数字电压表引言部分.docx
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数字电压表引言部分.docx
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数字电压表引言部分
三位半数字电压表
摘要:
数字电压表是常用的测量仪表之一,与同级别的指针式电压表相比较,使用方便,测量更准确,因此广泛使用。
它由模拟电路和数字电路两部分组成,模拟部分包括转换式输入放大器、基准电压源和A/D转换电路。
数字部分包括时钟源、计数器、译码驱动显示及逻辑控制。
关键词:
A/D转换器 译码驱动 显示
1. 引言
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。
目前,由各种单片A/D转换器构成的数字电压表,已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域,显示出强大的生命力。
与此同时,由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表,也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
本章重点介绍单片A/D转换器以及由它们构成各种新型数字电压表的工作原理。
数字电压表具有以下十大特点:
⑴显示清晰直观,读数准确 传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数,在读数过程中不可避免地会引入人为的测量误差(例如视差),并且容易造成视觉疲劳。
数字电压表则采用先进的数显技术,使测量结果一目了然,只要仪表不发生跳数现象,测量结果就是惟一的,不仅保证读数的客观性与准确性,还符合人们的读数习惯,能缩短读数和记录的时间。
新型数字电压表还增加了标志符显示功能,包括测量项目符号、单位符号和特殊符号。
⑵显示位数 显示位数通常为3位~8位判定数字仪表的位数有两条原则:
①能显示从0~9所有数字的位是整数值;②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子,用满量程时最高位数字做分母。
⑶准确度高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。
。
数字电压表的准确度远优于模拟式电压表。
⑷分辨率高 数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值,称做仪表的分辨力,它反映仪表灵敏度的高低。
分辨力随显示位数的增加而提高。
数字电压表的分辨力指标亦可用分辨率来表示。
分辨率是指所能显示的最小数字(零除外)与最大数字的百分比。
更不得将分辨力(或分辨率)误以为是类似于准确度的一项指标。
实际上分辨力仅与仪表显示位数有关,而准确度则取决于A/D转换器等的总误差。
从测量角度看,分辨力是“虚”指标(与测量误差无关),准确度才是“实”指标(代表测量误差的大小)。
因此,任意增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的。
原因就在于这样达到的高分辨力指标将失去意义。
换言之,从设计DVM的角度看,分辨力应受准确度的制约,并与之相适应。
⑸测量范围宽 多量程DVM一般可测0~1000V直流电压,配上高压探头还可测量上万伏的高压。
(6)扩展能力强 在数字电压表的基础上、还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表(DMM)和智能仪器,以满足不同的需要。
⑺测量速率快 数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率,单位是“次/秒”。
它主要取决于A/D转换器的转换速率,其倒数是测量周期。
3位、5位DVM的测量速率分别为几次每秒、几十次每秒。
8位DVM采用降位的方法,测量速率可达10万次/秒。
⑻输入阻抗高 数字电压表具有很高的输入阻抗,通常为10MΩ~10000MΩ,最高可达1TΩ。
在测量时从被测电路上吸取的电流极小,不会影响被测信号源的工作状态,能减小由信号源内阻引起的测量误差。
⑼集成度高,微功耗 新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路,整机功耗很低。
⑽抗干扰能力强 5½位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器,其串模抑制比(SMR)、共模抑制比(CMR)分别可达100dB、80dB~120dB。
高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术,进一步提高了抗干扰能力,CMR可达180dB。
2.方案的设计及论证
2.1 方案一由MC14433构成的单片三位半数字电压表
(1)本系统是三位半数字电压表,所谓的三位是指百位、十位、个位,其数字范围为0—9。
而所谓的半位是指千位数,它不能从0变化到9,而只能由0变到1,
MC14433A/D转换集成电路
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。
器件介绍:
MC14433是美国Motorola公司推出的单片31/2位A/D转换器,其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少,输入阻抗高,功耗低,电源电压范围宽,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器,其主要功能特性如下:
精度:
读数的±0.05%±1字
模拟电压输入量程:
1.999V和199.9mV两档
转换速率:
2-25次/s
输入阻抗:
大于1000MΩ
电源电压:
±4.8V—±8V
功耗:
8mW(±5V电源电压时,典型值)
采用字位动态扫描BCD码输出方式,即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出,同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲,很方便实现LED的动态显示。
MC14433最主要的用途是数字电压表,数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。
MC14433的引脚说明:
[1].Pin1(VAG)—模拟地,为高科技阻输入端,被测电压和基准电压的接入地。
[2].Pin2(VR)—基准电压,此引脚为外接基准电压的输入端。
MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。
此外,VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR),就能够复为至转换周期的起始点。
[3].Pin3(Vx)—被测电压的输入端,MC14433属于双积分型A/D转换器,因而被测电压与基准电压有以下关系:
因此,满量程的Vx=VR。
当满量程选为1.999V,VR可取2.000V,而当满量程为199.9mV时,VR取200.0mV,在实际的应用电路中,根据需要,VR值可在200mV—2.000V之间选取。
[4].Pin4-Pin6(R1/C1,C1)—外接积分元件端。
次三个引脚外接积分电阻和电容,积分电容一般选0.1uF聚脂薄膜电容,如果需每秒转换4次,时钟频率选为66kHz,在2.000V满量程时,电阻R1约为470kΩ,而满量程为200mV时,R1取27kΩ。
[5].Pin7、Pin8(C01、C02)—外接失调补偿电容端,电容一般也选0.1uF聚脂薄膜电容即可。
[6].Pin9(DU)—更新显示控制端,此引脚用来控制转换结果的输出。
如果在积分器反向积分周期之前,DU端输入一个正跳变脉冲,该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器,经多路开关选择后输出。
否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。
这个作用可用于保存测量数据,若不需要保存数据而是直接输出测量数据,将DU端与EOC引脚直接短接即可。
[7].Pin10、Pin11(CLK1、CLK0)—时钟外接元件端,MC14433内置了时钟振荡电路,对时钟频率要求不高的场合,可选择一个电阻即可设定时钟频率,时钟频率为66kHz时,外接电阻取300kΩ即可。
若需要较高的时钟频率稳定度,则需采用外接石英晶体或LC电路,参考附图。
[8].Pin12(VEE—负电源端。
VEE是整个电路的电压最低点,此引脚的电流约为0.8mA,驱动电流并不流经此引脚,故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。
[8].Pin13(Vss)—数字电路的负电源引脚。
Vss工作电压范围为VDD-5V≥Vss≥VEE。
除CLK0外,所有输出端均以Vss为低电平基准。
[9].Pin14(EOC)—转换周期结束标志位。
每个转换周期结束时,EOC将输出一个正脉冲信号。
[10].Pin15(
)—过量程标志位,当|Vx|>VREF时,
输出为低电平。
[11].Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)—多路选通脉冲输出端。
DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。
当某一位DS信号有效(高电平)时,所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出,两个选通脉冲之间的间隔为2个时钟周期,以保证数据有充分的稳定时间。
[12].Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)—BCD码数据输出端。
该A/D转换器以BCD码的方式输出,通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。
同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息,这些信息所代表的意义见下表。
[13].Pin24(VDD)—正电源电压端。
MC14433千位BCD码标志意义
MSD编码内容
Q3Q2Q1Q1
BCD7段数码显示
+0
1110
不显示
-0
1010
+0UR
1111
-0UR
1011
+1
1100
4-1(仅显示"b"和"c"段)
-1
0000
0-1(仅显示"b"和"c"段)
+1OR
0111
7-1(仅显示"b"和"c"段)
-1OR
0011
3-1(仅显示"b"和"c"段)
边的引脚表示输入,右边表示输出,还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
2.CD4511的工作原理:
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通,TG2截止;当LE为“1”电平时,TG1截止,TG2导通,此时有锁存作用。
如图3-3
(3)译码
CD4511译码用两级或非门担任,为了简化线路,先用二输入端与非门对输入数
据B、C进行组合,得出四项,然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
(4)消隐
BI为消隐功能端,该端施加某一电平后,迫使B端输出为低电平,字形消隐。
消隐控制电路如图3-4所示。
消隐输出J的电平为J=(C+B)D+BI
如不考虑消隐BI项,便得J=(B+C)D
据上式,当输入BCD代码从1010---1111时,J端都为“1”电平,从而使显示器中的字形消隐。
数字电压表(数字面板表)是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。
这里展示的一份由ICL7106A/D转换电路组成的数字电压表(数字面板表)电路,就是一款最通用和最基本的电路。
与ICL7106相似的是ICL7107,前者使用LCD液晶显示,后者则是驱动LED数码管作为显示,除此之外,两者的应用基本是相通的。
电路图中,仅仅使用一只DC9V电池,数字电压表就可以正常使用了。
按照图示的元器件数值,该表头量程范围是±200.0mV。
当需要测量±200mV的电压时,信号从V-IN端输入,当需要测量±200mA的电流时,信号从A-IN端输入,不需要加接任何转换开关,就可以得到两种测量内容。
也有许多场合,希望数字电压表(数字面板表)的量程大一些,那么,只需要更改2只元器件的数值,就可以实现量程为±2.000V了。
更改的元器件具体位置和数值见下图的28和29两只引脚:
在有了一只数字电压表(数字面板表)之后,按照下面的图示,给它配置一组分流电阻,就可以实现多量程数字电流表,分档从±200uA到±20A。
但是要注意:
在使用20A大电流档的时候,不能再有开关来切换量程,应该专门配置一只测量插孔,以防烧毁切换开关。
显示译码器CD4511
CD4511是一个用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码—七段码译码器,特点如下:
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
其功能介绍如下:
BI:
4脚是消隐输入控制端,当BI=0时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。
LT:
3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0时,译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何,七段均发亮,显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE:
锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g:
为译码输出端,输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻,在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
CD4511具有锁存、译码、消隐功能,通常以反相器作输出级,通常用以驱动LED。
其引脚图如3-2所示。
各引脚的名称:
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D;5、4、3分别表示LE、BI、LT;13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。
左
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