单片机数字电压表课程设计.doc

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1、目录一 设计目的1二 设计要求1三 总体设计13.1 原理框图13.2 框图功能说明1四 单元电路设计24.1 A/D转换电路24.1.1 MC14433原理框图、引脚及其功能24.1.2 MC14433工作原理34.1.3 电路积分元件的选取44.2 精密基准电压源54.3显示电路54.4译码显示驱动电路54.4.1 CD4511引脚及其功能64.4.2 CD4511工作原理64.4.3 CD4511功能表74.5 数字电压表设计电路7五 调试95.1 数码显示部分的调试95.2 标准电压源的调整95.3 总装总调9六 电路测试及测试结果106.1 测试方法106.2 测试结果106.3 性

2、能分析10七 设计总结11八 参考文献12附录13一 设计目的1. 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法、设计步骤，进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用。2. 学习和练习在面包板上接线的方法、技术和注意事项。3. 学习数字电路实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧。4. 培养细致、认真做实验的习惯。5. 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。二 设计要求1. 说明电路的工作原理；2. 主要单元电路和元器件参数计算、选择、使用方法及功能；3. 画出总体电路图；4.上交完整的实习报告；三 总体设计3.1 原理框图被测电压基准电压源积分RC元件3

3、 12位 A/D转换器A/D转换器显示电路字位驱动电路VREF图 3-1 数字电压表原理框图3.2 框图功能说明1. 基准电源：提供A/D转换参考电压，基准电压的精度和稳定性是影响转换精度的主要因素。2. A/D电路：A/D转换器是数字电压表的核心部件，由它完成模拟量转换为数字量的任务。3. 译码驱动电路：将二-十进制（BCD）码转换成七段供LED发光管显示信号。4. 显示电路：将译码器输出的七段信号进行数字显示，即A/D转换结果。5. 积分RC元件：通过对RC元件的选取，控制测量量程。6. 字位驱动电路：根据A/D器上DS4DS1端的位选信号，控制显示部分个、十、百、千位哪一位上进行显示。四

4、 单元电路设计4.1 A/D转换电路通过A/D转换器将输入的模拟信号转换成数字信号，然后进行处理。为了达到这一目的，本设计选用了具有自动调零，自动极性转换等功能，可测量正或负的电压值，使用调试简单，能与微处理机或其他数字系统兼容的三位半A/D转换器MC14433芯片。4.1.1 MC14433原理框图、引脚及其功能1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1224 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13VDD Q3 Q2 Q1 Q0 DS1 DS2 DS3 DS4 EOC VSSMC14433VAG VR VX R1 R1/C1 C1 C01 C02 DU CP

5、1 CP0 VEE图4-1-1(a) 14433引脚排列 图4-1-1（b）MC14433原理框图引脚功能说明： 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C10.1f（聚酯薄膜电容器），R1470K（2V量程）；R127K（200mV量程）。 C01（7脚）、C02（8脚）：外接失调补偿电容端，典型值0.1f。 DU（9脚）：实时显示控制输入端。若与EOC（14脚）端连接，则每次A / D转换均显示。 CP1 （10脚）、CPo

6、（11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为470K。 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A / D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。4.1.2 MC14433工作原理本课程设计中采用的是MC14433芯片（如图4-1-1（a），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。被测直流电压V1经A/D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端Q0、Q1、Q2、Q3上的数字信号（84

7、21）码按照时间先后顺序输出。位选信号DS1、DS2、DS3、DS4通过位选开关分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的公共阴极。MC14433 A/D 电路的三位半被测数字信号都从Q0Q3输出，数据为BCD码，而输出的数据究竟是属于哪一位则由DS1DS4输出，因而适合于动态扫描显示，即以Q0Q3作字形代码，以DS1DS4作字位代码。MC14433在每次A/D转换结束时，在芯片的EOC端输出一个正脉冲，并在DS1DS4端输出字位信号。首先在DS1端输出字位正脉冲，而此时数据端Q0Q3输出最高位（半位）数据，使最高位的0或1在数字表的最高位显示。同时输出过量程、欠量程和极性标志信号

8、。即Q3为0时最高位显示1，Q3为1时最高位显示0；Q2为1时表示被测电压为正，反之为负。过量程标志由端输出，为低电平表示被测电压超出目前的量程范围，即|VX|VREF,而为1时，|VX|VREF.在DS1输出字位正脉冲后，一次使DS2、DS3和DS4输出正脉冲，而Q0Q3输出相应位的BCD码数据。MC14433内部具有时钟震荡电路，改变外接R2的大小可改变时钟频率，如R2取360K,f=100kHz；R2为470K时，f=66kHz。每个A/D转换周期需16103个时钟脉冲。时钟频率66kHz时，每秒钟作4次A/D变换。4.1.3 电路积分元件的选取电路积分元件的选取依应用条件而定，量程为2

9、V时，R1取470K；量程为200mV时，R1取27K。当时钟频率为66kHz时，一般取C1为0.1F。按下面的公式进行计算R1=TVI(MAX)VCC1其中，VC=VDD-VI(MAX)-0.5V T=4000f CLK比如，当C1取0.1F，VDD为5V，f CLK为66kHz，VI(MAX)为2V时，算得R1为480K，取R1为标准值470K，C0为0.1F。4.2 精密基准电压源A/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。本设计中采用MC1403(如图4-2)集成精密稳压源作为参考电压，MC1403的输出电压为2.5V，当输入电压在4.515V范

10、围变化时，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。图4-2MC1403引脚排列 图4-3MC1413引脚排列 4.3显示电路本设计采用七路达林顿晶体管列阵MC1413（如图4-3）来进行数码显示。MC1413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）。每一个驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。数字信号经七段译码器MC4511译码后，驱动四只LED数码管的各段阳极，这样就把A/D

11、转换器按照是将顺序输出的数据以扫描形式在四只数码管上一次显示出来，由于选通重复频率较高，工作时从高位到低位以每秒约300S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。4.4译码显示驱动电路在A/D转换器与数码显示部分还应有一个驱动电路来驱动数码管显示和BCD码所对应的十进制数。本设计选用了驱动性较强的BCD-七段译码驱动器CC4511芯片来实现此功能。4.4.1 CD4511引脚及其功能1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9VDD f g a b c d e CD4511B C LE D

12、 A VSS图4-4-1 CD4511引脚A、B、C、D BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g 译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。 测试输入端，“0”时，译码输出全为“1”。 消隐输入端，“0”时，译码输出全为“0”。LE 锁定端，LE“1”时译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在LE0时的数值，LE0为正常译码。4.4.2 CD4511工作原理本设计采用CD4511BCD-7段译码驱动器（如图4-4-1），有较强的驱动能力，每笔段最大的输出电流可达25mA。DCBA为BCD码输入端，输入不同的BCD码时，经内部译码，相位的笔段输出为高电平，驱动数码管显示与BC

13、D码所对应的十进制数数字。例如DCBA=0011，则笔段a、b、c、d、g输出为高电平，驱动数码管显示数字“3”。若果DCBA1010，所有笔段输出为“0”电平，数码管不显示，为熄灭状态。另外3个输入端是：,灯测试，=0时不论DCBA为何值，显示为“8”，用于测试数码管好坏；，消隐输入，=0，数码管不显示，为熄灭状态；LE，锁存输入，LE=1，锁存上升沿时刻的状态。4.4.3 CD4511功能表表4-4-3输 入输 出LEDCBAabcdefg显示字形01111111010000000消隐01100001111110011000101100000110010110110101100111111

14、00101101000110011011010110110110110110001111101101111110000011100011111110111001111001101110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐111锁 存锁存4.5 数字电压表设计电路图4-5即为数字电压表完整的设计电路图。图4-5 数字电压表设计电路五 调试5.1 数码显示部分的调试1. 将4只数码管插入40P集成电路插座上，将4个数码管同名笔划段与显示译码的相应输出端连

15、在一起，其中最高位只要将b、c、g三笔划段接入电路。2. 插好芯片MC4511和MC1413，并将输入端A、B、C、D接至拨码开关对应的A、B、C、D四个插口处；将MC1413的1、2、3、4脚接至逻辑开关输出插口上。3. 将MC1413的2脚置1，1、3、4脚置0，接通电源，拨动码盘自09变化，检查数码管是否按码盘的指示值变化。4. 分别将MC1413的1、3、4脚单独置1，重复（3）的内容。5.2 标准电压源的调整插上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10K电位器，使其输出电压为2.00V。5.3 总装总调1. 插好芯片，结好电路。2. 将输入端接地，接

16、通+5V，-5V电源（先结好地线），此时显示器将显示“000”值，如果不是，应检测电源正负电压。3. 用电阻、电位器构成一个简单的输入电压调节电路，调节电位器，4位数码管将相应变化，然后进入下一步精调。4. 用标准数字电压表测量输入电压，调节电位器，使输入电压为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8之内。5. 改变输入电压极性，时其为负值，检查“-”是否显示，并按（4）方法校准显示值。6. 在+1.999V0-1.999V量程内再一次仔细调整使全部量程内的误差均不超过个位数在8之内。六 电路测试及测试结果6.1 测试

17、方法1.用上述方法将电路调试好2.在A/D转换器的VX端输入被测电压，并用标准电压表监视输入信号，读出相应的显示数据。6.2 测试结果1.输入：1.500V 输出：1.503V2.输入：0.500V 输出：0.502V3.输入：1.200V 输出：1.203V6.3 性能分析线性误差的计算：W=|V测-V实|V实100%W1=|1.503-1.500|1.500100%=0.2%W2=|0.500-0.502|1.500100%=0.133%W3=|1.200-1.203|1.500100%=0.2%W=(W1+W2+W3) 3=0.178%由于基准电压本身也有一定的误差，但是又因其能提供较准

18、的2V电压所以电压表的误差较小。还有其它原因，譬如电容的选择，电阻的选择都能影响到其性能。七 设计总结首先感谢学校能为我们提供这样一个锻炼自己实践设计与操作能力的机会，让我们从中受益匪浅，受益终生。电子技术课程设计是一次实践性的学习，是对我们电子技术的综合性训练，通过进行对数字电压表的设计、安装和调试，我对数字电子又有了更进一步的了解，通过指导老师的指导，也解决了一些实践操作过程中遇到的困难。通过查阅手册和文献资料，培养了自己独立分析和解决实际问题的能力。此次我们设计的数字电压表是一个相当有实用价值的。其中也涉及到了很多芯片和电子器件，数模（A/D）转换器MC14433，本次设计中的一个中心芯

19、片，也是数字电压表的核心部件，被测电压正是通过此芯片然后转换成数字信号,然后在加上译码驱动才得以在显示电路显示。芯片的正确选择直接影响到设计的精确度，譬如此次我们选择基准电压源MC1403，由于A/D芯片的基准电压为2.5V，而当MC1403的输入电压从4.5V到15V变换时，输出电压在2.475V到2.525V之间变换，所以可以为A/D芯片提供精准电压，从而大大降低了误差。总的来说，此次数字电子课程设计还是比较成功的，收获也比较多，通过这次数字电子课程设计锻炼了动手能力，面对各种突发问题的应对能力，自己解决困难的能力，总之自己各方面能力都有所提高，是一笔不小的财富。八 参考文献1.彭介华，电子技术课程设计指导，高等教育出版社，1996；2.梁宗善，电子技术基础课程设计，华中理工大学出版社，1995；3.阎石，数字电子技术基础，高等教育出版社，1989；4.赵淑范 王宪位，电子技术实验与课程设计，清华大学出版社，2006；附录元器件列表：序号名称型号参数数量备注1基准电压源MC140315V量程2三位半A/D转换器MC1443313BCD码七段译码驱动器CC451144位驱动器MC141345七段数码管BS2024共阴极6电容0.1微法27电阻100欧姆10810K欧姆1电位器9300K欧姆210470K欧姆111开关2