三位半数字电压表毕业设计.docx

精品资料 欢迎下载xx课程设计报告 课程名称： 电子技术 综合课程设计题目名称：3 /1/2位数字电压表一课程设计的性质目的：课程设计的主要目的，是通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程设计要求应完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计也有助于复习巩固以往学习的模电数电内容，达到灵活应用的目的。在设计完成后，还要将设计的电路进行安装调试以加强个的动手能力。在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计任务同时注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面：独立工作能力和创造力。综合运用专业急基础知识，解决实际工程技术问题的能力。查阅图书资料产品手册和各种工具书的能力。熟悉常用电子一起操作使用和测试方法；工程绘图能力。写技术报告和编制技术资料的能力。二、 课程设计要求；采用中小规模集成电路、mc14433a/d转换器等电路进行设计三位半数字电压表。要求如下：1、直流电压测量范围 19990001v；199.90.1v；19.990.01v；1.9990.001v； 2、交流电压测量范围 1999199v；3、3位半数码显示。三、 方案设计及论证；方案一：数字电压表主要由数/模转换电路、单片机控制电路、显示电路等三部分组成。电路中涉及到的集成电路有74ls47、adc0804、at89c51。其中adc0809等器件组成的转换电路，将输入的模拟量信号进行取样、转换、然后将转换的数字信号送进单片机。单片机控制电路主要实现对数据进行程序处理；显示电路主要用于将单片机的信号数据转换后显示测量结果。模拟被测电压模数转换单片机芯片译码器数码管显示模拟量数字量程序处理驱动数码管方案二：根据系统功能实现要求，决定控制系统采用icl7106、四个共阴极led数码管。原理框图如下：led显示器 icl7106芯片 信号输入 +_基准电压分压电路振荡电路注：直流信号直接输入，交流信号通过整流、滤波后输入。方案三：本设计实际上是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示，主要由以下几部分构成：量程转换电路、ac-dc转换电路、3位半a/d转换单元电路、基准电源单元电路、译码驱动单元以及数码管显示单元。其中a/d转换器选用三位半mc14433，基准电源选用mc1403，译码驱动器则cd4511，另加四个共阴极led发光数码管。原理框图如下：参考电压源量 程转 换ac-dc 转换a/d转换器cd4511 译码器4位数码管交流电是否 方案比较：（1）项目mc14433icl7106转换速率310次/s0.115次/s输入阻抗1000m10000m基准电压2000v（200mv量程）1000v（100mv量程）2000v（2v量程）1000v（1v量程）封装形式dip-24dip-40电源电压双电源供电，电源电压范围是+4.5v+8v。一般取典型值+5v单电源供电，电源电压范围是715v，典型值为9v显示器共阴极led显示器lcd显示器显示方式动态扫描方式，驱动线少静态显示，驱动线多显示特点亮度高，亮暗对比度大，显示清晰，色彩绚丽，寿命长，功耗高亮度低，亮暗对比度小，寿命短，微功耗输出功能具有bcd码输出，可配计算机进行数据处理，自动控制自动打印结果无bcd码输出，不能配计算机或打印机外围电路需配基准电源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂外围电路简单，只需5个电阻和5个电容（2）方案一，此方案电路复杂，而且成本高，所以不选用此电路。方案二，此方案虽然能达到测量电压的目的，但是，电路复杂，稳定性差，因此不采用该电路。方案三，由于3位半双积分式a/d转换器mc14433可以满足设计要求，其转换精度为读数的0.05%1字，并能很方便地判断出是否超欠量程，以便于量程的自动切换功能的实现，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，另外价格只有10元多点，是较好的选择， mc1403集成精密稳压源作参考电压，mc1403的输出电压为 2.5v，当输入电压在4.515v 范围内变化时，输出电压的变化不超过3mv，一般只有0.6mv左右，输出最大电流为10ma因此选择方案三。四、方案三详细设计：1、单元电路设计与分析；（一）mc14433简介：在数字仪表中，三位半 ad 转换器 mcl4433电路是一个低功耗三位半双积分式 ad 转换器。和其它典型的双积分 a/d 转换器类似，mc14433ad 转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用 mc14433 时只要外接两个电阻(分别是片内 rc 振荡器外接电阻和积分电阻 ri)和两个电容(分别是积分电容 ci和自动调零补偿电容c0)就能执行 3位半的 ad 转换。（1）mc14433型3 位ad转换器具有以下特点：工作电压范围是4.5v8v。典型值为5v，功耗约8mw。ad转换精度：0.051个字（位十进制相当于11位二进制），转换速率为310次秒。具有自动调零和自动转换极性之功能。有多路调制的bcd码输出，可以方便的与微机相连，或打印记录。能获得超量程（or）和欠量程（ur）信号，便于实现自动转换量程。具有读数保持功能。采用共阴极led动态扫描显示方式，不仅降低了显示功耗，还使外部接线大为简化。（2）引脚说明：vag（1脚）：被测电压vx和基准电压vr的参考地。vr（2脚）：外接基准电压（2v或200mv）输入端当参考电压vr2v 时，满量程显示1.999v；vr200mv时，满量程为199.9mv。可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。vx（3脚）：被测电压输入端r1（4脚）、r1 c1（5脚）、c1（6脚）：外接积分阻容元件端c10.1f（聚酯薄膜电容器），r1470k（2v量程）；r127k（200mv量程）。co1（7脚）、co2（8脚）：外接失调补偿电容端，典型值0.1f。du（9脚）：实时显示控制输入端。若与eoc（14脚）端连接，则每次a / d转换均显示。cp1 （10脚）、cpo （11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为470k。cp1cp0端外接电阻r9330 k时，fo60hz，采样速率约为4次s。外接电阻变成165k，此时fo120khz，采样速率提高到8次s。vee （12脚）：电路的电源最负端，接5v。vss （13脚）：除cp外所有输入端的低电平基准（通常与1脚连接）。eoc（14脚）：转换周期结束标记输出端，每一次a / d转换周期结束，eoc 输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的二分之一。（15脚）：过量程标志输出端，当vxvr 时，输出为低电平。ds4ds1 （1619脚）：多路选通脉冲输入端，ds1对应于千位，ds2 对应于百位，ds3 对应于十位，ds4对应于个位。q0q3 （2023脚）：bcd码数据输出端，ds2、ds3、ds4选通脉冲期间，输出三位完整的十进制数，在ds1选通脉冲期间，输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。（3）mc14433 内部模拟电路实现了如下功能：1）提高 ad 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达 100m以上；2）和外接的 ri、ci构成一个积分放大器，完成 vt 转换即电压时间的转换；3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“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；4）与外接电容器 c0构成自动调零电路。(4)工作原理：三位半数字电压表通过位选信号ds1ds4进行动态扫描显示，由于mc14433电路的a/d转换结果是采用bcd码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的led发光数码管动态扫描显示。ds1ds4输出多路调制脉冲信号。ds选通脉冲高电平，则表示对应的数位被选通，此时该数据在q0q3端输出。每个ds选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期。两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。ds和eoc的时序关系是在eoc脉冲结束后，紧接着是ds1输出正脉冲。以下依次为ds2、ds3和ds4。其中ds1对应最高位（msb），ds4则对应最低位（lsb）。在对应ds2、ds3和ds4选通期间，q0q3输出bcd码全位数据，即以8421码方式输出对应的数字09。在ds1选通期间，q0q3输出千位的半位数。或1及过量程、欠量程和极性标志信号。在位选信号ds1选通期间q0q3的输出内容如下：q3表示千位数，q3代表千位数的数字。若其值为1，则代表千位数的数字显示为0；反之，若其值为0，千位数的数字显示为1。q2表示被测电压的极性，q2的电平为1，表示极性为正，即vx0，q2的电平为0，表示极性为负，即vx1999，则溢出；|vx|vr，则/or输出低电平。当/or=1时，表示|vx|vr。正常时/or输出高电平，表示被测量在量程内。精密基准电源mc1403a / d转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于a / d转换器的精度。本实验采用mc1403集成精密稳压源作参考电压，mc1403的输出电压为 2.5v，当输入电压在4.515v 范围内变化时，输出电压的变化不超过3mv，一般只有0.6mv左右，输出最大电流为10ma。七路达林顿晶体管列阵mc1413 mc1413采用npn达林顿复合晶体管的结构，因此有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受mos或cmos集成电路的输出信号，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。过载闪烁报警电路mc4013现利用双d触发器cd4013的一半作二分频器。 作触发器复位信号eoc作时钟脉冲。常态下，or1 q1 bi1，能正常显示；一旦发生超量程， or0，eoc信号经二分频后加至cd45511的 端，令显示器低频闪烁。1/2cd4013有两个作用：第一，将eoc窄脉冲变成方波；第二，对feoc进行二分频，降低闪烁频率以取得最佳报警效果。例如，当f050khz时，feocf0/164003hz，经二分频后f1.5hz方波，周期t0.67s。这样， 端就加上交替变化的高、低电平，强迫led显示器以1.5hz的低频进行闪烁，以示超量程报警。显示及小数点控制电路；从mc14433输出的bcd码经过cd4511译码后，连接到四个七段数码管，其中千位只连接b,c和g端，使其只显示1和负号。当vx2v时，or端呈低电平，mc4013分频使段译码驱动器cd4511的消隐控制端以0、1循环显示，使强迫共阴极显示器低频进行闪烁。位选通信号经过反相器分别接4只数码管的公共阴极，在ds1ds4位选通信号的控制下进行动态扫描显示。反相器有两个作用：第一，将ds1ds4反相成低电平有效，以便接led数码管的公共阴极；第二，增加驱动能力。利用mc1403向mc14433提供2v的基准电压，rp为精密多圈电位器。实选r2470k时f050khz。排阻为笔段限流电阻。负极性显示的原理是，当ds1（正好扫到千位）且vx0时，从q2端输出负极性信号（低电平），加至mc1413的第5脚。因mc1413属于集电极开路输出（oc门），故第12脚无输出，相当于开路。5v电压就经过限流电阻接千位led的g段，由于此时千位已被选中并且该位公共阴极接低电平，故g段发光，显示负极性符号。cd4511详细介绍a、b、c、d-bcd码输入端；a、b、c、d、e、f、g-译码输出端，输出“1”有效。lt-测试输入端，lt=“0”时，译码输出全为“1”；bi-消隐输入端，bi=“0”时，译码输出全为“0”；le-锁定端，le=“1”时译码器处于锁定状态，译码输出保持在le=“0”的数值，le=“0”为正常译码。cd4511的功能表如下：输入输出lebiltdcbaabcdefg显示字形xx0xxxx11111118x01xxxx0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111000000000消隐011x1110000000消隐111xxxx锁存锁存（七）读数保持电路；在eoc端与du端串入100k电阻。当开关s断开时能正常进行a/d转换，显示值被不断地刷新；闭合s时du0，a/d 转换结果就长期保持下来，此时a/d 处于锁存状态。保持时间即开关闭合时间。(八)量程开关 数字电压表的设计要求量程为： 0.0011.999v,0.0119.99v,0.1199.9v,01999v选mc14433的基准电压为2v,则其量程为0.0011.999v , 所以其他量程分别10 100 1000档位。电路如图用4个电阻串联进行分压，使进入mc14433电压均小于2vr4r3r2r119.99vvxmc144331.999v199.9v19999v图三 分压电路图 20(r2+r3+r4)/(r1+r2+r3+r4) =2 200(r3+r4)/ (r1+r2+r3+r4)=2 2000r4/ (r1+r2+r3+r4)=2取r4=1k则r1=900k r2=90k r3=9k（九）整流滤波电路电路一：v20k6.2krw6=10k10f20k39k10k10k10k图一 半波整流滤波电路此电路ic3为精密半波整流电路；ic4为平均值有效值变换电路ic3输入电压是经过衰减器和电压跟随后得到的，此交流电压被限制在2v以下，由ic3半波整流后，变换成平均值的，再经过ic4修正，使之成为电压的有效值。但是，该电路复杂，并且该电路只适用于小电流整流。因为，lm324的输出电流很小，约为几十毫安，不能作为电源电压的整流。所以不采用此电路。电路二：ia0.1ufcvinild4 d1d3 d2图二 单相桥式整流滤波电路电路为单向桥式整流电路，适用于大电压的整流，所以采用此电路。电路tr为电流变压器，它的作用是将交流电网电压v1变成整流电路要求的电压v2=sinwt，四支整流二极管d1d4接成电桥的形式。时，管子两端承受的是最大电压。在整流电路时,说过交流经过整流后有纹波,所以在1脚和3脚间加一滤波电路,如下图.r1 r2和c构成t型滤波器有两个作用:第一是消除外界噪声干扰,提高仪表的信噪比:第二是通过r1、r2起到限流作用,防止因输入信号的电流过大而损坏芯片.电路如下图：47k47k0.1f2、积分电阻电容的选择：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，ci一般取0.1f。ri的选取与量程有关。量程为2v时，取r为470k；量程为200mv时，取r为27k。选取ri和c的计算公式如下：ri=ux(max)*t/(ci*uc )式中，uc为积分电容上充电电压幅度, uc=vdd-ux(max)-u, u=0.5v;t=4000/fclk例如，假定 ci=0.1f，vdd=5v，fclk=66khz。当 ux(max)=2v 时，代入上式可得 ri=480k，取 ri=470k。mc14433 设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。mc14433ad 转换周期约需 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。限流电阻的选择：根据共阴极显像管（显示颜色不同管压降不同这里选用红色v）的管压降为1.7v-2.5,led管通10ma为宜。固限流电阻阻值为200。五、电路的安装与调试； 1、 数码显示部分的组装与调试； (1) 将4只数码管插入7号板，将4个数码管同名笔划段与显示译码的相应输出端连在一起，其中最高位只要将b、c、g三笔划段接入电路，按图接好连线，但暂不插所有的芯片，待用。 (2) 插好芯片cd4511与mc1413，并将cd4511的输入端a、b、c、d接至拨码开关对应的a、b、c、d四个插口处；将mc1413的1、2、3、4脚接至逻辑开关输出插口上。 (3) 将mc1413的2脚置“1”，1、3、4脚置“0”，接通电源，拨动码盘（按“”或“”键）自09变化，检查数码管是否按码盘的指示值变化。 (4) 检查译码显示是否正常。 (5) 分别将mc1413的3、4、1脚单独置“1”，重复(3)的内容。 如果所有4位数码管显示正常，则去掉数字译码显示部分的电源，备用。 2、 标准电压源的连接和调整； 插上mc1403基准电源，用标准数字电压表检查输出是否为2.5v，然后调整10k电位器，使其输出电压为2.00v，调整结束后去掉电源线，供总装时备用。 3、 总装总调； (1) 插好芯片mc14433，接电路全图接好全部线路。 (2) 将输入端接地，接通+5v，5v电源（先接好地线），此时显示器将显示“000”值，如果不是，应检测电源正负电压。用示波器测量、观察ds1ds4 ，q0q3 波形，判别故障所在。 (3) 用电阻、电位器构成一个简单的输入电压vx 调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。 (4) 用标准数字电压表（或用数字万用表代）测量输入电压，调节电位器，使vx1.000v，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。 (5) 改变输入电压vx极性，使vi1.000v，检查“”是否显示，并按(4)方法校准显示值。 (6) 在+1.999v01.999v量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。 至此一个测量范围在1.999的三位半数字直流电压表调试成功。 4、 记录输入电压为1.999，1.500，1.000，0.500，0.000时（标准数字电压表的读数）被调数字电压表的显示值，列表记录之。5、如图连接好量程选择电路，用电压表测试经过衰减后的电压的比例关系是否为1000：100：10：1，经过电压跟随器后，连接到mc14433的输入端。拨动量程开关到20v，输入电压为220v时，观察输出电压的数值。6、按图连接好ac-dc转换电路，设置一个交流/直流选择档，如果输入的是交流，则必须通过ac-dc转换电路，将交流电压的有效值转换为直流电压，这样才能通过mc14433进行a/d转换。 六、元器件列表元件名称型号个数a/d转换器mc144331七段译码器cd45111基准电源mc14031七路达林顿管mc14131双d触发器mc40131共阴极七段led显像管-4200-76.2k-110k-210k动变阻器-220k-239k-190k-1100k-2110k-1410k-1470k-2900k-11k-39m-110f-10.1f-2二极管in40014单刀三掷开关-1单刀四掷开关-1开关-2mc14433千位bcd码标志意义msd编码内容q3 q2 q1 q1bcd 7段数码显示+01 1 1 0不显示-01 0 1 0+0 ur1 1 1 1-0 ur1 0 1 1+11 1 0 04-1 (仅显示b和c段)-10 0 0 00-1 (仅显示b和c段)+1 or0 1 1 17-1 (仅显示b和c段)-1 or0 0 1 13-1 (仅显示b和c段)七、设计心得与体会 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。通过大量查阅资料和上网阅读才对此设计了解了一些，通过老师的提示和讲解逐渐是思路更加清晰，从中学到了很多的东西，学习到了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。在对原理有了了解之后，又通过在实验室真正动手实践后，明白了理论联系实际的重要性，不光是理论知识，动手能力也得跟得上。只有理论知识是远远不够的，必须把所学的理论知识与实践相结合起来。在设计中，对芯片mc14433的掌握感觉很难，位选信号端ds1,ds2,ds3,ds4，其功能为输出多路调制脉冲信号。ds选通脉冲高电平，则表示对应的数位被选通，此时该数据在q0q3端输出。每个ds选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期。两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。ds和eoc的时序关系是在eoc脉冲结束后，紧接着是ds1输出正脉冲。以下依次为ds2、ds3和ds4。其中ds1对应最高位（msb），ds4则对应最低位（lsb）。通过老师的提问，我觉得必须要把原理了解清楚才能更好的设计东西。在这次实验中我们将mc1413改用三极管反相器代替，在线的布局上要实用和走线简单，否则太乱很容易出错，我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻，在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。八、参考文献1康华光.电子技术基础.第四版.北京：高等教育出版社.1999年.447页2杨刚、周群.电子系统设计与实践.第一版.北京：电子工业出版社.2004年.337页3于淑萍.电子技术实践.第一版.北京：机械工业出版社.2004年.151页4卿太全、李萧、郭明朗.常用数字集成电路原理与应用.第一版.北京：人民邮电出版社.2006年.278页5沙占友.新型数字电压表原理与应用.第一版.北京：机械工业出版社.2006年.56页-73页6阎石.数字电子技术基础.第四版.北京：高等教育出版社.1983年.153页7吴慎山.电子线路设计与实践.第一版.版社.2005.161页b主要参考文献的题录及摘要1 汽车工程手册编辑委员会编.汽车工程手册(设计篇)m.人民交通出版社，2001.汽车工程手册：设计篇是由汽车界上千名技术专家、教授花费多年精力编写的我国汽车行业第一部工具书。本套书共分五册基础篇、设计篇、试验篇、制造篇、摩托车篇。本册为设计篇，共分十三章，分别是：商品规划、造型设计、发动机、传动系、制动装置、转向系、综合控制系统、车身、悬架、附属设备、车桥轮船车轮、先进设计技术、汽车产品的新发展。2 余强，陈荫三.在主动悬架系统中作用力产生装置模型的建立及性能分析j.西安公路交通大学学报.2001,21(