数字电压表的课程设计

数字电压表设计报告一、设计目的作用数字电压表的基本原理，是对直流电压进行模数转换，其结果用数字直接显示出来，按其基本工作原理可分为积分式和比较式两大类。熟悉集成电路MC14433,MC1413,CD4511和MC1403的使用方法，并掌握其工作原理。(1).设计数字电压表电路(2).测量范围：直流电压0V-1.999V,oV-19.99V,OV-199.9V,OV-1999V;(3).画出数字电压表电路原理图，写出总结报告。三、设计的具体实现(一)、系统概述数字电压表是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示的数字系该系统(如图1所示)可由位A/D转换器、MC1413七路达和共阴极LED发光数码管组成。位是指十进制数0000～1999,所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为0～9。而所谓半位是指千位数，它不能从0变化到9,而只能由0变到1,即二值状态，所以成为半位。(1)转换器：将输入的模拟信号转换成数字信号。(2)基准电源：提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。(3)译码器：将二-十进制(BCD)码转换成七段信号。(4)驱动器：驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，推动发光数码管(LED)进行显示。(5)显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结2数点驱动负号驱动39号制页控8bCd工作过程如下：数字电压表通过位选信号DS₁~DS₄进行动态扫描显示，由于MC14433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。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在位选信号Ds,选通期间Q。~Q₃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”代表中的一只晶体管控制，符号位的“-”阴极与千位数阴极接在一起，当输入信过限流电阻R使显示器的“-”(即g段)小数点显示是由正电源通过限流电阻Rpp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v、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vx处于过过量状态。当Q₃=“1”且Q。=“1”时，表示vx处于欠量程状态。 当OR=“1”时，表示lvxI<vR。平时OR为高电平，表示被测量在量程内。则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。(二)、单元电路设计与分析1、转换器——MC14413在数字仪表中，MC14413电路是一个低功率位双积分式A/D转换器。MC14413电路总框图如图2所示。由图2可知，MC14413A/D转换器主要由模拟部分和数字部分组成。使用时只要外接两个电阻和两个电容就能执行位的A/D转换器。多路选择开关控制逻辑CHOS模拟电路o溢出1kLCMC14433电路结构及引脚图(1)模拟部分：图3为MC14413内部模拟电路的工作原理示意图。其中共有3个运算放器A₁,A₂,A₃和10多个电子模拟开关，A,接成电压跟随器，100MQ以上。A₂和外接的R、c构成一个积分放大器，完成V/T即电压-A1312233上SW2:SW5-2:SW1-21(2)数字部分：包括图2中除“模拟部分”以外的部分。其中四位十进制计数器为3位BCD码计数器，对反积分时间进行计数(0～1999),并送到到低位逐位输出多路调制BCD码Q。~Q,并输出相应位的多路选择脉冲标志信号DS,~DS₄;控制逻辑，这是A/D转换的指挥中心，统一控制各部分电路的工作，它是根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换6个阶段的开关转换和定时转换信号，以及过量程等功能标志信号，在对基准电压vR进行积分时，令4位计数器开始计数，完成A/D转换；时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，并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R-C多谐振荡器，一般外接电阻为360kQ时，振荡频率则为100kHz,当外接电阻为470kQ时，振荡频率则为66kHz,当外接电阻为750kQ时，振荡频率则为50kHz。若采用外时钟频率，则不要外接电阻，外部时钟频率信号从CLKI(10脚)端输出，时钟脉冲CP信号可从CLKO(11脚)获得；极性检测，显示输入电压vx的正负极性；过载指示(溢出),当输入电压vx超出量程范围时，输出过量程范围时，输出过量程标志OR。MC14413A/D转换器是双斜积分，采用电压-时间间隔(V/T)方式，通过先后对被测电压模拟量vx和基准电压vR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内的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以由下面的式子表示：用时钟脉冲数N来表示时间Tx,则被测电压就转换成了相应的脉冲数，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,C₁一般取0.1uF,R₁的选取与量程有关，量程为2V时，取R₁=470kΩ;量程为200mV时，取R₁=27kΩ。选取R₁和c₁的计算公式如下：式中，△Vc为积分电容上充电电压幅度，(图4)式可得R,=480kΩ,取R₁=470kΩ。转换器设计了自动调零线路，其中缓冲器和积分器采用模拟调零方式，而比较器采用数字调零方式。在自动调零时，把缓冲器和积分器的失调电压存放在一个失调补偿电容c₀上，而比较器的失调电压用数字形式存放在内部的寄存器中，A/D转换系统自动扣除电容上和寄存器中的失调电压，就可得到精确的转换结果。A/D转换器周期约需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。MC14413采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图4所示，各引脚端功能说明如下：高阻输入端，作为输入被测电压vx和基准电压vR的参考点地。是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(VEE电平),则系统复位到转换周期的起点。3端：Vx,是被测电压输入端。2345689EOC4端：R₁'外接积分点阻端。图4MC14433顶视图5端：R₁/c,外接积分元件电阻和电容的接点。6端：C₁,外接积分电容端，积分波形由该端输出。7和8端：Co和Co₂,外接失调补偿电容端，推荐该两端外接失调补偿9端：DU,实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在比积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该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，该端典型约为0.8mA,所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向vs端。13端：Vss,负电源端。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lvxI>vR时，OR输出低电平，正常量程内OR为高电平。16～19端：对应为DS₄~DS₁,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。~Q输出的BCD码代码是该对应位上的数据。20～23端：对应为Q。~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：Vpp,整个电路的正电源端。2.七段锁存-译码-驱动器CD4511CD4511是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由四位闩锁、七段译码电路和驱动器三部分组成，如图5所示。驱动七段译四位闩f器码锁LE.LTBI图5CD4511功能图(1)四位闩锁(LATCH):它的功能是将输入的A、B、C和D代码寄存起闩锁电路的作用。当LE=“1”时，闩锁器处于锁存状态，四位闩锁封锁输入，此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码；当LE=“0”时，闩锁器处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用LE端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2)七段译码电路：将来自四位闩锁输出的BCD代码译成七段显示码输①LT(LAMPTEST)灯测试端。当LT=“0”时，七段译码器输出全“1”,发光数码管各段全亮显示；当LT=“1”时，译码器输出状态由BI端控②BI(BLANKING)消隐端。当BI=“0”时，控制译码器为全“0”输出，发光数码管各段熄灭。BT=“1”时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。上述两个控制配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。(3)驱动器：利用内部设置的NPN管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。CD4511电源电压vo的范围为5V~15V。它可与NMOS电路或TTL电路兼CD4511采用16引线双列直插式封装(见图6)。其真值表1。输入输出DCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000暗01100001111111001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000暗01110110000000暗01111000000000暗01111010000000暗01111100000000暗01111110000000暗111XXXX取决于原来LE=0时的BCD码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电路结构和引脚如图7所示，它采用16引脚的双列9234567B