数字化测量技术实验指导书(新)

1、数字化测量技术实验指导书沙占友 睢丙东 编河北科技大学信息学院电子信息工程系2006.11修改实验一 动态扫描与无效零自动消隐电路设计一、实验目的目前，动态扫描及无效零自动消隐技术已被广泛用于新型数字仪表、智能仪器和微机系统中。1. 动态扫描显示所谓动态扫描显示，就是让各位数码管按照一定的顺序轮流显示，其显示效果和常规的静态驱动相同。与静态驱动相比，动态扫描显示具有以下优点：第一，能显著降低显示器的功耗，这对于采用电池供电的便携式数字仪表尤为重要；第二，能大大减少显示器的外部引线，给印刷电路板的设计和安装带来方便；第三，能采用BCD码多路输出的方式，不仅使译码、驱动电路大为简化，还可以与微机相

2、连；第四，只要位扫描信号频率足够高，由于人眼的“视觉暂留”现象，就观察不到闪烁现象。正是由于动态扫描显示具有上述优点，许多专用大规模集成电路（例如ICM7216、MC14433）都采用了这种工作方式。实现动态扫描的方案很多，大体上可以分成两类：第一类是利用位选通信号直接驱动各位LED显示器（必要时中间可加达林顿驱动器）；第二类是把位选通信号加至译码驱动器的消隐控制端，间接的控制LED显示器的亮灭。本实验选择第二类方案（第一类方案将在实验四中介绍）。2. 无效零自动消隐所谓无效零，包括下述两种情况：第一种：整数前面的零均属于无效零（亦称前导零）；第二种：小数点后面的无效零。如果显示出无效零，既不

3、符合人们的读数习惯，也给观察和记录带来不便，还增加了显示功耗。近年来，新型数字IC的问世，为设计自动消隐无效零的电路提供了便利条件。本实验目的：（1）通过实验，了解动态扫描显示及无效零自动消隐的特点，设计方案及应用。（2）通过实验，掌握利用译码驱动器14513和节拍发生器4017实现动态扫描显示的电路设计。（3）通过实验，掌握用14513进行级联，实现无效零自动消隐的电路设计。二、预习内容动态扫描与无效零自动消隐实验板的总电路如图1所示。1. 电路工作原理由R34、R35、C3组成的两级反相RC振荡器，振荡频率fo30kHz，经过4060逐级分频，从中即可选出合适的频率作为扫描频率fs。一般要

4、求fs50N（Hz），N是显示器的位数，若为观察动态扫描的特殊效果，也可选低频扫描频率，此时将会看到闪烁现象。将扫描频率fs加至4017的CP端。并将Y4与Cr端短接，使4017按照每四拍一个循环来工作。输出的拍脉冲Y0Y3分别接四片14513的端，即可控制各位数码管扫描显示。加法计数器由两片4518进行级联后构成，输出的BCD码送14513进行译码，计数脉冲fCP也取自4060。本电路具有无效零自动消隐之功能（个位属于保留位），此外还增加了开机自动复位电路。2. 主要元器件明细表名 称型 号数 量锁存、译码、驱动器145134片14级二分频器40601片节拍发生器40171片双BCD同步加法

5、计数器45182片六反相器40691片共阴红LED数码管KD-5101AB4只R0R27RJ-0.25W-330 28只R28R33RJ-0.25W-100k6只R34RJ-0.25W-47k 1只R35RJ-0.25W-15k1只R36RJ-0.25W-10k1只C1、 C20.01F聚丙稀电容2只C31000 pF聚丙稀电容1只复位键、灯测试键TP801B键2只电源线自制2根短路线自制2根3. 电路实验板的设计特点（1）采用双面印刷板，用+5V电源供电，印制板上端有电源插座。（2）设有灯测试键，按下该键个位显示全亮笔划“8”。（3）拔掉4017后，四位显示器作静态显示，此时显示功耗将明显增

6、大。（4）扫描频率可以选择。（5）计数频率可以选择。（6）为便于观察，显示器安装在实验板的正面。4. 做试验前要求熟悉并掌握以下内容（1）14513的引脚功能，接线特点，实现动态扫描及无效零自动消隐的电路设计方法。（2）4518的级联方法。（3）4060的逻辑功能。（4）4017的逻辑功能及如何实现四拍一循环。有关4017的内容参见课本相关章节。（5）扫描频率的正确选择。（6）由门电路组成的开机自动复位及手动复位电路。（7）两级反相RC振荡器的工作原理。（8）与实验相关仪器的正确使用方法。（9）拔插集成电路的正确方法。三、实验仪器1. HY1711-2型直流稳压电源 1台2. SS7802型双

7、踪示波器 1台3. VC890D型数字万用表 1块4. 小螺丝刀 1把四、实验内容1. 给直流稳压电源通电，把输出电压调整到+5V。2. 接通实验板电源。注意！电源极性不得接反，否则会烧毁IC。3. 用示波器观察并绘出下述波形，同时根据测出的周期，估算出频率值。用示波器测波形时，把测试探头的地线夹到实验板右下脚的GND环上，测试探头钩到相应的测试环上。（1）4060第9脚（CP0）、第6脚（Q7）、第3脚（Q14）。从中选出一个合适的频率作为扫描频率fs，并用短路线将该端与实验板右下脚的CLK插孔接通。再选一个频率输出端作为4518的计数频率fcp，并用短路线将该端与实验板左下脚CP插孔接通。

8、（2）观察4017第3脚（Y0）、第2脚（Y1）、第4脚（Y2）、第7脚（Y3）的波形。（不需要再测周期）。观察Y3的电压幅度是否接近5V。4. 观察作动态扫描时的显示特点。5. 将VC890D拨至200mA DC挡，串接在一个电源进线端，测出总电流值（使用微功耗CMOS IC时，可认为此电流即显示电流），注意测电流时应在显示8888时读数。6. 将fs（CLK端）接至最低扫描频率，观察慢扫描的显示特点。7. 把fcp（CP端）接至最低计数频率，按下复位键（RESET）后，观察无效零自动消隐的特点。8按下复位键，再按下灯测试键（LT），观察个位是否显示全亮笔划。并测出此时的显示电流（一位全亮笔

9、划电流）。9关闭稳压电源后，用螺丝刀将4017轻轻翘起，拔下。先把VC890D（200mA DC挡）串入电源进线端，再打开电源，观察静态显示特点，并测出显示8888时的静态显示总电流。待测试完毕关掉电源，插上4017。10检查开机自动复位和手动复位。用示波器观察R32下端输出的复位脉冲波形和幅度。11关机，清理实验台和实验室。五、实验报告要求1. 整理数据，绘波形图表1 在不同显示方式下的显示功耗比较显示方式I/mAUDD/VP/W动态扫描显示静 态 显 示全亮笔划显示说明： I是用VC890D 200mA DC挡测得的总电流； UDD是电源电压； 全亮笔划显示要折合成4位来计算。表2 主要波

10、形测 试 端波 形周 期T / s频 率f / HzCP0Q7Q142. 简述4060、4017、14513进行动态扫描时的接线要点。3. 简述用14513实现无效零自动消隐时的接线要点。4. 通过实验总结出动态扫描显示及无效零自动消隐的优点。5. 说明R28R31的作用，为何拔掉4017后就变成静态显示？6. 说明R36之作用，为何按下LT键后个位可显示全亮笔划？7. 简述复位电路工作原理。8. 通过实验你有何体会和收获？实验二 单片开关式集成稳压器电路设计与调试一、实验目的开关电源被誉为高效节能电源，由于内部器件工作在高频开关状态，所以它本身消耗的能量很低，电源效率可达85%，甚至90%以

11、上，比普通线性集成电源（即串联调整式稳压电源）提高了将近一倍。开关式集成稳压器代表了稳压电源的发展方向。最初它只是用在通信卫星和宇宙飞船中，而现在愈来愈多的电子计算机、电子仪器设备、彩色电视机都普遍采用开关电源，开关电源的迅速推广，必将产生巨大的经济效益。开关电源大多采用脉宽调制（PWM）方式，通过改变脉冲宽度来调节输出脉冲的占空比D，维持输出电压UO不变。随着功率集成技术的发展，目前已能把功率开关管也集成在脉宽调制器的芯片中，封装成单片开关式集成稳压器，使外围电路大为简化。单片开关式集成稳压器的问世，更为开关电源的推广和普及创造了良好的条件。单片开关式集成稳压器的典型产品有ST公司生产的L4

12、960（2.5A）。 本实验目的： 1. 通过实验，了解开关电源“高效、节能”的显著特点。 2. 掌握单片开关式集成稳压器L4960的电路设计。 3. 掌握L4960的调节原理及方法。二、预习内容1. 元器件明细表名 称型 号数 量单片开关式集成稳压器L49601片快恢复电流二极管ESAC85M（8A，90V）1只储能电感L150H1只R1RJ-0.25W-15k1只R2RJ-0.25W-4.3k1只R3RJ-0.25W-2.2k1只实芯电位器RPWS20-15k1只C13300F/50V电解电容1只C22200pF聚丙稀电容1只C30.033F聚丙稀电容1只C42.2F电解电容1只C5 ，

13、C6220F电解电容2只连接线自 制4根铝散热板自 制1块2. L4960的工作原理L4960采用7引线的S-7（即TO-220）封装，使用时需加散热器，输入电压范围UI=946V，输出电压范围UO=5.140V，最大输出电流IOM=2.5A，最大输出功率POM=100W，占空比调节范围D=0100%，电源效率可达90%以上。L4960内部框图见课本，主要包括：5.1V基准电压源和误差放大器；锯齿波振荡器；PWM比较器和功率输出级；软启动电路；输出限流保护电路；芯片过热保护电路。C1是输入端滤波电容，R1、C3误构成差放大器的频率补偿网络，R2、C2是锯齿波振荡器的定时电阻和定时电容。振荡频率

14、f0 =1/R2C2。现取R24.3k，C2=2200pF，则f0100kHz。C4是软起动电容，以保证输出电压缓慢的建立，对芯片起到保护作用。L是储能电感，C5是储能电容兼滤波电容，VD1是续流二极管。取样电阻R3、R4组成分压器，改变两电阻的比值即可调节输出电压UO，有关系式UO=L4960的基本工作过程是：输出电压UO经过R3、R4取样，送到误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的5.1V基准电压进行比较，得到误差电压Ur，再用Ur的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和输出电路，使UO保持不变。 3L4960的应用电路L4960的应用电路见图2。R4采用15k实芯电

15、位器，R3取2.2k。利用公式不难求出，当R40时，UO5.1V；当R415k时，UO=。输出电压调整范围为5.140V。由于本实验板的UI取自直流稳压电源，限定为30V，故输出电压的实际调整范围约为5.128V（空载时可达29V）。实际电路将C5与C6并联后作为滤波电容，以减小等效电感。设计电路时应将信号地线与功率地线分开布置，最后在输出端汇合。4使用注意事项（1）L4960本身最大功耗为7W，使用时必须设计合适的铝散热板。（2）尽管L4960内部有较完善的保护电路，仍须防止输出端短路。特别是带负载后，短路时间一旦超过规定时间，就会造成稳压器的永久性损坏！图2（3）为防止损坏芯片和滑线变阻器

16、，做实验时，输入电压不得超过30V，输出电流（即负载电流）不得超过1A。例如，在极端情况下，取UO30V，IO1A，则负载电阻RL30。使用滑线变阻器作负载时，要求RL30！三、实验仪器1. HY1711-2型直流稳压电源 1台2. SS7802型双踪示波器 1台3. VC890D型数字万用表 1块4. RXH-A14型滑线变阻器 1台5.小螺丝刀 1把四、实验内容1. 给直流稳压电源通电，将电源电压（即L4960的输入电压UI）调整到30V。2. 接通实验板输入电压UI的电源。注意！先按正确极性连线，后打开稳压电源。3. 用示波器观察L4960第5脚的波形，画出波形图，并根据测出的周期，算出

17、振荡频率fo值。4. 空载实验（不接负载） 切断电源，将R4调整到0位置（用小螺丝刀将RP逆时针转到头）。打开电源，利用数字万用表的20V DC挡测UO值。 将R4调整到最大阻值（用小螺丝刀将RP顺时针转到头）。用数字万用表的200V DC挡测UO值。记下UO空载调整范围。5. 带负载后的实验（R4仍保持在最大阻值）： 关闭电源，接上滑线变阻器作为假负载RL。 将RL调整到200位置（可用数字万用表的2k挡检测电阻值）。打开电源，利用数字万用表的200V DC挡测UO值。 将RL分别调至100，50，30位置，重复步骤的内容。注意：调RL之前必须先关掉电源，并且RL不得低于30，更不得短路！为

18、保证RL值准确，每次调整时要用数字万用表的200挡检测RL电阻值，符合实验要求后才允许通电实验。6. 在负载RL30的情况下，维持UI30V不变，用螺丝刀调整RP，同时用数字万用表的200V DC挡测UO值，观察UO能否连续变化。同时用示波器观察L4960第7脚波形，了解占空比的变化规律：DUO，DUO。7. 关机，清理实验台和实验室。五 实验报告要求1. 整理数据表1 振荡频率foR2/kC2/pFfo/kHz理论计算值实测值表2 输出电压UO的调整范围空载（RL）RL 302. 通过本实验你对开关电源是“高效节能电源”的说法有何认识？举例说明。提示：当D100时可近似认为IOII（II是开

19、关电源的输入直流电流）。则电源效率，可分别计算一下UI30V时，在空载和RL30这两种情况下的值，并与线性电源相比较，从中即可得出结论。3.使用L4960时有哪些注意事项？（不作解释）。表3 开关电源输出功率PO*RL/UI =30/V纹波电压/UP-PIO/APO/W2001005030* UI保持30V。，IO不用实际测量，计算出即可。4. 已知L4960的TjM为150，PDM7W，设TA40，L4960采用S-7封装，RA7/W，拟采用2mm厚铝板，试设计铝散热板之表面积应取多大？5. 通过本实验你有何收获和体会？实验三 3位数字电压表电路设计与调试一、 实验目的近年来，随着CMOS

20、LSI技术的发展，由单片双积分式A/D转换器构成的DVM、DPM和DMM以及其他专用数字仪表获得了广泛应用。本实验所用MC14433型3位A/D转换器具有以下特点：（1）工作电压范围是4.58V。典型值为5V，功耗约8mW。（2）A/D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/s。（3）具有自动调零和自动转换极性之功能。（4）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。（5）能获得超量程（OR）和欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。（6）具有读数保持功能。（7）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。M

21、C14433的引出端功能和典型应用电路，参见课本。本实验目的：1. 通过实验了解3位A/D转换器的主要特点和用途。2. 掌握用MC14433组成DVM的电路设计。3. 掌握3位DVM的调试方法。4. 掌握3位DVM的使用方法。5. 进一步掌握动态扫描的第一种电路设计方案。二、 预习内容3位数字电压表的电路如图3所示。1. 元器件明细表名 称型 号数 量3位A/D转换器144331片译码、驱动电路MC145111片基准电压源MC14031片七路达林顿驱动器MC1413（ULN2003）1片双D触发器MC140131片共阴红LED数码管KD-5101AB 4只精密多圈电位器502（5k）1只R0

22、R6RJ-0.25W-3307只R7RJ-0.25W-470k2只R7RJ -0.25W-27 k1只R8RJ-0.25W-100k1只R8、 R9RJ-0.25W-330k2只Rdp 、RMRJ-0.25W-3302只C1、C20.1F聚丙稀电容2只CI0.01F聚丙稀电容1只短路线、电源线、输出线自制9根2. 电路分析本实验板是在课本上相关原理图的基础上扩展而成的，电路如图4所示。下面仅介绍新增加的电路。（1）过载闪烁报警电路K4拨至端时，过载消隐；K4拨至端时过载闪烁。开关K4实际用短路线代替，对应于实验板上“报警方式选择线”。（2）时钟频率选择电路CP1CP0端外接电阻R9330k时，

23、fo60Hz，采样速率约为4次/s。将R10（330k）并联在R9两端时，外接电阻变成165k，此时fo120kHz，采样速率提高到8次/s。操作时，利用短路线将R9与R10相并联，即得到165k阻值。 （3）读数保持电路按下读数保持键时，电路具有读数保持功能。（4）量程选择及小数点选择选择2V量程时，R7470k，小数点已经定在.，千位小数点DP4亮，仔细调整RP，使UREF2.000V1个字（用VC890D的2V DC挡测UREF1.999V，即可）。选择200mV量程时R、727k，小数点定在.，十位小数点DP2亮。仔细调整RP，使UREF200.0mV1个字（用VC890D的200mV

24、 DC挡测UREF199.9mV即可）。量程选择通过短路线实现，不插短路线时UM2V，插上后变成UM200mV。小数点位置由短路线决定。（5）负极性显示电路MC14433的Q2端输出的负极性信号经过1413反相后，驱动千位LED数码管的g段发光，可显示“”号。三、实验仪器1. HY1711-2型直流稳压电源 1台2. SS7802型双踪示波器 1台3. VC890D型数字万用表 1块图44. RXH-A14型滑线变阻器 1台5. 小螺丝刀 1把四、实验内容1. 给直流稳压电源通电，将稳压电源第一路和第二路的输出电压均调整到5V，然后选第一路为+5V（UDD），将该路的黑接线柱和第二路的红接线柱

25、用导线短接，于是第二路的黑接线柱可输出5V（UEE），两路电源的公共端为0V（USS）。2. 接通实验板的电源。注意！实验板上的UDD，UEE电源不得接反，否则会烧毁芯片。3. 实验前，DVM实验板已调整到2V量程，小数点DP4亮，先不要调多圈电位器RP。用VC890D的2V DC挡测脚2（实验板上UREF端测试环）对地（实验板上GND端测试环）的电压应为2.000V1个字。4. 将实验板上“信号输入”和“信号地”端短路，仪表应显示全零。5. 用示波器观察时钟脉冲频率f0的波形（实验板上CLK端测试环），根据周期估测出其频率值f0。插上短路线，测出f 0的值。6. 将直流稳压电源的第三路输出电压UI调整到5V左右，用滑线变阻器把电压调整到1V左右，加到DVM实验板上，测量此电压值，读数为，同时用VC890D的2V DC挡检测，记下读数。按下读数保持键，读数应能保持。7. 交换DVM的输入引线位置，重复步骤6，应显示出负极性，记下显示值，同时用VC890D的2V DC挡检测，读数为。与的差值即反转误差8. 将“报警方式选择线”插到“过载消隐”端，并用VC890D的2V DC挡检测，用滑线变阻器把电压调整到2