1、電子線路課程實驗設計報告數字電壓表的設計設計者： 霍琳 （20131321046） 2015年5月23日摘要一、設計目的綜合運用專業及基礎知識，解決實際工程技術問題的能力查閱圖書資料、產品手冊和各種工具書的能力熟悉常用電子儀器操作使用和測試方法 工程繪圖能力寫技術報告和編制技術資料的能力。培養同學之間合作與交流的能力電路檢測與故障排查能力二、設計要求及技術指標利用所學知識，通過上網或到圖書館查閱資料，設計三個實現數字萬用表的方案；只要求寫出實現原理，畫出原理功能框圖，描述其功能。說明：采用原理、方案不限，也可以自行設計。其中對將要實驗方案中的數字電壓表，需采用中、小規模集成電路、MC14433

2、 A/D轉換器等電路進行設計，寫出已確定方案詳細工作原理，計算出參數。關鍵詞： 數字電壓表 電壓 轉換 模塊目錄1、系統設計及原理11.1系統可行性21.2系統工作過程及原理32、電路設計單元和模塊42,1系統框圖52.2電路元件連接圖63、測試方案與測試結果：94、設計總結和心得95、主要器件清單9正文1.系統設計方案及原理1.1系統可行性：方案主要采用MC14433、CD4511作為顯示部分，而且外圍器件比較簡單，只需電阻和電容即可。；通過R1、R2起到限流作用，防止因輸入信號電流過大而損壞芯片。MC14433本身功耗就很低，而且采用動態掃描每一刻只有一個數碼管在亮這又省四分之一的電。采用

3、本電路接線簡單原理易明白，只需按原理把硬件電路接好就可以實現數字萬用表的功能，無需軟件上的編程，技術上易懂，即使是非專業人員也可以進行安裝、調試、檢修，而且器件價格合適，采購方便，為專業制作萬用表的芯片。成本低，推廣起來易實施。1.2系統工作過程以及原理：三位半數字電壓表通過位選信號DS1DS4進行動態掃描顯示，由于MC14433電路的A/D轉換結果是采用BCD碼多路調制方法輸出，只要配上一塊譯碼器，就可以將轉換結果以數字方式實現四位數字的LED發光數碼管動態掃描顯示。DS1DS4輸出多路調制選通脈沖信號。DS選通脈沖為高電平時表示對應的數位被選通，此時該位數據在Q0Q3端輸出。每個DS選通脈

4、沖高電平寬度為18個時鐘脈沖周期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期。DS和EOC的時序關系是在EOC 脈沖結束后，緊接著是DS1輸出正脈沖。以下依次為DS2，DS3和DS4。其中DS1對應最高位(MSD)，DS4則對應最低位(LSD)。在對應DS2，DS3和DS4選通期間，Q0Q3輸出BCD全位數據，即以8421碼方式輸出對應的數字09在DS1選通期間，Q0Q3輸出千位的半位數0或l及過量程、欠量程和極性標志信號。在位選信號DS1選通期間Q0Q3的輸出內容如下：Q3表示千位數，Q3=0代表千位數的數字顯示為1，Q3=1代表千位數的數字顯示為0。Q2表示被測電壓的極性，Q2的電平為1，表

5、示極性為正，即UX>0；Q2的電平為0，表示極性為負，即UX<0。顯示數的負號(負電壓)由MC1413中的一只晶體管控制，符號位的“-陰極與千位數陰極接在一起，當輸入信號UX為負電壓時，Q2端輸出置“0”， Q2 負號控制位使得驅動器不工作，通過限流電阻RM 使顯示器的“-”(即g 段)點亮；當輸入信號UX為正電壓時，Q2端輸出置“1”，負號控制位使達林頓驅動器導通，電阻RM接地，使“-”旁路而熄滅。小數點顯示是由正電源通過限流電阻RDP供電點亮小數點。若量程不同則選通對應的小數點。過量程是當輸入電壓UX超過量程范圍時，輸出過量程標志信號。當Q3=0,Q0=1時，表示Ux處于過量程

6、狀態；當Q3=1,Q0=1時，表示Ux處于欠量程狀態。當 = 0 時，|UX|>1999，則溢出。|UX|>UR則 輸出低電平。當 = 1時，表示|UX|<UR 。平時OR輸出為高電平，表示被測量在量程內。MC14433的端與MC4511的消隱端 直接相連，當UX超出量程范圍時，輸出低電平，即 = 0 = 0 ，MC4511譯碼器輸出全0，使發光數碼管顯示數字熄滅，而負號和小數點依然發亮。三位半A/D轉換器MC14433  在數字儀表中，MC14433電路是一個低功耗三位半雙積分式A/D轉換器。和其它典型的雙積分A/D轉換器類似，MC14433A/D轉換器

7、由積分器、比較器、計數器和控制電路組成。如果必要設計應用者可參考相關參考書。使用MC14433時只要外接兩個電阻(分別是片內RC 振蕩器外接電阻和積分電阻RI)和兩個電容(分別是積分電容CI和自動調零補償電容C0)就能執行三位半的A/D轉換。  MC14433內部模擬電路實現了如下功能：（1）提高A/D 轉換器的輸入阻抗，使輸入阻抗可達l00M以上；（2）和外接的RI、CI構成一個積分放大器，完成V/T 轉換即電壓時間的轉換；（3）構造了電壓比較器，完成“0”電平檢出，將輸入電壓與零電壓進行比較，根據兩者的差值決定極性輸出是“1”還是“0”。比較器的輸出用作內部數字控制電路

8、的一個判別信號；（4）與外接電容器C0構成自動調零電路。除“模擬電路”以外，MC14433 內部含有四位十進制計數器，對反積分時間進行3位半BCD碼計數(01999)，并鎖存于三位半十進制代碼數據寄存器，在控制邏輯和實時取數信號(DU)作用下，實現A/D轉換結果的鎖定和存儲。借助于多路選擇開關，從高位到低位逐位輸出BCD碼Q0Q3，并輸出相應位的多路選通脈沖標志信號DS1DS4實現三位半數碼的掃描方式（多路調制方式）輸出。MC14433內部的控制邏輯是A/D 轉換的指揮中心，它統一控制各部分電路的工作。根據比較器的輸出極性接通電子模擬開關，完成A/D轉換各個階段的開關轉換，產生定時轉換信號以及

9、過量程等功能標志信號。在對基準電壓VREF 進行積分時，控制邏輯令4位計數器開始計數，完成A/D 轉換。MC14433內部具有時鐘發生器，它通過外接電阻構成的反饋，井利用內部電容形成振蕩，產生節拍時鐘脈沖，使電路統一動作，這是一種施密特觸發式正反饋RC 多諧振蕩器，一般外接電阻為360k時，振蕩頻率為100kHz；當外接電阻為470k時，振蕩頻率則為66kHz，當外接電阻為750k時，振蕩頻率為50kHz。若采用外時鐘頻率。則不要外接電阻，時鐘頻率信號從CPI(10腳)端輸入，時鐘脈沖CP 信號可從CPO(原文資料為CLKO)(11腳)處獲得。MC14433內部可實現極性檢測，用于顯示輸入電壓

10、UX 的正負極性；而它的過載指示(溢出)的功能是當輸入電壓Vx 超出量程范圍時，輸出過量程標志（低有效）。MC14433是雙斜率雙積分A/D 轉換器，采用電壓時間間隔(V/T)方式，通過先后對被測模擬量電壓UX和基準電壓VREF 的兩次積分，將輸入的被測電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔，用計數器測出這個時間間隔對應的脈沖數目，即可得到被測電壓的數字值。雙積分過程可以做如下概要理解：首先對被測電壓UX 進行固定時間T1、固定斜率的積分，其中T1=4000Tcp。顯然，不同的輸入電壓積分的結果不同（不妨理解為輸出曲線的高度不同）。然后再以固定電壓VREF 以及由RI,CI所決定的積分常數按照固

11、定斜率反向積分直至積分器輸出歸零，顯然對于上述一次積分過程形成的不同電壓而言，這一次的積分時間必然不同。于是對第二次積分過程歷經的時間用時鐘脈沖計數，則該數N就是被測電壓對應的數字量。由此實現了A/D轉換。積分電阻電容的選擇應根據實際條件而定。若時鐘頻率為66kHz，CI一般取0.1F。RI的選取與量程有關，量程為2V時，取RI為470k；量程為200mV時，取RI為27k。 選取RI 和CI 的計算公式如下：式中，UC為積分電容上充電電壓幅度,UC = VDD - UX(max) - U,U = 0.5V,例如，假定CI=0.1F，VDD=5V，fCLK=66kHz。當UX(max)=2V

12、時，代入上式可得RI=480k，取RI=470k。MC14433設計了自動調零線路，足以保證精確的轉換結果。MC14433A/D轉換周期約需16000個時鐘脈沖數，若時鐘頻率為48kHz，則每秒可轉換3次，若時鐘頻率為86kHz，則每秒可轉換4次。 MC14433 采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列，參考圖1的引腳標注，各主要引腳功能說明如下：(1) 端：VAG，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測電壓UX和基準電壓VREF的參考點地。(2) 端：RREF，外接基準電壓輸入端。(3) 端：UX，是被測電壓輸入端。(4) 端：RI，外接積分電阻端。(5) 端：RI/CI，外接積分元件電阻和電容

13、的公共接點。(6) 端，CI，外接積分電容端，積分波形由該端輸出。(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失調補償電容端。推薦外接失調補償電容C0取0.1F。(9) 端：DU，實時輸出控制端，主要控制轉換結果的輸出，若在雙積分放電周期即階段5開始前，在DU端輸入一正脈沖，則該周期轉換結果將被送入輸出鎖存器并經多路開關輸出，否則輸出端繼續輸出鎖存器中原來的轉換結果。若該端通過一電阻和EOC 短接，則每次轉換的結果都將被輸出。(10) 端：CPI (CLKI)，時鐘信號輸入端。(11) 端：CPO (CLKO)，時鐘信號輸出端。(12) 端：VEE，負電源端，是整個電路的電源最負端，主要作為模

14、擬電路部分的負電源，該端典型電流約為0.8mA，所有輸出驅動電路的電流不流過該端，而是流向VSS端。(13) 端：VSS 負電源端(14) 端：EOC，轉換周期結束標志輸出端，每一A/D轉換周期結束，EOC端輸出一正脈沖，其脈沖寬度為時鐘信號周期的1/2。(15) 端：，過量程標志輸出端，當|UX|>VREF 時，輸出低電平，正常量程為高電平。(16)(19) 端：對應為DS4DS1，分別是多路調制選通脈沖信號個位、十位、百位和千位輸出端，當DS端輸出高電平時，表示此刻Q。Q3 輸出的BCD 代碼是該對應位上的數據。(20)（23）端：對應為Q0-Q3，分別是A/D 轉換結果數據輸出BC

15、D代碼的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位輸出端。(24) 端：VDD，整個電路的正電源端。七段鎖存-譯碼-驅動器MC4511  MC4511 是專用于將二-十進制代碼(BCD)轉換成七段顯示信號的專用標準譯碼器，它由4位鎖存器，7段譯碼電路和驅動器三布分組成。(1) 四位鎖存器(LATCH)：它的功能是將輸入的A，B，C 和D代碼寄存起來，該電路具有鎖存功能，在鎖存允許端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起鎖存數據的作用。當LE=1時，鎖存器處于鎖存狀態，四位鎖存器封鎖輸入，此時它的輸出為前一次LE=0時輸入的BCD碼；當LE=0時，鎖存器處于選通狀態，輸

16、出即為輸入的代碼。由此可見，利用LE 端的控制作用可以將某一時刻的輸入BCD代碼寄存下來，使輸出不再隨輸入變化。(2) 七段譯碼電路：將來自四位鎖存器輸出的BCD 代碼譯成七段顯示碼輸出，MC4511中的七段譯碼器有兩個控制端：LT(LAMP TEST)燈測試端。當LT = 0時，七段譯碼器輸出全1，發光數碼管各段全亮顯示；當LT = 1時，譯碼器輸出狀態由BI端控制。 BI (BLANKING)消隱端。當BI = 0時，控制譯碼器為全0輸出，發光數碼管各段熄滅。BI = 1時，譯碼器正常輸出，發光數碼管正常顯示。上述兩個控制端配合使用，可使譯碼器完成顯示上的一些特殊功能。(3) 驅動器：利用

17、內部設置的NPN 管構成的射極輸出器，加強驅動能力，使譯碼器輸出驅動電流可達20mA。MC4511電源電壓VDD的范圍為5V-15V，它可與NMOS電路或TTL電路兼容工作。MC4511采用16引線雙列直插式封裝，引腳分配和真值表參見圖2。使用MC451l時應注意輸出端不允許短路，應用時電路輸出端需外接限流電阻。七路達林頓驅動器陣列MC1413  MC1413采用NPN達林頓復合晶體管的結構，因此具有很高的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受MOS 或CMOS 集成電路的輸出信號，并把電壓信號轉換成足夠大的電流信號驅動各種負載該電路內含有7個集電極開路反相器(也稱OC0門)

18、。MC1413電路結構和引腳如圖3所示，它采用16引腳的雙列直插式封裝。每一驅動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的續流二極管。實際試驗中，我們將用五個三極管和若干電阻代替MC14433。高精度低漂移能隙基準電源MC1403  MC1403的輸出電壓的溫度系數為零，即輸出電壓與溫度無關該電路的特點是： 溫度系數小； 噪聲小； 輸入電壓范圍大，穩定性能好,當輸入電壓從+45V變化到+15V時，輸出電壓值變化量小于3mV；輸出電壓值準確度較高，y。值在2.475V2.525V 以內； 壓差小，適用于低壓電源； 負載能力小，該電源最大輸出電流為10mA。 MC1403用8條引線雙列直插標準封裝，如圖4所示。2、電路設計單元和模塊系統設計任務為設計一個數字電壓表。基本要求是在電路板上焊接數字電路，結合MC14433、CD4511、MC1413、MC1403芯片以及LCD數碼管完成數字電壓表的電路設計并進行相關測試。據此，本系統采用以各種芯片為核心的數字電壓表系統主要由以下幾個功能模塊構