三位半数字电压表设计.doc

1 设计目的此次课程设计主要目的，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。课程设计应强调以培养能力为主，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：1.独立工作能力和创造力。2.综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。3.查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。4.熟悉常用电子操作使用和测试方法。5.工程绘图能力。6.写技术报告和编制技术资料的能力。二设计要求1.利用所学知识，或通过网上资源和书籍资料，设计三种数字电压表的方案，写出设计要求，绘制功能框图，并对三种方法加以比较。2.技术指标要求为：直流电压测量范围 19990001V；199.90.1V；19.990.01V；1.9990.001V； 交流电压测量范围1999199V。 3选择MC14433A/D转换器、CD4511等元器件设计3 1/2 位数字电压表，绘制电路原理图。写出元器件的功能，列出元器件清单。4.画出整机原理图以及整机接线图。5.组装并调试设计电路，自行排除故障。6.总结设计过程，写出设计体验及收获。三设计方案 1. 选择MC14433A/D转换器、CD4511等元器件设计电路：基准参考电压量 程转 换整流滤波A/D转换器译码器4位数码管交流直流U2. 用51单片机设计电路：数码管驱动程序处理数字量模拟量数码管显示译码器单片机芯片模数转换模拟被测电压设计采用AT89C51单片机、AD转换器ADC0808和共阳极数码管为主要硬件，分析了数字电压表Proteus软件仿真电路设计及编程方法。将单片机应用于测量技术中，采用ADC0808将模拟信号转化为数字信号，用AT89C51实现数据的处理，通过数码管以扫描的方式完成显示。显示电路电压转化芯片INC7107被测电压 3. 选用专用电压转化芯片INC7107设计电路：双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。方案比较： 方案1：3位半双积分式A/D转换器MC14433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。缺点是工作速度低，且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。方案2：设计电路简单，易于控制，且性能较稳定；但调试过程需要一定的编程基础，可利用Proteus软件仿真电路设计和调试。Proteus软件是一种电路分析和实物模拟仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以进行仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大，具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点，因此可用此软件方便调试电路。方案3：利用专用电压转化芯片INC7107设计电路，思路简单，易于设计及调试；但是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。四电路设计1.取样电路 此设计采用分压取样原理，利用900K、90K、分段取压，以保障取样电压在芯片工作范围之内。2.整流电路 桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路,只要增加两只二极管口连接成桥式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。桥式整流电路的工作原理如下:e2为正半周时,对D1、D3和方向电压,Dl,D3导通;对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz 、D3通电回路,在Rfz ,上形成上正下负的半波整洗电压,e2为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2、D4导通;对D1、D3加反向电压,D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路,同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。 需要特别指出的是,二极管作为整流元件,要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当,则或者不能安全工作,甚至烧了管子;或者大材小用,造成浪费。另外,在高电压或大电流的情况下,如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件,可以把二极管串联或并联起来使用。MC14433A/D转换器在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式A/D转换器。和其它典型的双积分A/D转换器类似，MC14433A/D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。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)就能执行三位半的A/D转换。 MC14433内部模拟电路实现了如下功能：（1）提高A/D 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00M以上；（2）和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成V/T 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。除“模拟电路”以外，MC14433 内部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数(01999)，并锁存于三位半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，实现A/D转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1DS4实现三位半数码的扫描方式（多路调制方式）输出。MC14433内部的控制逻辑是A/D 转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压VREF 进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成A/D 转换。MC14433内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井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RC 多谐振荡器，一般外接电阻为360k时，振荡频率为100kHz；当外接电阻为470k时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750k时，振荡频率为50kHz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI(10脚)端输入，时钟脉冲CP 信号可从CPO(原文资料为CLKO)(11脚)处获得。MC14433内部可实现极性检测，用于显示输入电压UX 的正负极性；而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压Vx 超出量程范围时，输出过量程标志OR（低有效）。MC14433是双斜率双积分A/D 转换器，采用电压时间间隔(V/T)方式，通过先后对被测模拟量电压UX和基准电压VREF 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对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解：首先对被测电压UX 进行固定时间T1、固定斜率的积分，其中T1=4000Tcp。显然，不同的输入电压积分的结果不同（不妨理解为输出曲线的高度不同）。然后再以固定电压VREF 以及由RI,CI所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，则该数N就是被测电压对应的数字量。由此实现了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，CI一般取0.1F。RI的选取与量程有关，量程为2V时，取RI为470k；量程为200mV时，取RI为27k。 选取RI 和CI 的计算公式如下：式中，UC为积分电容上充电电压幅度,UC = VDD - UX(max) - U,U = 0.5V,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。MC14433A/D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。 MC14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考图的引脚标注，各主要引脚功能说明如下： (1) 端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。(2) 端：RREF，外接基准电压输入端。(3) 端：UX，是被测电压输入端。(4) 端：RI，外接积分电阻端。(5) 端：RI/CI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6) 端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容C0取0.1F。(9) 端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则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：CPI (CLKI)，时钟信号输入端。(11) 端：CPO (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，该端典型电流约为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：OR ，过量程标志输出端，当|UX|VREF 时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。(16)(19) 端：对应为DS4DS1，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Q。Q3 输出的BCD 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。CD4511译码器引脚功能：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。.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AD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输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在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(MSD)，DS4则对应最低位(LSD)。在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0Q3输出BCD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0或l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=0代表千位数的数宇显示为1，Q3=1代表千位数的数字显示为0。Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即UX0，Q2的电平为0，表示极性为负，即UX1999，则溢出。|UX|UR则OR 输出低电平。当OR = 1时，表示|UX|UR 。平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内。MC14433的OR端与CD4511的消隐端BI 直接相连，当UX超出量程范围时，OR输出低电平，即OR = 0 BI = 0 ，CD4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。.整体电路此设计电路由取样电路、整流滤波电路、MC14433A/D转换器 、CD4511译码器、反相器、数码管等部分组成，具体结构及元器件清单如下：五实验调试我们分小组在实验室的电工技术实验台对所设计的电路进行了调试，调试过程如下：1. 测试导线及数码管等分立元器件的性能是否良好，保证导线及分立元器件能正常工作。2. 分块搭接电路，分别测试整波电路、MC14433A/D转换器及CD4511等接线后是否能正常工作，用示波器观察MC14433A/D转换器的输出波形，并与理论波形比较，调试使其正常输出。3. 将分立电路整体连接，输入电压，观察数码管是否正常显示数值，并与标准数字电压表进行对照，计算误差。4. 调整电路的稳定性，使数码管显示数值尽量在小范围内波动或不波动，使测试数值更精确。5. 总结调试过程中出现的问题以及针对此问题的解决方法，总