数字电压表的设计.docx
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数字电压表的设计
淮海工学院
课程设计报告书
课程名称:
电子技术课程设计
(二)
题目:
数字电压表的设计
系(院):
电子工程学院
学期:
2011-2012-1
专业班级:
电子091
姓名:
学号:
评语:
成绩:
签名:
日期:
目录
1引言----------------------------------------1
1.1设计任务----------------------------------1
1.2设计要求----------------------------------1
2设计思路------------------------------------1
2.1基本原理----------------------------------1
2.2设计依据----------------------------------1
3设计方案------------------------------------2
3.1系统框图----------------------------------2
3.2实验原理----------------------------------3
3.3实验步骤----------------------------------3
3.4元件功能及工作分析------------------------5
4仿真软件介绍-------------------------------12
5仿真电路步骤-------------------------------12
6电路仿真-----------------------------------13
7实验器材-----------------------------------13
8实验总结-----------------------------------14
9参考文献-----------------------------------14
1引言
在电量测量中,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。
而且随着电子技术的发展,更是经常需要测量高精度的电压,所以数字电压表是一种必不可少的测量仪器。
数字电压表,它是采用数字化测量技术,把连续的模拟量转化成不连续、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、自动测试系统等智能化测试领域,显示出强大的生命力。
1.1设计任务
(1)设计数字电压表电路。
(2)测量范围:
直流电压0V~1.999V。
(3)组装调试3*1/2位数字电压表。
(4)画出数字电压表电路,写出总结报告。
1.2设计要求
(1)画出总体设计框图,以说明交通灯由哪些相对独立的功能模块组成,标出各个模块之间互相联系,时钟信号传输路径、方向和频率变化。
并以文字对原理作辅助说明。
(2)设计各个功能模块的电路图、真值表(或状态转换图)并加上原理说明。
(3)有条件时选择合适的元器件,在面包上接线验证、调试各个功能模块的电路,在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式,在充分电路正确性同时,输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。
(4)设计整个电路的电路图,加上原理说明。
有条件时对整个电路的元器件和布线进行合理布局,并进行整个交通灯电路的接线调试。
2设计思路
2.1基本原理
(1)数字电压表是将被测模拟量转换为数字量,并进行数字显示。
(2)该系统可采用MC14433―3*1/2位A/D转换器、MC1413七段达林顿驱动器阵列、CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。
2.2设计依据
数字电压表将被测模拟量转换为数字量,并进行实时数字显示。
该系统可采用MC14433——3*1/2位A/D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MCl403和共阴极LED发光数码管组成。
本系统是3*1/2位数字电压表,3*1/2位是指十进制数0000~1999。
所谓3位是指个位、十位、百位,其数字范围均为0~9,而所谓半位是指千位数,它不能从0变化到9,而只能由0变到l,即二值状态,所以称为半位。
3设计方案
3.1系统框图
图图1数字电压表系统框图
3.2实验原理
图2数字电压表原理框图
由数字电压表原理框图可知,数字电压表由五个模块构成,分别是基准电压模块,3*1/2位A/D电路模块,字形译码驱动电路模块,显示电路模块,字位驱动电路模块。
3.3实验步骤
各个模块设计如下:
(1)基准电压模块
图图3基准电压模块
这个模块由MC1403和电位器构成,提供精密电压,供A/D转换器作参考电压。
(2)3*1/2位A/D电路模块
图图4位A/D电路模块
这个模块由MC14433和积分元件构成,将输入的模拟信号转换成数字信号。
(3)字形译码驱动电路模块
图5BCD-7段译码器MC4511
这个模块由MC4511构成,将二—十进制(BCD)码转换成七段信号。
(4)显示电路模块
图图6LG5641AH
这个模块由LG5641AH构成,将译码器输出的七段信号进行数字显示,读出A/D转换结果。
(5)字位驱动电路模块
图图7TD62003AP
这个模块由TD62003AP构成,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。
3.4元件功能及工作分析
1.3*1/2A/D转换器——MC14413
在数字仪表中,MC14413电路是一个低功率3*1/2位双积分式A/D转换器。
MC14413电路总框图如图4所示。
由图4可知,MC14413A/D转换器主要由模拟部分和数字部分组成。
使用时只要外接两个电阻和两个电容就能执行3*1/2位的A/D转换器。
(1)模拟部分:
图8为MC14413内部模拟电路的工作原理示意图。
其中共有3个运算放器A1,A2,A3和10多个电子模拟开关,A1接成电压跟随器,以提高A/D转换器的输入阻抗,由于采A1用CMOS电路,因此输入阻抗可达100MΩ以上。
A2和外接的R1、C1构成一个积分放大器,完成V/T即电压-时间的转换。
A3接成电压比较器,主要功能是完成“0”电平检出,由输入电压与零电压进行比较,根据两者的差值决定输出是“1”还是“0”。
比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号。
电容C0为自动调零失调补偿电容。
图图8模拟电路工作原理示意图
(2)数字部分:
其中四位十进制计数器为3*1/2位BCD码计数器,对反积分时间进行计数(0~1999),并送到数据寄存器;数据寄存器为3*1/2位十进制代码数据寄存器,在控制逻辑和实时取数信号(DU)作用下,锁定和存储A/D转换器结果;多路选择开关,从高位到低位逐位输出多路调制BCD码Q0~Q3,并输出相应位的多路选择脉冲标志信号DS1~DS4;控制逻辑,这是A/D转换的指挥中心,统一控制各部分电路的工作,它是根据比较器的输出极性接通电子模拟开关,完成A/D转换6个阶段的开关转换和定时转换信号,以及过量程等功能标志信号,在对基准电压VR进行积分时,令4位计数器开始计数,完成A/D转换;时钟发生器,它通过外接电阻构成的反馈,并利用内部电容形成振荡,产生节拍时钟脉冲,使电路统一动作,这是一种施密特触发式正反馈R-C多谐振荡器,一般外接电阻为360kΩ时,振荡频率则为100kHz,当外接电阻为470kΩ时,振荡频率则为66kHz,当外接电阻为750kΩ时,振荡频率则为50kHz。
若采用外时钟频率,则不要外接电阻,外部时钟频率信号从CLKI(10脚)端输出,时钟脉冲CP信号可从CLKO(11脚)获得;极性检测,显示输入电压VX的正负极性;过载指示(溢出),当输入电压VX超出量程范围时,输出过量程范围时,输出过量程标志
。
MC14413A/D转换器是双斜积分,采用电压-时间间隔(V/T)方式,通过先后对被测电压模拟量VX和基准电压VR的两次积分,将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔,用计数器测出这个时间间隔内的脉冲数目,即可得到被测电压的数字值。
双积分过程可以由下面的式子表示:
=-
=-
(1)
=-
=-
(2)
因
=
,故有
=
式中,T1=4000TCP。
T1是定时间,TX为变时间,由R1C1确定斜率,若用时钟脉冲数N来表示时间TX,则被测电压就转换成了相应的脉冲数,实现了A/D转换。
积分电阻电容的选择应根据实际条件而定,若时钟频率为66kHz,C1一般取0.1uF,R1的选取与量程有关,量程为2V时,取R1=470kΩ;量程为200mV时,取R1=27kΩ。
选取R1和C1的计算公式如下:
=
(3)
式中,△Vc为积分电容上充电电压幅度,
=
(4)
=0.5V
×
例如,假定C1=0.1uF,VDD=5V,fCLK=66kHz。
当VX(MAX)=2V时,代入(图9)式可得R1=480kΩ,取R1=470kΩ。
3*1/2A/D转换器设计了自动调零线路,其中缓冲器和积分器采用模拟调零方式,而比较器采用数字调零方式。
在自动调零时,把缓冲器和积分器的失调电压存放在一个失调补偿电容C0上,而比较器的失调电压用数字形式存放在内部的寄存器中,A/D转换系统自动扣除电容上和寄存器中的失调电压,就可得到精确的转换结果。
A/D转换器周期约需16000个时钟脉冲数,若时钟频率为48kHz,则每秒可转换3次,若时钟频率为86kHz,则每秒可转换4次。
MC14413采用24引线双列直插式封装,外引线排列如图4所示,各引脚端功能说明如下:
1端:
VAG,模拟地,是高阻输入端,作为输入被测电压VX和基准电压VR的参考点地。
2端:
VR,基准电压端,是外接基准电压输入端,若此端加一个大于5个时钟周期的负脉冲(VEE电平),则系统复位到转换周期的起点。
图图9MC14433顶视图
3端:
VX,是被测电压输入端。
4端:
R1,外接积分点阻端。
5端:
R1/C1,外接积分元件电阻和电容的接点。
6端:
C1,外接积分电容端,积分波形由该端输出。
7和8端:
CO1和C02,外接失调补偿电容端,推荐该两端外接失调补偿电容CO取0.1uF。
9端:
DU,实时输出控制端,主要控制转换结果的输出,若在比积分放电周期即阶段5开始前,在DU端输入一正脉冲,则该输出端继续输出锁存器中原来的转换结果,若该端通过一电阻和EOC短接,则每次转换的结果都将被输出。
10端:
CLKI,时钟信号输入端。
11端:
CLKO,时钟信号输出端。
12端:
VEE,负电源端,是整个电路的电源最负端,主要作为模拟电路部分的负电源,该端约为0.8mA,所有输出驱动电路的电流不流过该端,而是流向VSS端。
13端:
VSS,负电源端。
14端:
EOC,转换周期结束标志输出端,每一A/D转换周期结束,EOC端输出一正脉冲,其脉冲宽度为时钟信号周期的1/2。
15端:
,过量程标志输出端,当|VX|>VR时,
输出低电平,正常量程内
为高电平。
16~19端:
对应为DS4~DS1,分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端。
当DS端输出高电平时,表示此刻Q0~Q3输出的BCD码代码是该对应位上的数据。
20~23端:
对应为Q0~Q3,分别是A/D转换结果数据输出BCD代码的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位输出端。
24端:
VDD,整个电路的正电源端。
2.七段锁存-译码-驱动器CD4511
CD4511是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器,它由四位闩锁、七段译码电路和驱动器三部分组成,如图10所示。
图图10CD4511功能图
四位闩锁(LATCH):
它的功能是将输入的A、B、C和D代码寄存起来,该电路具有锁存功能,在锁存允许端LE端(即LATCHENABLE)控制下起闩锁电路的作用。
当LE=“1”时,闩锁器处于锁存状态,四位闩锁封锁输入,此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码;
当LE=“0”时,闩锁器处于选通状态,输出即为输入的代码。
由此可见,利用LE端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来,使输出不再随输入变化。
七段译码电路:
将来自四位闩锁输出的BCD代码译成七段显示码输出,MC4511中的七段译码器有两个控制端:
①
(LAMPTEST)灯测试端。
当
=“0”时,七段译码器输出全“1”,发光数码管各段全亮显示;当
=“1”时,译码器输出状态由
端控制。
②
(BLANKING)消隐端。
当
=“0”时,控制译码器为全“0”输出,发光数码管各段熄灭。
=“1”时,译码器正常输出,发光数码管正常显示。
上述两个控制配合使用,可使译码器完成显示上的一些特殊功能。
(3)驱动器:
利用内部设置的NPN管构成的射极输出器,加强驱动能力,使译码器输出驱动电流可达20mA。
CD4511电源电压VDD的范围为5V~15V。
它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。
图图11CD4511顶视图
CD4511采用16引线双列直插式封装(见图11)。
其真值表见表1。
表1
输入
输出
LE
BI
LT
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
暗
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
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0
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0
1
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0
0
0
0
1
0
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0
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0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
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0
0
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1
1
1
1
1
0
0
1
3
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0
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0
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1
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0
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1
4
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1
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5
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0
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1
1
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0
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9
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0
0
0
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0
0
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暗
0
1
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0
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0
暗
0
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1
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0
0
0
0
0
0
0
0
0
暗
0
1
1
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0
0
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0
0
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暗
0
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1
1
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0
0
0
0
0
0
0
暗
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
暗
1
1
1
X
X
X
X
取决于原来LE=0时的BCD码
使用CD4511时应注意输出端不允许短路,应用时电路输出端外接限流电阻。
3.七路达林顿驱动器阵列MC1413
MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构,因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗,可直接接受MOS或CMOS集成电路的信号,并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。
该电路内含有7个集电极开路反相器(也称OC门)。
MC1413电路结构和引脚如图12所示,它采用16引脚的双列直插式封装。
每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。
图图12MC1413引脚和电路结构图
4.高精度低漂移能隙基准电源MC1403
MC1403的输出电压VO的温度系数为零,即输出电压与温度无关。
该电路的特点是:
①温度系数小;②噪声小;③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△VO<3mV;④输出电压值准确度较高,VO值在2.475~2.525V以内;⑤压差小,适用于低压电源;⑥负载能力小,该电源最大输出电流为10mA,MC1403用8条引线双列直插标准封装,如图13所示。
图13MC1403顶视图
量程等功能标志信号,在对基准电压VR进行积分时,令4位计数器开始计数,完成A/D转换;时钟发生器,它通过外接电阻构成的反馈,并利用内部电容形成振荡,产生节拍时钟脉冲,使电路统一动作,这是一种施密特触发式正反馈R-C多谐振荡器,一般外接电阻为360kΩ时,振荡频率则为100kHz,当外接电阻为470kΩ时,振荡频率则为66kHz,当外接电阻为750kΩ时,振荡频率则为50kHz。
若采用外时钟频率,则不要外接电阻,外部时钟频率信号从CLKI(10脚)端输出,时钟脉冲CP信号可从CLKO(11脚)获得;极性检测,显示输入电压VX的正负极性;过载指示(溢出),当输入电压VX超出量程范围时,输出过量程范围时,输出过量程标志
。
4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。
5仿真电路步骤
(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,如图14示,出现挑选元件对话框,
图图14‘P’按钮
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,这样原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
6电路仿真
图15仿真原理图
7实验器材
(1)MC144331片
(2)CD45111片
(3)MC14131片
(4)MC14031片
(5)CC45011片
(6)74LS1941片
(7)LM3241片
(8)七段显示器4片
(9)电阻、电容、导线等
8实验总结
通过这次对数字电压表的设计学习,让我了解了设计电路的程序,也让我了解了数字电压表的原理和设计理念。
但是在做数字电压表设计时,由于对数字电压表的原理和电路的不了解,在查阅资料和上网阅读才对此设计了解了一些,但是总感觉还是没有彻底懂得!
思路还不是很清晰!
在设计中,对芯片MC14433的掌握感觉很难,还需要继续学习。
在画局部电路图中遇到很多问题,通过老师的提示和讲解才逐渐懂得如何应用。
从这次的电子技术课程设计中,我学到很多东西,例如proteus的入门和简单应用,还有一些电路原理方面的知识,丰富了我的知识面,对我以后的电子电路学习提供了帮助。
9参考文献
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高等教育出版社,1997.
[2]李振声,实验电子技术,北京:
国防工业出版社,2001.
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[11]何希才,新型电子电路应用实例,科学技术出版社,2005.
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