数字电压表的课程设计报告-2

桂林电子科技大学PAGEPAGE2课程设计论文题目：数字电压表设计院系：信息与通信学院专业：通信工程姓名：曾中羽指导老师：陈明职称：教授2010年12月20日摘要本设计为直流数字电压表设计,设计初共参考了二种方案,由于设计的要求没有使用单片机,采用了一个核心器件是双积分型MC14433转换器,首先将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，即模拟量转化为数字量,然后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。数字信号经七段译码器CC4511译码后，驱动四只LED数码管的各段阳极,用MC1413选通数码管位选,选然后经过动态扫描用四位的共阴数码管显示出结果。在设计的过程中用AltiumDesignerSummer08仿真软件。关键词：设计;模拟;数字;MC14433转换器;CC4511译码;位选。Abstract Thedesignforthecurrentdigitalvoltagemeterdesign,designreferencetothebeginningofatotaloftwoprograms,thedesignrequirementsdonotuseSCM,theuseofacoredeviceisthedualslopeMC14433A/Dconverter,thefirstanaloginputvoltagesignalconvertedintoeasy-to-accuratelymeasuretheamountoftime,theanalogtodigitalconversion,thenthewidthatthistimeintimewithacounter,countingresultisproportionaltotheinputanalogvoltage.Seven-SegmentdecoderdigitalsignalbytheCC4511,afterdecoding,drivingfourparagraphsLEDdigitaltubeanode,withtheMC1413Choiceofdigitalstrobe,theelectionandthenafteradynamicscanwiththefour-digitcommoncathodeLEDdisplaystheresults.inthedesignprocessusingsimulationsoftware,AltiumDesignerSummer08.Keywords:Design;analog;digital;MC14433A/Dconverter;CC4511decoding;Choice.目录引言 21设计参考 21.1参考方案一 21.2参考方案二 42设计任务 53设计方案 63.1芯片的介绍 63.1.1MC14433芯片的介绍 63.1.2MC1413芯片的介绍 83.1.3CC4511芯片的介绍 83.2电路设计 83.2.1电路分析 83.2.2电路图设计 94设计总结 104.1电路调试分析 104.2报告总结 105元器件清单 116结论 126.1谢辞 126.2参考文献 12引言智能仪器是仪器仪表的一种，近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪表无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有了很大的发展，以一种崭新的面貌展示在人们的面前。数字电压表是在此基础上发展起来，并被广泛的应用。数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是智能仪器中最常见的，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。目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平数字电压表的特点：显示清晰直观，读数准确；传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免地会引入人为的测量误差（例如视差），并且容易造成视觉疲劳。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是惟一的，不仅保证读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能缩短读数和记录的时间。1设计参考1.1参考方案一:CC7107A/D转换器组成的位直流数字电压表CC7107型AD转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、噪声低，能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。附图1是它的引脚排列及功能，各引出端功能见附表端名功能V+和V-电源的正极和负极aU～gUaT～gTaH～gH个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极abk千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极PM负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。PM为低电位时显示负号INT积分器输出端，接积分电容BUF缓冲放大器的输出端，接积分电阻AZ积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容IN+、IN-模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端COM模拟信号公共端，即模拟地CREF外接基准电容端VREF+、VREF-基准电压的正端和基准电压的负端TEST测试端。该端经500Ω电阻接至逻辑线路的公共地。当作“测试指示”时，把它与V+短接后，LED全部笔画点亮，显示数1888OSC1～OSC2时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成多谐振荡器由CC7107组成的位直流数字电压表接线图上图所示。外围元件的作用是：R1、C1为时钟振荡器的RC网络。R2、R3是基准电压的分压电路。R2使基准电压VREF＝1VR4、C3为输入端阻容滤波电路，以提高电压表的抗干拢能力，并能增强它的过载能力。C2、C4分别是基准电容和自动调零电容。R5、C5分别是积分电阻和积分电容。CC7107的第21脚（GND）为逻辑地，第37脚（TEST）经过芯片内部的500Ω电阻与GND接通。芯片本身功耗小于15mW（不包括LED），能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为40～50mA。CC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。1.2参考方案二:单片机与MC14433组成的位直流数字电压表1.2.1实验说明MC14433是3位半双积分A/D转换器。抗干扰性强；输入电阻≥1000MΩ；转换精度高；自动校零；自动极性输出；自动量程控制信号输出；动态字位扫描BCD码输出；单基准电压；转换率为1～10次/秒。该芯片主要外接元件有时钟振荡电路的外接电阻、补偿电容、以及积分阻容元件。模拟电路部分有基准电压、模拟电压输入。被转换的模拟电压输入量程为199.9mV或1.999V两种，与之相对应的基准电压相应为+200mV或+2V两种。数字电路部分有逻辑控制、BCD码及输出锁存、多路开关、时钟、极性判断及溢出检测等电路。1.2.2实验内容及实验步骤本实验实现的功能是将输入的模拟电压信号转换为数字形式显示。模拟量为0～±2V时，对应的数字量为0～±1999，由串行静态显示。过量程引脚OR可与蜂鸣器及发光二极管电路连接，当模拟量绝对超过2V时，有声光报警。(1)使用MC14433接口电路模块，单片机最小应用系统1的P0口接MC14433接口电路的Q0～DS4口，INT1接DU/EOC，单片机最小应用系统1的P1.0、P1.1连接到串行静态显示模块的DIN、CLK。模拟信号输入接+5V电源和地。(2)用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真器插到模块的锁紧插座中，请注意仿真器的方向：缺口朝上。(3)打开KeiluVision2仿真软件，首先建立本实验的项目文件，接着添加MC14433.ASM源程序，进行编译，直到编译无误。(4)进行软件设置，选择硬件仿真，选择串行口，设置波特率为38400。(5)打开模块电源和总电源，点击开始调试按钮，点击RUN按钮运行程序。观察静态显示模块，显示“XXXX”，“XXXX”为不大于1999的十进制数。调节模拟信号.2设计任务2.1设计内容及要求2.1.1设计数字电压表电路。2.1.2测量范围：直流电压0V一1.999V，0V一19.99V。2.1.3组装调试位数字电压表。2.1.4画出数字电压表电路图，器件电路模块MCl4433，MCl413，CD451l和MCl403。3设计方案3.1芯片的介绍3.1.1MC14433芯片常用于数显仪表，是一种采用双积分形式的A/D转换器，适用于低速A/D转换(1～10次/s)，具有良好的工频干扰抑制能力和相当于11位二进制数的转换精度。此外，MC14433芯片还具备了诸如自动校零、自动极性辨别、自动量程控制、动态字位扫描及BCD码形式输出等测量仪表所必备的功能。CC14433是CMOS双积分式位A/D转换器，它是将构成数字和模拟电路的约7700多个MOS晶体管集成在一个硅芯片上，芯片有24只引脚，采用双列直插式，其引脚排列与功能如图所示。CC14433引脚排列引脚功能说明：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C1＝0.1μf（聚酯薄膜电容器），R1＝470KΩ（2V量程）；R1＝27KΩ（200mV量程）。C01（7脚）、C02（8脚）：外接失调补偿电容端，典型值0.1μf。DU（9脚）：每次转换均显示。CP1（10脚）、CPo（11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为470KΩ。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VX＞VR时，输出为低电平。DS4～DS1（16～19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。MC14433的转换输出时序:Q0～Q3（20～23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。DS1选通时Q0～Q3表示的输出结果:DS１＝１时，Q3Q2Q1Q0输出过量程、欠量程、千位和极性标志的编码如表9-7所列。由表9-7可知，Q3在Q0=0时，表示千位数的内容：Q3=0，千位为1；Q3=1，千位为0。Q3在Q0=1时，表示过、欠量程：Q3=0，表示过量程；Q3=1表示欠量程。当量程选为1.999V时，过量程表示被测信号大于1.999V；欠量程表示被测信号小于0.179V。Q2表示被测信号的极性：Q2=1，为正极性；Q2=0，为负极性。CC14433具有自动调零，自动极性转换等功能。可测量正或负的电压值。当CP1、CP0端接入470KΩ电阻时，时钟频率≈66KHz，每秒钟可进行4次AD转换。它的使用调试简便，能与微处理机或其它数字系统兼容，广泛用于数字面板表，数字万用表，数字温度计，数字量具及遥测、遥控系统。3.1.2A/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4.5～15V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。3.1.3七路达林顿晶体管列阵MC1413MC1413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电路结构和引脚排列如图18－5所示，它采用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。MC1403引脚排列MC1413引脚排列电路设计3.1电路分析3.1.1被测直流电压VX经A/D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端Q0Q1Q2Q3上的数字信号(8421码)按照时间先后顺序输出。位选信号DS1，DS2，DS3，DS4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的位选。数字信号经七段译码器CC4511译码后，驱动四只LED数码管的各段阳极。这样就把A/D转换器按时间顺序输出的数据以扫描形式在四只数码管上依次显示出来，由于选通重复频率较高，工作时从高位到低位以每位每次约300μS的速率循环显示。即一个4位数的显示周期是1.2ms，所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。3.1.2当参考电压VR＝2V时，满量程显示1.999V；VR＝200mV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。3.1.3最高位（千位）显示时只有b、c二根线与LED数码管的b、c脚相接，所以千位只显示1或不显示，用千位的g笔段来显示模拟量的负值（正值不显示），即由CC14433的Q2端通过NPN晶体管9013来控制g段。3.1.4过量程标志输出端接发光二极管和有源蜂鸣器负极,另一端接5V的电压.当正常工作时为高电平,二极管和有源蜂鸣器不会发光和鸣叫,当VX＞VR即输入测量电压大于基准电压时,二极管和有源蜂鸣器会发光和鸣叫,实现了声光报警。3.2电路设计3.2.1数字电压表的原理图:3.2.2数字电压表的PCB图:4设计总结4.1电路调试分析4.1.1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10KΩ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。4.1.2将DS4，Q0～Q34.1.3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。4.1.4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VX＝1.000V，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。4.1.5改变输入电压VX极性，使Vi＝－1.000V，检查“－”是否显示，并按4方法校准显示值。4.1.6在+1.999V～0～－1.999V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。0V一19.99V，0V一199.9V，0V～1999V,大量程的测量可以通过分压电阻比例来测量.4.2报告总结此次设计直流数字电压表的核心器件是一个双积分型MC14433转换器，它首先将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。然后经过动态扫描用四位的共阴数码管显示出结果.通过这次的课程设计让我了解了很多芯片工作原理如:A\D转换器MC14433,七段译码器CD4511,七路达林顿晶体管MC1413等.对整体的电路设计有了全局的概念,以及对理论与实际运用之间的差别有了更深的理解.虽然刚做出电路板有诸多问题,如虚焊,错焊,元件布局的不合理,通过不断的修改,和调试,这对我的耐力和定力得到了很大的锻炼,最终还是成功的完成了此次数字电压表的设计.这个课设将近花了一个月的时间,从资料的搜集,自己的构思和