直流数字电压表设计幻灯片.ppt

直流数字电压表设计1第1页，共14页，编辑于2022年，星期一 2022/10/523.3.数字电压表的测量原理与主要器件性能分析数字电压表的测量原理与主要器件性能分析 直流数字电压表的核心器件是一个间接型直流数字电压表的核心器件是一个间接型直流数字电压表的核心器件是一个间接型直流数字电压表的核心器件是一个间接型A/DA/D转换转换转换转换器：器：器：器：3.1.3.1.双积分双积分双积分双积分A/DA/D转换器转换器转换器转换器 1).1).转换方式转换方式转换方式转换方式 ：V-T型间接转换型间接转换ADC。输入的输入的输入的输入的模拟电压信号模拟电压信号模拟电压信号模拟电压信号变换变换变换变换成易于准确测量的成易于准确测量的成易于准确测量的成易于准确测量的时间量时间量时间量时间量，然后在这个，然后在这个，然后在这个，然后在这个时间宽度时间宽度时间宽度时间宽度里用计数器里用计数器里用计数器里用计数器计计计计时时时时，计数，计数，计数，计数结果结果结果结果就是就是就是就是正比于正比于正比于正比于输入输入输入输入模拟电压信号模拟电压信号模拟电压信号模拟电压信号的数字量。的数字量。的数字量。的数字量。2).2).电路结构电路结构电路结构电路结构:图图-1是这种转换器的原理电路，是这种转换器的原理电路，积分器积分器积分器积分器A1A1:定时信号控制开关定时信号控制开关S2,Qn为不同电平时，极性相反为不同电平时，极性相反的输入电压的输入电压Vx和参考电压和参考电压 VREF将分别加到积分器的输入端，进行将分别加到积分器的输入端，进行两次方向相反的积分，积分时间常数两次方向相反的积分，积分时间常数=RC。过零比较器过零比较器过零比较器过零比较器A2A2:确定积分器的输出电压确定积分器的输出电压V0过零的时刻过零的时刻,V00时时比较器输出比较器输出VC为低电平；当为低电平；当V00时时(t=t=t1)，从过零，从过零比较器比较器A2翻翻转，转，输出由输出由低电平低电平跳到跳到高电平高电平打开闸门起，打开闸门起，计数器计数器计数器计数器在在CP作用下从作用下从0开始计数开始计数，经过，经过预定时间预定时间T1=t2-t1(预置数预置数N)以后产生溢出脉冲，通过逻辑控制电路使开关以后产生溢出脉冲，通过逻辑控制电路使开关S1换接换接换接换接基准电压基准电压VR,定时积分定时积分结束结束.Vom=VXT1/RC(=VXN1/Rcfo)第第2积分积分对对对对基准电压基准电压基准电压基准电压进行进行进行进行定值定值定值定值积分积分积分积分:当当t=t2时，积分器时，积分器A1对对基准电压基准电压基准电压基准电压VREF做做反向反向积分积分，其输出电压，其输出电压 VO线性下降。当线性下降。当 VO=0，比较器比较器A2再次翻转再次翻转，S输出由高电输出由高电平跳变到低电平，闸门关闭停止计数。平跳变到低电平，闸门关闭停止计数。定值积分定值积分定值积分定值积分结束时结束时结束时结束时VO=Vom-VREFT/RC，定值积定值积定值积定值积分时间分时间分时间分时间为为 T2=t3-t2=N2/f f0结论：结论：结论：结论：VX VREFN2/N13)3)数字电压表的数字电压表的数字电压表的数字电压表的双积分双积分A/D转换工作原理转换工作原理转换工作原理转换工作原理：4第4页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/55多路选择开关多路选择开关多路选择开关多路选择开关锁存器锁存器锁存器锁存器个个个个十十十十百百百百千千千千时钟时钟时钟时钟溢出溢出极性极性判别判别控制逻辑控制逻辑控制逻辑控制逻辑CMOSCMOS模拟电路模拟电路模拟电路模拟电路1515.OR16-1916-19 DS1-DS420-2320-23.Q0-Q39 9.DU1414.EOC.EOC2.2.V VREFREF1.1.VAG3 3.Vx图图-2 MC14433的电路结构图的电路结构图1111.CLK01010.CLK14 5 6 7 84 5 6 7 85第5页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/56(VAG)电压电压电压电压接地端接地端接地端接地端，(VR)基准电压基准电压基准电压基准电压，外接基准电压端。，外接基准电压端。MC14433的的正基准电压可测量正、负电压。正基准电压可测量正、负电压。VX:被测电压输入端，被测电压输入端，MC14433为双积分型为双积分型A/D转转换器，未知电压与基准电压有以下关系换器，未知电压与基准电压有以下关系:读数读数=(VX/VR)1999.满量程的满量程的Vx=VR。满量程。满量程:1.999V(R1.R1/C1.C1)外接积分电阻电容元件外接积分电阻电容元件端端；(C01、C02)外接失调补偿电容端外接失调补偿电容端(DU)A/D转换结果转换结果输出显示控制端输出显示控制端，如与，如与脚脚相联，则每次转换结果都显示相联，则每次转换结果都显示.(CLK1、CLK0)时钟外接元件时钟外接元件端端,选择电阻选择电阻即可设定时钟频率，如时钟频率为即可设定时钟频率，如时钟频率为66kHz时，外接电时，外接电阻取阻取300k。(VEE:负电源端负电源端负电源端负电源端。VEE的电流约为的电流约为0.8mA，驱动电，驱动电流并不流经此引脚，对此负电压的电源电流要流并不流经此引脚，对此负电压的电源电流要求不高。求不高。(VSS):输出输出信号信号接地端；接地端；(EOC):转换转换周期周期结束结束标示标示输出端输出端.OR过量程过量程标志输出端标志输出端；:多路选通脉冲输入端多路选通脉冲输入端DS4:个个.DS3:十十.DS2:百百.DS1:千位千位.21.22.(23):BCD码码数据输出端数据输出端数据输出端数据输出端.(24):VDD：正电源端正电源端正电源端正电源端4)MC144334)MC14433电路的引脚说明电路的引脚说明电路的引脚说明电路的引脚说明6第6页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/57龙龙龙龙从从从从玉玉玉玉数数数数电电电电课课课课件件件件图图图图-3.-3.采用采用采用采用MC14433MC14433的电压表参考电路的电压表参考电路的电压表参考电路的电压表参考电路MC14433MC14433CC4511CC4511MC1413MC1413 千千 百百 十十 个个16 15 14 13 91VAG2VR3VX4R15R1/C6C17CO18CO29DU10CP111CP212VEEVDD24Q323Q222Q121Q320DS119DS218DS317DS416OR15EOC14VSS131 2 3 4 1 2 3 4 5 5 6 7 8 6 7 86D2C1B7A4BI85VYa137Ya137YbYb121266Yc114Yc114Yd102Yd102Ye91Ye91Yf159Yf159Yg1410Yg14100.1u0.1u470k-5v+5vMC1403V VX X3 163 16+5v12过过量量程程负极性负极性YgYg7第7页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/583.2.3.2.数字电压表测量电压的转换与显示过程数字电压表测量电压的转换与显示过程数字电压表测量电压的转换与显示过程数字电压表测量电压的转换与显示过程：1).被测直流电压被测直流电压VX经经A/D转换后以转换后以动态扫描动态扫描动态扫描动态扫描形式输出形式输出形式输出形式输出，数字量输出端，数字量输出端Q0 Q1 Q2 Q3 上的数字信号经七段译码器上的数字信号经七段译码器CC4511译码后顺序输出。位选信号译码后顺序输出。位选信号DS1 DS4通过位通过位选开关选开关MC1413分别控制着千分别控制着千/百百/十十/个位上的个位上的4只只LED数码管的阴极。由于数码管的阴极。由于选通选通重复重复频频率较高率较高，看到看到四位数码管四位数码管同时显示同时显示的效果。的效果。2)当参考电压当参考电压VR2V 时时，满量程显示，满量程显示1.999V；VR200mV时，满量程为时，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可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h段段经限流电阻实现对相应的小数点显示经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。的控制。选作自动量程控制！选作自动量程控制！3).最高位最高位(千位千位)显示时，显示时，只接只接LED数码管的数码管的b、c段，段，千位只显示千位只显示1或不显示，或不显示，用用千位千位的的g段段来来显示显示模拟量的模拟量的负值负值(正值不显示正值不显示)，由，由MC14433的的Q2 端端.通过通过MC1413的负极的负极性控制性控制 g段段。4).精密基准电源精密基准电源MC1403:A/D转换采用转换采用MC1403集成精密稳压源作集成精密稳压源作A/D转换的参考转换的参考电压，电压，MC1403的输出电压为的输出电压为 2.5V，电压变化在，电压变化在3 0.6mV.输出最大电流为输出最大电流为10mA。5)MC1413采用采用NPN达林顿复合晶体管的结构达林顿复合晶体管的结构,电流增益大，输入阻抗高，能把电压信号电流增益大，输入阻抗高，能把电压信号转换成电流信号驱动各种负载。电路内含有转换成电流信号驱动各种负载。电路内含有7个集电极开路反相器（个集电极开路反相器（OC门）。门）。MC1413电路为电路为16引脚双列直插式封装。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引脚双列直插式封装。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。管。8第8页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/594.4.数字电压表的安装调试数字电压表的安装调试数字电压表的安装调试数字电压表的安装调试4.1.4.1.数码显示部分的组装与调试数码显示部分的组装与调试数码显示部分的组装与调试数码显示部分的组装与调试 1)先将先将后三位后三位数码管同名笔划段与显示译码数码管同名笔划段与显示译码CC4511的相应输出端连在一起，最高的相应输出端连在一起，最高位数码管只将位数码管只将b、c、g三笔划段接入电路。三笔划段接入电路。2)插好芯片插好芯片CC4511与与MC1413，试将，试将CC4511的输入端的输入端A、B、C、D接至拨码接至拨码开关对应的开关对应的A、B、C、D四个插口处；将四个插口处；将MC1413的的1、2、3、4脚接至逻辑开关输脚接至逻辑开关输出插口上。出插口上。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。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。4.2.4.2.标准电压源的连接和调整：标准电压源的连接和调整：标准电压源的连接和调整：标准电压源的连接和调整：插上插上MC1403基准电源，用标准数字电压表检查输出是否为基准电源，用标准数字电压表检查输出是否为2.5V，然后调整，然后调整10K电位器，使其输出电压为电位器，使其输出电压为2.00V，调整结束后去掉电源线。，调整结束后去掉电源线。Vi Vo GND8 7 6 5MC1403MC14031 2 3 416 15 14 12 12 11 10 9 16 15 14 12 12 11 10 9 MC1413MC14131 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 89第9页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/510 1)1)接线：接线：接线：接线：按设计电路接好线路，并插上按设计电路接好线路，并插上MC(TC)14433及及MC1413等芯片。等芯片。2)2)通电显示检查：通电显示检查：通电显示检查：通电显示检查：接通接通+5V、-5V电源及地线，电源及地线，当输入端接地当输入端接地，此时，此时显示显示 器器将显示将显示“000”值，否则，应依次检测电源正负电压，用示波器测量、值，否则，应依次检测电源正负电压，用示波器测量、观察观察DS1DS4，Q0Q3波形，判别故障所在。波形，判别故障所在。3)3)电压粗测：电压粗测：电压粗测：电压粗测：调节输入电压调节输入电压VX 的高低，的高低，4位输出显示数码应相应变化，然位输出显示数码应相应变化，然 后进入下一步精调。后进入下一步精调。4)4)测量基准校正：测量基准校正：测量基准校正：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，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。之内。5)5)测量电压极性显示检查：测量电压极性显示检查：测量电压极性显示检查：测量电压极性显示检查：改变输入电压改变输入电压VX极性，使极性，使Vi1.000V，检查，检查 是否有是否有“”显示，并校准显示值。显示，并校准显示值。6)在在+1.999V01.999V量程内再一次仔细调整量程内再一次仔细调整(调基准电压调基准电压)使全部量使全部量 程内的误差均不超过个位数在程内的误差均不超过个位数在5之内。之内。分别列表记录输入电压为分别列表记录输入电压为1.999，1.500，1.000，0.500，0.000时的时的标准数字标准数字电压表电压表的测量的测量读数读数与与制作数字电压表制作数字电压表的测量的测量显示值显示值，计算测量误差，确定仪器的测，计算测量误差，确定仪器的测量误差等级。量误差等级。4.4.4.4.测定设计制作数字电压表的误差等级：测定设计制作数字电压表的误差等级：测定设计制作数字电压表的误差等级：测定设计制作数字电压表的误差等级：4.3.4.3.总装测试的方法与步骤：总装测试的方法与步骤：总装测试的方法与步骤：总装测试的方法与步骤：10第10页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/511*5.量程转换电路的设计：量程转换电路的设计：利用利用MC14433(TC14433)的超量程信号的超量程信号OR,可直接用来控制双向移位寄存器可直接用来控制双向移位寄存器74LS194的移位方向，其移位脉冲的移位方向，其移位脉冲CP由由MC14433的的EOC、DS1、DS2、Q0组成：组成：74LS194MC1443374LS7474LS86Q0 DS1 DS2 EOC 20 19 18 145 1Q3 1CP1=1=1=1=1Q0Q1Q2Q315141312ABCDE16134561098VCCCRD0D1D2D3S1S0GND15OR1 1RD1SD4VCC见教材见教材P269DSL7CP11&图图-4自动量程转换电路自动量程转换电路 信号超过当前量，信号超过当前量，OR=0且且MC14433在位选通信号在位选通信号DS1的输出的输出Q0=1,形成一个移位形成一个移位脉冲送到移位寄存器，使之产生一次位移。因脉冲送到移位寄存器，使之产生一次位移。因S1=0.S0=0使使74ls194向向右移升量程右移升量程；欠；欠量程时量程时OR=1，Q0=1,但但S1=1.S2=0使使74ls194向向左移降量程左移降量程；11第11页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/5126.1.根据直流电压表设计实验的要求，利用现有元根据直流电压表设计实验的要求，利用现有元 器件设计实验电路，画出实验电路图；器件设计实验电路，画出实验电路图；6.2.计算电路元件参数；计算电路元件参数；6.3.安装数字电压表电路，记录分步调试步骤，逐安装数字电压表电路，记录分步调试步骤，逐 级进行测试与检查，特别要记下调试过程中出现级进行测试与检查，特别要记下调试过程中出现 的问题与解决的办法；的问题与解决的办法；6.4.测试制作的数字电压表的主要技术参数，与标准测试制作的数字电压表的主要技术参数，与标准 电压表的测量值进行计算比较，确定设计制作数电压表的测量值进行计算比较，确定设计制作数 字电压表的测量误差等级。字电压表的测量误差等级。6.5.设计实验过程中的收获与体会及本人对实验改设计实验过程中的收获与体会及本人对实验改 进的意见。进的意见。6.实验报告要求：实验报告要求：12第12页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/513MC(TC)14433千位千位BCD码标识意义码标识意义MSD编码内容编码内容Q3 Q2 Q1 Q0BCD 7段数码显示段数码显示+01110不显示不显示-01010不显示不显示+0UR1111不显示不显示-0UR1011不显示不显示+111004-1显b.c段1-100000-1显b.c段1+1OR01117-1显b.c段1-1OR00113-1显b.c段1图图图图-3.-3.采用采用采用采用MC14433MC14433的电压表参考电路的电压表参考电路的电压表参考电路的电压表参考电路13第13页，共14页，编辑于2022年，星期一2022/10/514图图图图-4.-4.采用采用采用采用TC14433TC14433的电压表参考电路的电压表参考电路的电压表参考电路的电压表参考电路901314第14页，共14页，编辑于2022年，星期一