三位半数字电压表电路的设计.doc

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1、目录一、题目及设计目的2二、设计要求2三、方案设计与论证2（1）主控芯片2（2）显示部分2四、设计原理及电路图3（1）数字电压表原理框图3量程转换模块3基准电压模块3A/D电路模块3字形译码驱动电路模块4显示电路模块4（2）实验芯片简介5三位半AD转换器MC144335七段锁存-译码-驱动器CD45118七路达林顿驱动器阵列MC14139高精度低漂移能隙基准电源MC14039五、元器件清单11六、参数计算与仿真图11七、结论与心得11八、参考文献12数字电压表电路设计报告一、 题目及设计目的1、题目：3 1/2位数字电压表2、设计目的：通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计

2、要求、应完成的工作内容和具体的设计方法，同时复习、巩固以往的模电、数电内容。二、 设计要求1、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字电压表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能图，描述其功能。2、对将要实验方案，须采用中、小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工作原理，计算出参数。3、技术指标：测量直流电压 1999-1V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V；测量交流电压 1999-199V。三、方案设计与论证1、主控芯片方案1：选用A/D转换芯片MC14433、CD4511、MC14

3、13、MC1403实现电压的测量，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是工作速度低，优点是精度较高，工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。 方案2：选用专用电压转化芯片INC7107实现电压的测量和控制。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管。用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。优点是价格低廉。 方案3：选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0809实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是价格稍贵；优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。 基于课程设计的要求，我们优先

4、选用了：方案12、显示部分 方案1：选用4个单体的共阴数码管。优点是价格比较便宜；缺点是焊接时比较麻烦，容易出错。 方案2：选用点阵显示器。优点是能显示文字和数字；缺点是其内部结构较为复杂，不易连接。方案3：选用液晶显示器。优点是能显示大量的文字、数字和图形，而且清晰化程度高；缺点是成本高。 基于课程设计的要求，我们优先选用了：方案1四、 设计原理及电路图（1）数字电压表原理框图如下：方案1的原理框图如图a所示；方案2的原理框图如图b所示；方案3的原理框图如图c所示。基准电压 积分RC元件 3 1/2位A/D电路字形译码驱动电路显示电路字位驱动电路量程选择图a直 流 稳 压电压转化芯片INC7

5、107显 示 电 路图b直 流 稳 压AT89S52主控系统显示模块A/D转换模块量程选择模块图c鉴于选用方案一，由数字电压表原理框图可知,数字电压表由五个模块构成,分别是基准电压模块, 3 1/2位A/D电路模块,字形译码驱动电路模块,显示电路模块,字位驱动电路模块.各个模块设计如下:量程转换模块Output采用多量程选择的分压电阻网络，可设计四个分压电阻大小分别为900K，90K，9K和1K。用无触点模拟开关实现量程的切换。基准电压模块这个模块由MC1403和电位器构成, 提供精密电压，供A/D 转换器作参考电压.3 1/2位A/D电路模块 直流数字电压表的核心器件是一个间接型A / D转

6、换器，这个模块由MC14433和积分元件构成,将输入的模拟信号转换成数字信号。字形译码驱动电路模块这个模块由MC4511构成 ,将二十进制(BCD)码转换成七段信号。显示电路模块这个模块由LG5641AH构成,将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D 转换结果。（2）实验芯片简介：数字显示电压表将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示。该系统（如图1 所示）可采用MC14433三位半A/D 转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。本系统是三位半数字电压表,三位半是指十进制数00001

7、999。所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为09，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l，即二值状态，所以称为半位。各部分的功能如下： 三位半A/D转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源(MC1403)：提供精密电压，供A/D 转换器作参考电压。译码器(MC4511)：将二十进制(BCD)码转换成七段信号。驱动器(MC1413)：驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管(LED)进行显示。显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。工作过程如下：三位半数字电压表通过位选信号DS1DS4进行动态扫

8、描显示，由于MC14433电路的A/D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，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。DS1DS4输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0Q3端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为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和EOC的时序关系是在EOC 脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。以下依次为DS2，DS3和DS4。其中DS1对应最高位(MSD)，DS4则对应最低位(LSD)。在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0Q3输出BCD全位数

9、据，即以8421码方式输出对应的数字09在DS1选通期间，Q0Q3输出千位的半位数0或l及过量程、欠量程和极性标志信号。在位选信号DS1选通期间Q0Q3的输出内容如下：Q3表示千位数，Q3=0代表千位数的数宇显示为1，Q3=1代表千位数的数字显示为0。Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即UX0；Q2的电平为0，表示极性为负，即UX1999，则溢出。|UX|UR则OR)(-),) 输出低电平。当OR)(-),) = 1时，表示|UX|VREF 时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。(16)(19) 端：对应为DS4DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输

10、出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q。Q3 输出的BCD 代码是该对应位上的数据。(20)（23）端：对应为Q0-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：VDD，整个电路的正电源端。2七段锁存-译码-驱动器CD4511 CD4511 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4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。(1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。

11、当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；当LE=0时，锁存器处于选通状态，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：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端：LT(LAMP TEST)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端控制。 BI (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

12、灭。BI = 1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。上述两个控制端配合使用，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VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见图2。使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。3七路达林顿驱动器阵列MC1413 MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS 或CMOS

13、 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OC0门)。MC1413电路结构和引脚如图3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续流二极管。4高精度低漂移能隙基准电源MC1403 MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关该电路的特点是： 温度系数小； 噪声小； 输入电压范围大，稳定性能好,当输入电压从+45V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；输出电压值准确度较高，y。值在2.475V2.525V 以内； 压差小，适用于低压电源； 负载能力小，该电源最大输出电流为1

14、0mA。MC1403用8条引线双列直插标准封装，如图4所示。图1 数字电压表结构图五、元器件清单（1）MC144331片（2）CD45111片（3）MC14131片（4）MC14031片（5）CC45011片（6）74LS1941片（7）LM3241片（8）七段显示器4片（9）电阻、电容、导线等六、参数计算积分电阻电容的选择：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，CI一般取 0.1F。RI的选取与量程有关。量程为 2V 时，取 RI为 470k；量程为 200mV 时，取 RI为 27 k。选取 RI和 CI的计算公式如下：RI=UX(MAX)*T/(CI*UC )式

15、中，UC为积分电容上充电电压幅度, UC=VDD-UX(MAX)-U, U=0.5V;T=4000/fclk例如，假定 CI=0.1F，VDD=5V，fCLK=66kHz。当 UX(max)=2V 时，代入上式可得 RI=480k，取 RI=470k。MC14433 设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。MC14433A/D 转换周期约需 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。七、结论与心得本次课程设计通过对A/D转换器的认真学习以及对中、小规模集成电路有了更进一步的熟悉，我了解了设计电路的程序，也让我了解

16、了数字电压表的原理和设计理念。实际操作和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个看似很简单的电路，要动手把它设计出来就比较困难了，因为是设计要求我们在以后的学习中注意这一点，要把课本上所学到的知识和实际联系起来，同时通过本次电路的设计，不但巩固了所学知识，也是我们把理论与实践从真正意义上结合起来，增强了学习的综合能力。通过这次设计不仅锻炼了我们的团队协作精神，而且提高了创新能力。这次试验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟。在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力。在各种其他方面的能力上也都有了提高，而且在与老师和同学的交流过程中，互动学习，将知识融会贯通。更重要的是我们学会了很多学习的方法，而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断学习、实践、再学习、再实践。不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的完全积累，可以把这个当做基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。参考文献（1）高吉祥电子技术基础 实验与课程设计电子工业出版社2002年2月（2）黄永定电子线路试验与课程设计机械工业出版社2005年8月（3）彭启棕、李玉柏DSP技术电子科技大学出版社1997 年（4）李广弟、朱月秀、冷祖祁单片机基础第三版北京航天航空大学出版社2007年6月