直流数学电压表的设计与制作(C题)

1、青海省第四届大学生电子设计竞赛设计报告编号：20130431题目：C直流数学电压表的设计与制作（C题）摘要：传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而直流数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。 数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，由电阻网络（量程调整）、直流放大（运放组成）、电压极性判断、A/D转换、数码（液晶）显示等部分组成。该表由于采用了微处理器和脉冲调宽模数转换技术，自动校零，数字模拟等技术，从而赋予本表极其稳定的零位和良好的线性和抗干扰能力，采用LED显示。本设计给出基于MC14

2、433双积分模数转换器的一种电压测量电路。数字电压表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。该系统由MC14433位半AD转换器、基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管等部分组成。 直流数字电压表具有如下特点：1显示清晰直观，读数准确；2准确度高；3分辨率高；4测量范围宽；5扩展能力强；6集成度高，功耗低；7抗干扰能力强。关键词：直流数学电压表 AD转换器MC14433 MC1403 目录摘要.1关键字.11. 系统设计.31.1 设计要求.3 1.1.1基本要求.3 1.1.2发挥部分.3 1.1.3说明.31.2 总体设计思路

3、与方案选择.31.2.1设计方案及原理.3 1.2.2方案比较及可行性分析 .42. 理论分析与计算.52.1电路衰减电路.52.2 A/D电路采样速率.52.3 超限报警电路.63. 电路硬件设计.63.1 电压衰减电路模块.6 3.2 基准电压模块与稳压电源模块. 73.3 A/D电路模块.8 3.4 字形译码驱动电路模块.83.5 显示电路模块.8 3.6 超限报警模块.84. 软件设计.9 4.1软件设计与硬件设计的关系.9 4.2稳压电源模块仿真结果.94.3 超限报警电路模块仿真结果.105. 数字电压表的安装调试.105.1 数码显示部分的组装与调试.105.2 标准电压源的连接

4、和调整.10 5.3 总装测试的方法与步骤.10 5.4 超限报警功能的测试.10 5.5 测定设计制作数字电压表的误差等级.106结论.11参考文献.11附录一 元器件清单.12附录二、芯片管脚图.13附录三：完整电路结构图.14附录四：完整电路仿真图.151.系统设计1.1 设计要求1.11基本要求（1）测量范围：10mV2V（2）量程：200mV，2V（3）显示范围：十进制数01999 （4）测量分辨率：1mV（2V档）（5）测量误差：±1（6）采样速率： 2次/秒（7）输入电阻：1MW（8）自制稳压电源。1.1.2发挥部分（1）测量范围：5mV10V（2）量程：200mV，2

5、V，10V（3）测量分辨率：0.1mV（2V档）（4）测量误差：±0. 5（5）具有自动校零功能（6）超限报警功能1.1.3说明设计报告正文应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图和主要的测试结果。完整的电路原理图和完整的测试结果可用附件给出。1.2总体设计思路与方案选择1.2.1设计方案及原理方案选择：根据设计要求和功能的实现，我们考虑了如下三个方案：（1）方案一基于MC14433的数字电压表方案一框图如下：方案一基于MC14433的数字电压表此方案是对电压量进行测试并显示的数字电路。对于交流可以采用桥式整流，通过电阻分压，再用放大器放大，把平均值转换为有效值，最后输送给双积

6、分型A/D转换器MC14433 Vx测试输入端。再通过CD4511七段锁存/译码器送到LED显示，成电压的测试。MC14433基准电压VREF可由恒压源提供,芯片本身有两个量程200MV、200mA此时对应电阻为470K、27 K。（2） 方案二CC7107数字电压表方案二原理框图如下：方案二CC7107数字电压表该方案把直流电压和交流电压转换电路直接同芯片CC7107连接组成，CC7107是CMOS 3 1/2位单片双积分式A/D转换器，它有极大的优点，它将模拟部分的如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字部分如振荡器、计数器、锁存器、译码器、驱动器、和控制器、逻辑电

7、路全部集成在一个芯片上。使用时只需接少量的电阻、电容和显示器件，就可以完成模拟量到数字量的转换。 （3）方案三MSC7106 TST106方案三原理框图如下：方案三MSC7106 TST106采用MSC7106型单片3 1/2位AC/DC转换器，配字高12、5mm（折合0.5英寸）LED显示器；通过TST106双积分A/D转换器驱动3位半LCD显示器做动态扫描显示。1.2.2方案比较及可行性分析方案一主要采用MC14433、CD4511作为显示部分，而且外围器件比较简单，只需电阻和电容即可。另外MC14433的抗干扰能力较强，需只在输入端增加一级RC高频滤波器，由R1、R2、C构成T型滤波器，

8、有两个作用：消除外界噪声干扰，提高仪表的信噪比；通过R1、R2起到限流作用，防止因输入信号电流过大而损坏芯片。MC14433本身功耗就很低，而且采用动态扫描每一刻只有一个数码管在亮这又省四分之一的电。采用本电路接线简单原理易明白，只需按原理把硬件电路接好就可以实现数字万用表的功能，无需软件上的编程，技术上易懂，即使是非专业人员也可以进行安装、调试、检修，而且器件价格合适，采购方便，为专业制作万用表的芯片。成本低，推广起来易实施。方案二主要采用CC7107，本芯片简单易实施，而且集A/D转换器、译码器、锁存器于一身，只需把个接线接到对应的接口就可以实现数字的显示，不过它采用全程扫描不是很省电。并

9、且本芯片可以组成数字称、狮子温度计、数字压力计、数字式水平仪等具有体积小、重量轻等数字仪表上。另外CC7107配有专门的小数点驱动信号，也可以显示负号、工作电压过低等信号。采用本方案接线简单，但所需接线5数量较多，因为它是对数码管的每一根脚进行控制，不过本芯片价格稍贵点，但只需一个芯片。方案三电路整体简单，能达到设计测量电压的目的，但与方案一和方案二相比所用器件较贵，性价比降低且电路稳定性差。MC14433与CC7107的区别比较见下表：项目MC14433CC7107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

10、）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个电容经过方案比较之后，由于

11、MC14433具有功耗低，外接元件少，输入阻抗高，电源电压范围宽，可测量正负电压值，精度高，调试简单等特点，且具有自动调零和自动极性转换功能。我们决定采用方案一。2.理论分析与计算2.1电路衰减电路要使量程为200mv，2v，10v,采用三个电阻串联分压设计，总电阻值为100K，当开关S1闭合时，为最小量程200MV；当开关S2闭合时，其量程为2V ,则(R2+R3)/100K=0.2/2；当开关S3闭合时，其量程为10V ,则R3/100K=0.2/1O，两式联理解得R2=8K,R3=2K,总电阻为100K,从而算出R1=90K。 2.2 A/D电路采样速率MC14433是双斜率双积分A/D

12、 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

13、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

14、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。2.3 超限报警电路要求能够达到超限报警的功能，则要使555多谐振荡器输出的频率在人耳可听到的范围之内，根据公式F=1.44/(R1+2R2)*C算出频率，其中R1=10K,R2=10K,C=100UF,由公式算出F=480HZ，满足条件，故能使用该方法达到超限报警功能。3.电路硬件设计 数字电压表原理框图如下由数字电压表原理框图可知,数字电压表由六个模块构成,分别是电压衰减电路，基准电压模块, 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.现简介各个结构如下

15、：3.1 电压衰减电路模块 16如下图中三个电阻串联分压设计，总电阻值为100K，当开关S1闭合时，为最小量程200MV；当开关S2闭合时，其量程为2V；当开关S3闭合时，其量程为10V. 量程转换电路图3.2 基准电压模块与稳压电源模块3.2.1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。基准电压模块电路图3.2.2稳压电源模块是通过LM7805让输出的电压为+5V，LM7905使输出电压为-5V,它们的电路图如下稳压电源模块电路图3.3 A/D电路模块直流数字电压表的核心器件是一个间接型A / D转换器，这个模块由MC14433和积分元件构成,将输入的模

16、拟信号转换成数字信号。 3.4 字形译码驱动电路模块 3.5 显示电路模块 这个模块由四个七段码显示器构成,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。3.6 超限报警模块这个模块由555定时器构成，产生超过量程的时候将会报警这一功能，其电路图如下：超限报警模块电路图4.软件设计 4.1软件设计与硬件设计的关系硬件设计和软件设计是电子设计中必不可少的内容，为了满足设计的功能和指标的要求，我们必须在开始设计时就考虑到硬件和软件的协调；不然不是造成硬件的浪费，就是增加软件实现时困难和复杂程度，甚至造成信号的断层，即使硬件和软件能单独使用，却不能使它们组成的系统工作。故在设计的过程中必

17、须考虑软硬件的处理能力以及它们的接口是否兼容，实现软硬件信号的过渡。其次设计时硬件之间应尽可能减小联系，只要把必要的信号线相连则可。这样做的优点是：首先，调试时可以减少很多不必要的麻烦，因为电路是相互独立的，帮在调整电路参数值时其影响和干扰小，在满足要求后可单独对各模块进行调整；再者，当出现问题时检查电路就容易缩小问题的范围，使得排错率高。由于硬件分离，在软件的调试时就可以单独针对相对应的模块。4.2稳压电源模块仿真4.2.1使用LM7805输出+5V的电压，其仿真结果如下：4.2.2使用LM7905输出5V的电压，其仿真结果如下：4.3 超限报警电路模块仿真结果 5. 数字电压表的安装调试5

18、.1.数码显示部分的组装与调试 5.1. 1 先将后三位数码管同名笔划段与显示译码CD4511的相应输出端连在一起，最高位数码管只将b、c、g三笔划段接入电路。 5.1.2插好芯片CD4511，试将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。 5.1.3用检查动态显示的方法分别检查数码管的显示数及选通情况。5.2. 标准电压源的连接和调整：插上MC1403基准电源，用标准检查输出是否为5V，然后调整1K电位器，使其输出电压为200MV，调整结束后去掉电源线。5. 3. 总装测试的方法与步骤5.3.1接线：按设计电路接好线路，并插上MC14433及MC1403等

19、芯片。5.3.2通电显示检查：接通+5V、-5V电源及地线，当输入端接地，此时显示器将显示“000”值，否则，应依次检测电源正负电压，用示波器测量、观察DS1DS4 ，Q0Q3波形，判别故障所在。5.3.3 电压粗测：调节输入电压VX 的高低，4位输出显示数码应相应变化，然后进入下一步精调。5.3.4测量基准校正： 用标准数字万用表（示波器）测量输入电压，调节电位器，使VX1.000V，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。5.3.5测量电压极性显示检查：改变输入电压VX极性，使Vi1.000V，检查是否有“” 显示，并校准显示值。5.3.6在200MV10V量程内再一次仔细

20、调整(调基准电压)使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。5.4超限报警功能的测试给系统加入一个高电压，此时蜂鸣器报警，便达到了超限报警的功能。5.5.测定设计制作数字电压表的误差等级分别列表记录输入电压为200MV,2V,10V时的标准数字电压表的测量读数与制作数字电压表的测量显示值，计算测量误差，确定仪器的测量误差等级。6结论本设计分为电压衰减电路模块，基准电压模块, 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，超限报警模块，很好的完成了所有的基本要求，如使得直流数字电压表的测量范围：10mV2V，量程：200mV，2V，显示范围：十进制数01999，测量分辨率：1mV（2V档），测量误差：±1，采样速率： 2次/秒，输入电阻：1MW同时也是通过LM7805与LM7905自制的稳压电源。同时也完成了所有的发挥部分，如测量范围：5mV10V，量程：200mV，2V，10V，测量分辨率：0.1mV（2V档），测量误差：±0. 5，具有自动校零功能，超限报警功能。回顾此次设计，感慨颇多,学到很多很多的的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次