，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉換電壓結果。缺點是工作速度低，優(yōu)點是精度較高，工作性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力比較強。</p&

10、gt;<p>　　方案2：選用專用電壓轉化芯片INC7107實現(xiàn)電壓的測量和控制。它包含3 1/2位數(shù)字A/D轉換器，可直接驅動LED數(shù)碼管。用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉換電壓結果。缺點是精度比較低，且內部電壓轉換和控制部分不可控制。優(yōu)點是價格低廉。</p><p>　　方案3：選用單片機AT89S52和A/D轉換芯片ADC0809實現(xiàn)電壓的轉換和控制，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉換電壓結果。缺點是價格

11、稍貴；優(yōu)點是轉換精度高，且轉換的過程和控制、顯示部分可以控制。</p><p>　　基于課程設計的要求，我們優(yōu)先選用了：方案1</p><p><b>　　2、顯示部分</b></p><p>　　方案1：選用4個單體的共陰晶體管。優(yōu)點是價格比較便宜；缺點是焊接時比較麻煩，容易出錯。</p><p>　　方案2：選用點陣

12、顯示器。優(yōu)點是能顯示文字和數(shù)字；缺點是其內部結構較為復雜，不易連接。</p><p>　　方案3：選用液晶顯示器。優(yōu)點是能顯示大量的文字、數(shù)字和圖形，而且清晰化程度高；缺點是成本高。</p><p>　　基于課程設計的要求，我們優(yōu)先選用了：方案1</p><p><b>　　設計原理及電路圖</b></p><p>　　

13、（1）數(shù)字電壓表原理框圖如下：</p><p>　　方案1的原理框圖如圖a所示；</p><p>　　方案2的原理框圖如圖b所示；</p><p>　　方案3的原理框圖如圖c所示。</p><p><b>　　圖a</b></p><p><b>　　圖b</b></p

14、><p><b>　　圖c</b></p><p>　　鑒于選用方案一，由數(shù)字電壓表原理框圖可知,數(shù)字電壓表由五個模塊構成,分別是基準電壓模塊, 3 1/2位A/D電路模塊,字形譯碼驅動電路模塊,顯示電路模塊,字位驅動電路模塊.</p><p><b>　　各個模塊設計如下:</b></p><p>&

15、lt;b>　　量程轉換模塊</b></p><p>　　采用多量程選擇的分壓電阻網(wǎng)絡，可設計四個分壓電阻大小分別為900KΩ，90KΩ，9KΩ和1KΩ。用無觸點模擬開關實現(xiàn)量程的切換。</p><p><b>　　基準電壓模塊</b></p><p>　　這個模塊由MC1403和電位器構成, 提供精密電壓，供A/D 轉換器作參

16、考電壓.</p><p>　　3 1/2位A/D電路模塊</p><p>　　直流數(shù)字電壓表的核心器件是一個間接型A / D轉換器，這個模塊由MC14433和積分元件構成,將輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號。</p><p>　　字形譯碼驅動電路模塊</p><p>　　這個模塊由MC4511構成 ,將二—十進制(BCD)碼轉換成七段信號。<

17、;/p><p><b>　　顯示電路模塊</b></p><p>　　這個模塊由LG5641AH構成,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>　?。?）實驗芯片簡介：</p><p>　　數(shù)字顯示電壓表將被測模擬量轉換為數(shù)字量，并進行實時數(shù)字顯示。該系統(tǒng)（如圖1 所示）可采用MC14433

18、—三位半A/D 轉換器、MC1413七路達林頓驅動器陣列、CD4511 BCD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。本系統(tǒng)是三位半數(shù)字電壓表,三位半是指十進制數(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l，即二值狀態(tài)，所以稱為半位。</p><p>　　各部分的功能如下： 三位半A/D

19、轉換器(MC14433)：將輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號?；鶞孰娫?MC1403)：提供精密電壓，供A/D 轉換器作參考電壓。譯碼器(MC4511)：將二—十進制(BCD)碼轉換成七段信號。驅動器(MC1413)：驅動顯示器的a，b，c，d，e，f，g七個發(fā)光段，驅動發(fā)光數(shù)碼管(LED)進行顯示。</p><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>&

20、lt;p>　　工作過程如下：  三位半數(shù)字電壓表通過位選信號DS1～DS4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。DS1～DS4輸出多路調制選通脈沖信號。DS選通脈沖為高電平時表示對應的數(shù)位被選通，此時該位數(shù)據(jù)在Q0～Q3端輸出。每個DS選通脈沖高電平寬度為18個時鐘脈沖周

21、期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期。DS和EOC的時序關系是在EOC 脈沖結束后，緊接著是DS1輸出正脈沖。以下依次為DS2，DS3和DS4。其中DS1對應最高位(MSD)，DS4則對應最低位(LSD)。在對應DS2，DS3和DS4選通期間，Q0～Q3輸出BCD全位數(shù)據(jù)，即以8421碼方式輸出對應的數(shù)字0～9．在DS1選通期間，Q0～Q3輸出千位的半位數(shù)0或l及過量程、欠量程和極性標志信號。</p><p&

22、gt;　　在位選信號DS1選通期間Q0～Q3的輸出內容如下：</p><p>　　Q3表示千位數(shù)，Q3=0代表千位數(shù)的數(shù)宇顯示為1，Q3=1代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為0。</p><p>　　Q2表示被測電壓的極性，Q2的電平為1，表示極性為正，即UX>0；Q2的電平為0，表示極性為負，即UX<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

23、極接在一起，當輸入信號UX為負電壓時，Q2端輸出置“0”， Q2 負號控制位使得驅動器不工作，通過限流電阻RM 使顯示器的“-”(即g 段)點亮；當輸入信號UX為正電壓時，Q2端輸出置“1”，負號控制位使達林頓驅動器導通，電阻RM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RDP供電燃亮小數(shù)點。若量程不同則選通對應的小數(shù)點。</p><p>　　過量程是

24、當輸入電壓UX超過量程范圍時，輸出過量程標志信號OR。</p><p>　　當Q3=0,Q0=1時，表示Ux處于過量程狀態(tài)；</p><p>　　當Q3=1，Q0=1時，表示Ux處于欠量程狀態(tài)。</p><p>　　當OR = 0 時，|UX|>1999，則溢出。|UX|>UR則OR 輸出低電平。</p><p>　　當OR =

25、1時，表示|UX|<UR 。平時OR輸出為高電平，表示被測量在量程內。</p><p>　　MC14433的OR端與MC4511的消隱端BI 直接相連，當UX超出量程范圍時，OR輸出低電平，即OR = 0 →BI = 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>　　1.三位半A／D轉換器MC14433  

26、  在數(shù)字儀表中，MC14433電路是一個低功耗三位半雙積分式A/D轉換器。和其它典型的雙積分A/D轉換器類似，MC14433A/D轉換器由積分器、比較器、計數(shù)器和控制電路組成。如果必要設計應用者可參考相關參考書。使用MC14433時只要外接兩個電阻(分別是片內RC 振蕩器外接電阻和積分電阻RI)和兩個電容(分別是積分電容CI和自動調零補償電容C0)就能執(zhí)行三位半的A/D轉換。    MC144

27、33內部模擬電路實現(xiàn)了如下功能：（1）提高A/D 轉換器的輸入阻抗，使輸入阻抗可達l00MΩ以上；（2）和外接的RI、CI構成一個積分放大器，完成V/T 轉換即電壓—時間的轉換；（3）構造了電壓比較器，完成“0”電平檢出，將輸入電壓與零電壓進行比較，根據(jù)兩者的差值決定極性輸出是“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；（4）與外接電容器C0構成自動調零電路。</p><p>　　除“模擬電

28、路”以外，MC14433 內部含有四位十進制計數(shù)器，對反積分時間進行3位半BCD碼計數(shù)(0～1999)，并鎖存于三位半十進制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實時取數(shù)信號(DU)作用下，實現(xiàn)A/D轉換結果的鎖定和存儲。借助于多路選擇開關，從高位到低位逐位輸出BCD碼Q0～Q3，并輸出相應位的多路選通脈沖標志信號DS1～DS4實現(xiàn)三位半數(shù)碼的掃描方式（多路調制方式）輸出。</p><p>　　MC14433內部的控制邏輯

29、是A/D 轉換的指揮中心，它統(tǒng)一控制各部分電路的工作。根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開關，完成A/D轉換各個階段的開關轉換，產生定時轉換信號以及過量程等功能標志信號。在對基準電壓VREF 進行積分時，控制邏輯令4位計數(shù)器開始計數(shù)，完成A/D 轉換。</p><p>　　MC14433內部具有時鐘發(fā)生器，它通過外接電阻構成的反饋，井利用內部電容形成振蕩，產生節(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

30、RC 多諧振蕩器，一般外接電阻為360kΩ時，振蕩頻率為100kHz；當外接電阻為470kΩ時，振蕩頻率則為66kHz，當外接電阻為750kΩ時，振蕩頻率為50kHz。若采用外時鐘頻率。則不要外接電阻，時鐘頻率信號從CPI(10腳)端輸入，時鐘脈沖CP 信號可從CPO(原文資料為CLKO)(11腳)處獲得。MC14433內部可實現(xiàn)極性檢測，用于顯示輸入電壓UX 的正負極性；而它的過載指示(溢出)的功能是當輸入電壓Vx 超出量程范圍時，輸

31、出過量程標志OR（低有效）。</p><p>　　MC14433是雙斜率雙積分A/D 轉換器，采用電壓—時間間隔(V/T)方式，通過先后對被測模擬量電壓UX和基準電壓VREF 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隔，用計數(shù)器測出這個時間間隔對應的脈沖數(shù)目，即可得到被測電壓的數(shù)字值。雙積分過程可以做如下概要理解：</p><p>　　首先對被測電壓UX 進行固定時間T1

32、、固定斜率的積分，其中T1=4000Tcp。顯然，不同的輸入電壓積分的結果不同（不妨理解為輸出曲線的高度不同）。然后再以固定電壓VREF 以及由RI,CI所決定的積分常數(shù)按照固定斜率反向積分直至積分器輸出歸零，顯然對于上述一次積分過程形成的不同電壓而言，這一次的積分時間必然不同。于是對第二次積分過程歷經的時間用時鐘脈沖計數(shù)，則該數(shù)N就是被測電壓對應的數(shù)字量。由此實現(xiàn)了A/D轉換。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66kH

33、z，CI一般取0.1μF。RI的選取與量程有關，量程為2V時，取RI為470kΩ；量程為200mV時，取RI為27kΩ。 選取RI 和CI 的計算公式如下：</p><p>　　式中，ΔUC為積分電容上充電電壓幅度,ΔUC = VDD - UX(max) - ΔU,ΔU = 0.5V,</p><p>　　例如，假定CI=0.1μF，VDD=5V，fCLK=66kHz。當UX(max)=

34、2V 時，代入上式可得RI=480kΩ，取RI=470kΩ。MC14433設計了自動調零線路，足以保證精確的轉換結果。MC14433A/D轉換周期約需16000個時鐘脈沖數(shù)，若時鐘頻率為48kHz，則每秒可轉換3次，若時鐘頻率為86kHz，則每秒可轉換4次。 </p><p>　　MC14433 采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列，參考圖1的引腳標注，各主要引腳功能說明如下：(1) 端：VAG，模擬地，是高

35、阻輸入端，作為輸入被測電壓UX和基準電壓VREF的參考點地。(2) 端：RREF，外接基準電壓輸入端。(3) 端：UX，是被測電壓輸入端。(4) 端：RI，外接積分電阻端。(5) 端：RI/CI，外接積分元件電阻和電容的公共接點。(6) 端，C1，外接積分電容端，積分波形由該端輸出。(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失調補償電容端。推薦外接失調補償電容C0取0.1μF。(9) 端：DU，實時輸出控制端，主要控制轉

36、換結果的輸出，若在雙積分放電周期即階段5開始前，在DU端輸入一正脈沖，則該周期轉換結果將被送入輸出鎖存器并經多路開關輸出，否則輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來的轉換結果。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。(10) 端：CPI (CLKI)，時鐘信號輸入端。(11) 端：CPO (CLKO)，時鐘信號輸出端。(12) 端：VEE，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</p&

37、gt;<p>　　2．七段鎖存-譯碼-驅動器CD4511    CD4511 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4位鎖存器，7段譯碼電路和驅動器三布分組成。(1) 四位鎖存器(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LATCHENABLE）控制下起鎖存數(shù)據(jù)的作用。當LE=1時，鎖存

38、器處于鎖存狀態(tài)，四位鎖存器封鎖輸入，此時它的輸出為前一次LE=0時輸入的BCD碼；當LE=0時，鎖存器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。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。(2) 七段譯碼電路：將來自四位鎖存器輸出的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：①LT(LAMP TEST)燈測試端。當LT = 0時，七段譯碼器輸出全1，發(fā)光數(shù)碼管

39、各段全亮顯示；當LT = 1時，譯碼器輸出狀態(tài)由BI端控制。② BI (BLANKING)消隱端。當BI = 0時，控制譯碼器為全0輸出，發(fā)光數(shù)碼管各段熄滅。BI = 1時，譯碼器</p><p>　　CD4511電源電壓VDD的范圍為5V-15V，它可與NMOS電路或TTL電路兼容工作。CD4511采用16引線雙列直插式封裝，引腳分配和真值表參見圖2。使用CD451l時應注意輸出端不允許短路，應用時電路輸

40、出端需外接限流電阻。</p><p>　　3．七路達林頓驅動器陣列MC1413    MC1413采用NPN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 集成電路的輸出信號，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OC0門)。MC1413電路結構和引腳如圖3所示，它采用16引腳的雙列直插式

41、封裝。每一驅動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的續(xù)流二極管。</p><p>　　4．高精度低漂移能隙基準電源MC1403    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?。虎?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，輸出電壓值變化量小于3mV；④輸出電壓值準確度較高，y。值在2.475V～2

42、.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。MC1403用8條引線雙列直插標準封裝，如圖4所示。</p><p>　　圖1 數(shù)字電壓表結構圖</p><p><b>　　五、元器件清單</b></p><p>　?。?）MC144331片</p><p>　?。?）C

43、D45111片</p><p>　?。?）NPN型三極管 4個</p><p>　?。?）CC45011片</p><p>　?。?）74LS1941片</p><p>　?。?）LM3241片</p><p>　?。?）七段顯示器4片</p><p>　?。?）電阻、電容

44、、導線等</p><p><b>　　六、參數(shù)計算</b></p><p>　　積分電阻電容的選擇：</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 66kHz，CI一般取 0.1μF。</p><p>　　RI的選取與量程有關。</p><p>　　量程為 2V 時，取

45、RI為 470kΩ；</p><p>　　量程為 200mV 時，取 RI為 27 kΩ。</p><p>　　選取 RI和 CI的計算公式如下：</p><p>　　RI=UX(MAX)*T/(CI*ΔUC )</p><p>　　式中，ΔUC為積分電容上充電電壓幅度, </p><p>　　ΔUC=VDD-UX(M

46、AX)-ΔU, ΔU=0.5V;</p><p>　　T=4000/fclk</p><p>　　例如，假定 CI=0.1μF，VDD=5V，fCLK=66kHz。當 UX(max)=2V 時，代入上式可得 RI=480kΩ，取 RI=470kΩ。MC14433 設計了自動調零線路，足以保證精確的轉換結果。</p><p>　　MC14433A/D 轉換周期約需 1

47、6000 個時鐘脈沖數(shù)，若時鐘頻率為 48kHz，則每秒可轉換3 次，若時鐘頻率為 86kHz，則每秒可轉換 4 次。</p><p><b>　　七、結論與心得</b></p><p>　　本次課程設計通過對A/D轉換器的認真學習以及對中、小規(guī)模集成電路有了更進一步的熟悉，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。實際操作和課本上的知識有很大聯(lián)

48、系，但又高于課本，一個看似很簡單的電路，要動手把它設計出來就比較困難了，因為是設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計，不但鞏固了所學知識，也是我們把理論與實踐從真正意義上結合起來，增強了學習的綜合能力。通過這次設計不僅鍛煉了我們的團隊協(xié)作精神，而且提高了創(chuàng)新能力。</p><p>　　這次試驗中，在收獲知識的同時，還收獲了閱歷，收獲了成熟。在此過程中，我

49、們通過查找大量資料，請教老師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力。在各種其他方面的能力上也都有了提高，而且在與老師和同學的交流過程中，互動學習，將知識融會貫通。更重要的是我們學會了很多學習的方法，而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷學習、實踐、再學習、再實踐。不管怎樣，這些都是一種鍛煉，一種知識的完全積累，可以把這個當做基礎東西，只有掌握了這些最基礎的，才可以更進一步，取得更好的成績。</

50、p><p><b>　　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2月</p><p>　?。?）黃永定 《電子線路試驗與課程設計》 機械工業(yè)出版社 2005年8月</p><p>　　（3）彭啟棕、李玉柏 《DSP技術》 電子科技大學出版社 1997