发光二极管显示的3位数字电压表的设计(共16页)

1、信息工程学院课程设计（论文）信息工程学院课程设计报告书题目: 发光二极管显示的3位数字电压表的设计 16摘 要电压表是测量仪器中不可缺少的设备，目前广泛应用的是采用专用集成电路实现的数字电压表。本系统以51单片机为核心，以双积分式A/D转换器MC14433、LED显示器为主体，设计了一款简易的数字电压表，能够测量0200V的直流电压，最小分辨率为0.1mv。该设计大体分为以下几个部分，同时，各部分选择使用的主要元器件确定如下：1、单片机部分。使用常见的AT89S51单片机，同时根据需要设计单片机电路。2、测量部分。该部分是实验的重点，要求将外部采集的模拟信号转换成数字信号，通过单片机的处理显示

2、在显示器上，该部分决定了数字电压表的精度等主要技术指标。根据需要本设计采用双积分式A/D转换器MC14433进行模数转换。3、键盘显示部分。利用4×6矩阵键盘的所有按键控制量程的转换，3或4位LED显示。其中一位为整数部分，其余位小数部分。索引关键词：AT89S51单片机 模数转换 LED显示 目 录1 任务提出与方案论证61.1 课程背景61.2 研究的目的及意义61.3 设计任务61.4 设计方案论证62 总体设计82.1 数字电压表组成原理方框图83 详细设计93.1 输入电路93.2 A/D转换模块的设计93.3 显示电路模块的设计134 总结17参考文献18 1 任务提出与

3、方案论证 1.1 课程背景在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的参中以电压的测量较为常见，以传统的模拟式电压表结构简单，价格低廉，模拟交流电压表的频率范围比较宽，因而在电压测量尤其高频电压测量中得到广泛应用。但由于表头误差和读数误差的限制，加之模拟式电压表的灵敏度和精度不高，从50年代逐步发展起了数字式测量电压方法，它是利用模拟数字转换器，将连续的模拟量转换成离散的数字量，然后利用十进制数来显示被测量的数值的一种电压测量仪表。1.2 研究的目的及意义电压是工业控制中主要的被测参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油化工等工业中，具有举足轻重的作用

4、。对于不同场合，不同工艺，所需电压高低范围不同；精度不同，采用的被测元件，测压方法，以及对电压的控制方法也不同；时效不同则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因此对电压的测控方法也多种多样。随着电子技术和微机的迅速发展，数字式仪表的绝大部分电路都以集成化，又因为摆脱了笨重的指针式表头，数字式仪表显得格外精巧、轻便。更主要的，它具有精确度高、数字显示、输入阻抗高、测量速度快、自动化程度高、功能多样。当前，数字式电压表的缺点是交流测量时的频率范围不够宽，一般上限频率1MHz以下。 1.3 设计任务设计一台三位半直流数字电压表，主要技术指标如下：（1） 测量范围：直流分五档，200mv，2v，2

5、0v，200v，1000v,其中基本量程为200mv；（2） 测量速度2-5秒；（3） 分辨率0.1mv（4） 测量误差（5） 输入电阻（6） 主要功能：具有正负极性显示，超量程显示，量程自动转换、小数点显示等功能。1.4 设计方案论证数字电压表主要由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器、基准电源等，数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器将输入的模拟量转换成数字量，逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成笔端码，最后驱动显示器显示相应

6、的数值。A/D转换器是数字电压表的核心部件，对它的选择有以下两种方案。方案一：采用双积分A/D转换器CC7107/CC7106,它是大规模集成芯片，将模拟电路和数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，包含了A/D转换、逻辑控制、译码驱动等电路，只需外接少量元件就能组成三位半数字电压表。方案二：采用双积分A/D转换器MC14433，它是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟部分和数字部分的电路集成在同一芯片内。使用时仅需外界两只电阻和两只电容，就可组成一个具有自动调零和自动极性转换功能的A/D转换系统。MC14433用作数字电压表时CC14433有两个基本电压量程。即满刻度为1.999V和199

7、.9V。与CC7017/CC7106相比。CC14433的引脚数要少，它只有27个引脚，需外接的元件也相应减少，因此选用MC14433来设计数字电压表。2 总体设计2.1 数字电压表组成原理方框图直流数字电压表的组成原理框图如图2.1所示。 2.1 数字电压表组成原理方框图根据数字电压表的组成原理（如图2.1所示），可知它应是有输入电路，A/D转换器，计数器，显示电路，逻辑控制电路，时钟电路等几部分组成。现分模块进行电路设计。3 详细设计3.1 输入电路输入电路的作用一是要适应各种被测电压的测量即扩大量程，为适应MC14433A/D转换器对输入信号电压的要求（V <200mv）。所以对大

8、于200mv的被测电压，必须采用衰减器将其变换成小于或等于200mv的输入电压；而是要提高电压表的输入阻抗。所以衰减器应是一个高阻分压器。由于用作直流测量，所以不必加补偿电路。输入电路如图3.1所示，测量量程为200mv、2v、20v、200v、1000v共5个档位。 3.1 输入电路3.2 A/D转换模块的设计3.2.1 MC14433三位半A/D转换器简介MC14433采用双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路技术设计，具有功率低、精度高、功能完整、使用简单及与微机或其他数字电路兼容等优点。特性：转换精度：电压量程：1.999V和199.9mv两档。量程的扩展通过外

9、加控制电路实现。转换速率：4-10Hz，相应时钟频率变化范围为50-150kHz。输入阻抗：大于100M欧姆。工作电压范围：正负4.5正负8V或916V。典型功耗：当电压为正负5V时，功耗为8mW。外形封装：24引脚双列直插式。片内具有自动极性转换和自动调零功能。有过量程和欠量程标志信号输出，配上控制电路可以完成自动量程切换。片内提供时钟脉冲发生电路，使用时只需外接一电阻，也可以使用外部输入时钟，时钟频率范围为50150kHz。外接单一正电压基准，基准电压值和量程有关，当量程为1.999V时，基准电压为2V，当量程为199.9mV时，基准电压为200mV。转换结果输出形式为经过多路调制得BCD

10、码，并有多路调制选通脉冲输出，通过外接译码电路可实现LED动态扫描显示或LED显示。MC14433引脚图如图3.2所示。图3.2 MC1433引脚图3.2.2 MC14433的引脚功能为：1端： ，模拟地，为高阻抗输入端，作为输入被测电压和基准电压的地。2端： ，基准电压，为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，则系统复位到转换周期的起点。3端： ， 输入被测电压，为被测电压输入端。4端： ，外接积分电阻端。5端： ，外接积分元件端。6端： ，外接积分元件端，积分波形输出端。7端： ，外接失调补偿电容端。8端： ，外接失调补偿电容端。9端：DU ，实时输出控制端，主要控制转

11、换结果的输出，若在双积分放电周期开始前DU端输入一正脉冲，则该转换周期所得到的转换结果将被送入输出锁存器经多路开关输出，否则输出端就继续输出锁存器原来的转换结果。在使用中，若该端和14端（EOC）输出连接，则每一转换周期的结果都将被输出。10、11端：CLK1、CLK0，时钟信号输入、输出端。12端： ，负电源端。是整个电路的电源负端，主要作为内部模拟部分的电源，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向端。13端： ，数字地。14端：EOC，转换周期结束标志输出。每个A/D转换周期结束时，EOC端输出一正脉冲，宽度为时钟信号周期的1/2。15端：OR，溢出标志输出。当>时，OR输出低电

12、平，平时OR为高电平。1619端：DS4、DS3、DS2、DS1，多路调制选通脉冲信号输出的个位、十位、百位、千位。2023端：、，A/D转换结果输出信号BCD码，为MSB位。24端：，正电源端。3.2.3 MC14433 A/D转换器外围电路的设计1.电路组成MC14433的外围电路如图3.3所示。由图中可知，它由核心芯片MC14433及基准电源MC1403芯片组成。可将输入被测电压变换成BCD码输出，供显示电路显示。 图3.3 外围电路2.MC1403简介MC1403的输出电压Vo的温度系数是零，即输出电压与温度无关。该电路的特点是：温度系数小;噪声小；输入电压范围大，稳定性能好，当输入电

13、压从+4.5V变化到+15V时，输出电压变化量Vo<3mV；输出电压值准确度高，Vo值在2.4752.525V以内；压差小，适用于低压电源；负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。3.2.4 MC14433的工作原理 3位半数字电压表通过位选信号DS1-DS4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发光二极管动态扫描显示。DS1-DS4输出多路调制选通脉冲信号，DS选通脉冲为高电平，则表示对应的数位被选通，此时该数位在Q0Q3端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉

14、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=0 代表千位数的数字显示为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UX&

15、gt;0，Q2的电平为0，表示极性为负，即UXX为负电压时，Q2端输出置“0”， Q2 负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻RM 使显示器的“-”(即g 段)点亮；当输入信号UX为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“-”旁路而熄灭。小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点。若量程不同则选通对应的小数点。过量程是当输入电压UX超过量程范围时，输出过量程标志信号OR 。 当Q3=0 且 Q0=1时，表示Ux处于过量程状态。当Q3=1 且 Q0=1时，表示Ux处于欠量程状态。当OR = 0 时，|Ux|>1999，则溢出。|Ux|>

16、;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MC4511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 ，MC4511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。 3.3 显示电路模块的设计3.3.1 显示电路的组成数字显示电路由七段锁存-译码-驱动器CD4511和七路达林顿驱动器阵列MC1412组成，如图3.5所示。 图3.5 显示电路3.3.2 数字显示电路的工作原理1. CD4511简介CD4511是一个用于驱动共阴极LED显

17、示器的码七段码译码器，特点如下：具有转换、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。1）CD4511的引脚，如图3.6所示。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。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。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有8两个引脚8、16表示的是VDD、VSS。 图3.6 CD4511的引脚图2）CD4511的功能表。CD4511的功能表如表3.1所示。输入

18、输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐11

19、1XXXX锁存锁存3）工作原理（1） 锁存功能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的电平状态控制。在图3.9中，当LE为0时，TG1导通，TG2截止；当LE为1时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。（2） 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。（3）消隐BI为消隐功能段，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐输出J的电平为J=（C+B）D+BI。如不考虑消隐BI项，使得J=(B+C)D，据上式，当输入BCD代码从10101111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。2.MC1413 简介MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有较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