数字直流电压表设计 (2)

电子技术

课程设计报告

题目名称：直流数字电压表的设计姓名：

学号：

班级：

指导教师：

目录

一·摘要

二·课程设计与任务要求

（一）设计目的

（二）设计要求

三·总体设计思路与方案选择

四·所用器件介绍

（一）双积分MC14433功能介绍

（二）MC14511B功能介绍

（三）MC1413功能介绍

（四）基准电源MC1403功能介绍

五·设计框图与工作原理，测量电压的转换与显示原理六·数字电压表的安装调试

七·元器件清单

八·心得体会

九·参考文献

直流数字电压表

一·摘要：

传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。

数字电压表（Digital V oltmeter）简称DVM，由电阻网络（量程调整）、直流放大（运放组成）、电压极性判断、A/D转换、数码（液晶）显示等部分组成。PZ158A 系列直流数字电压表具有6½位显示，可测量0.1µV—1000V直流电压。该表由于采用了微处理器和脉冲调宽模数转换技术，自动校零，数字模拟滤波等技术，从而赋予本表极其稳定的零位和良好的线性和抗干扰能力，本表还带有RS232C接口，可方便地与计算机系统相连接，组成数据采集系统。采用八位VFD或LED显示，其中PZ158A/1为单量程（0.2V）VFD显示，读数清晰，光色柔和，适宜在科研、工业、国防等各种领域内使用。

本设计给出基于MC14433双积分模数转换器的一种电压测量电路。数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。该系统由MC144333位半A\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、MC4543BCD七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。本次设计的简单直流数字电压表的具体功能是：最高量程为1999V，分四个档位量程，即0~1.999V，

0~19.99V0~199.9V，0~1999V，可以通过调档开关来实现各个档位。

直流数字电压表具有如下特点：

1显示清晰直观，读数准确；

2准确度高；

3分辨率高；

4测量范围宽；

5扩展能力强；

6集成度高，功耗低；

7抗干扰能力强。

二·课程设计任务与要求

2.1设计目的：

1了解直流数字电压表的基本构成，熟悉3位半双积分型A / D转换器

MC14433(TC14433)的性能及其引脚功能;

2.掌握通用直流数字电压表的设计方法、测试与调试技术。

3掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A/D转换器件的设计方法；4加强计算机运用·查阅资料和独立完成电路设计的能力；

2.2设计要求：

1）设计直流数字电压表；

2直流电压测量范围：0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V，0V~1999V。3）直流输入电阻大于100kΩ。

4）画出完整的设计电路图,写出总结报告。

5）选做内容：自动量程转换。

三·总体设计思路与方案选择

方案选择：

根据设计要求和功能的实现，我们考虑了如下三个方案：

由于MC14433具有功耗低，外接元件少，输入阻抗高，电源电压范围宽，可测量正负电压值，精度高，调试简单等特点，且具有自动调零和自动极性转换功能。所以选择方案三。

其原理框图为：

四·所用器件介绍，课程设计框图与工作原理：

（一）双积分MC14433功能介绍

图2是双积分ADC 的电路原理图。电路主要由积分器、比较器、计数器、JK 触发器和控制开关组成。由JK 触发器的输出Q S 控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当Q S =0时，积分器对取样电压)(S I nT v 做定时积分；当Q S =1时，积分器对基准电压-V REF 做定压积分。)(S I nT v 与-V REF 电压极性相反，这里设取样电压

)(S I nT v 为正，则-V REF 为负。

图2 双积分ADC 电路原理图

J Q C1 K R

Q 0 Q 1 …Q n-1 C CP n 位二进制 R 计数器

+

+

A C &

CP

S

-V REF

)(S I nT v

LSB MSB

D 0 D 1 D n-1R

C

S 1

S 2

O t

O v

C v

Q S

O

t

S

O

t

Q S

T 1

T 2 O

t

S 1选I v

S 1选-V REF

O v

C v

计数

进位回0时刻

图3双积分ADC 工作波形

1．定时积分

在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。

启动信号S 输入负窄脉冲（S=0），使计数器、JK 触发器Q S 清零，开关S 1选择取样电压作积分器输入。同时开关S 2闭合，使积分电容放电，O v =0。负脉冲消失后（S=1），开关S 2断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降，0

取启动信号S 的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CP 的周期为T CP 。则对取样电压的积分时间T 1为

T 1=2n T CP

是确定不变的。积分器输出电压为

?-=+-=t

S I O

S I O t RC nT v v d nT v RC t v 0

)

()0()(1)(τ 积分器输出电压与时间成线性关系，其斜率是负的，与取样电压)(S I nT v 和积分器的时间常数RC 有关。)(S I nT v 越大，负斜率也越大。定时积分的工作波形如图3所示，图中绘出了2个取样电压的情况。

定时积分结束时的积分器输出电压为

)(2)()(11S I CP

n S I O nT v RC

T T RC nT v T v -=-=

与取样电压成正比。

2．定压积分

在定时积分期间，当计数器的进位C=1时，下一个CP 脉冲使计数器复零和JK 触发器Q S =1，开关S 1选择基准电压-V REF ，积分器开始对基准电压-V REF 做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从0继续计数。与此同时，积分器输出电压上升

)(2)()()(1)(111S I CP

n t

T REF O REF O nT v RC

T T t RC V T v d V RC t v --=+--=?τ 积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压V REF 和积分器的时间常数RC 有关。定压积分的工作波形如图11.3.9所示。当0)(>t v O 时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果B Z （通常为自然二进制数）。从定压积分开始到计数器刚停止计数（0)(=t v O ）的时间T 2为

CP Z T B T =2

并且，在计数器停止计数时刻，积分器输出电压为0，即

0)(2)(221=-=+S I CP

n REF O nT v RC

T T RC V T T v

所以

)(22S I REF

CP n nT v V T T =

定压积分时间T 2与取样电压成正比。在此期间，计数器从0开始对周期脉冲CP 计数，直到停止并保持计数值B Z 。所以

)(22S I REF

n

CP Z nT v V T T B ==

计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上CP 脉冲可能与比较器的边沿不同步，导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为

)(21S I REF

n

Z nT v V B =±

的单位模拟电压LSB 为

n

REF

V LSB 2=

本设计运用MC14433实现双积分ADC 模数转换功能。 MC14433引脚功能说明：

MC14433采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图1-5所示，各引脚功能如下：

图1-5 MC14433引脚图

V DD V EE 正负电源输入端 V AG V SS 模拟地和接地端 Vref 基准电压端 V X 被测电压输入端 R1 外接积分电阻端

R1/C1 外接积分元件电阻和电容的接点

C1 外接积分电容端 C 01 C 02 失调补偿电容端 DU

实时输出控制端 CLKI CLKO 时钟信号输入输出端 EOC

转换周期结束标志输出端 OR 过量程标志输出端 4DS ~1DS 个位、十位、百位和千位输出标志端

0Q ~3Q

BCD 码输出端

其输出选通脉冲时序图如下

MC14433输出选通脉冲时序图

（二）MC14511B 功能介绍：

本设计采用的MC14511B 引脚图如下：

○1○2○6○7端为输入端，ABCD 为四位BCD 码输入 ○9~○

15为输出端。当输出为高电平时显示器对应段亮 V DD V SS 端：正负电源端。

LE 端：锁存允许端，当LE=“1”时，处于锁存状态，锁封输入，此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD 码；当LE=“0”时，处于选通状态，输出即为输入的代码。

由此可见，利用LE 端的控制作用可以讲某一时刻的输入BCD 代码寄存下来

使输出不再随输入变化。

灯测试端。当LT =“0”时，七段译码器输出全为“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

消隐端。当BI

=“0”时，控制译码器为全“0”输出，发光数码管各段全

亮显示；当BI

=“1”时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。

由以上可知。消隐端灯测试端锁存允许端共同实现锁存译码功能。当LE=“1”时，处于锁存状态，锁封输入，此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD 码；当LE=“0”时，处于选通状态。 （三）MC1413功能介绍

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 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）。MC1413电路结构和引脚如图1-8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抑制二极管。

图1-8 MC1413引脚和电路内部结构图 图1-9 MC1403引脚图 （四）基准电源MC1403功能介绍

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：①温度系数小；②躁声小；③输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4.5V 变化到+15V 时，输出电压值变化量03V mV ?<；④输出电压值准确度较高，在2.475V ～2.525V 以内；⑤压差小，适用于低压电源；⑥负载能力小，该电源最大输出电流为10mA 。

MC1403采用8引线双列直插标准封装，如上图1-9所示。在本设计中通过电阻分压为MC14433提供精确的2V 参考电压。

五·设计框图与工作原理，测量电压的转换与显示原理：

基于MC14433设计的数字直流电压表图：

5.1).被测直流电压VX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 上的数字信号经七段译码器CC4511译码后顺序输出。位选信号DS1 ～DS4通过位选开关MC1413分别控制着千/百/十/个位上的4只LED数码管的阴极。由于选通重复频率较高，看到四位数码管同时显示的效果。

5.2)当参考电压VR＝2V 时，满量程显示1.999V；VR＝200mV 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h段经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。选作自动量程控制！

5.3).最高位(千位)显示时，只接LED数码管的b、c段，千位只显示1或不显示，用千位的g段来显示模拟量的负值(正值不显示)，由MC14433的Q2 端.通过MC1413的负极性控制g段。

5.4).精密基准电源MC1403:A / D转换采用MC1403集成精密稳压源作A / D转换的参考电压，MC1403的输出电压为2.5V，电压变化在3 ～0.6mV.输出最大电流为10mA。

5.5) MC1413采用NPN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（OC门）。MC1413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管。

5.6）数码显示电路部分仿真见下图：

5.7）工作原理：

数字电压表将被测模拟量转化为数字量，并进行实时数字显示。该系统由MC14433位半A\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CC4511七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LE D发光数码管组成。

各部分的功能如下：

1）3位半A\D转换器（MC14433）：将输入的模拟信号转化成数字信号。

2）基准电源（MC1403）：提供精密电压，供A\D转换器作参考电压。

3)译码器（CC4511）：将二-十进制（BCD）码转换成七段信号。

4）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。

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 转换结果。

六·数字电压表的安装调试

6.1.数码显示部分的组装与调试

1) 先将后三位数码管同名笔划段与显示译码CC4511的相应输出端连在一起，最高位数码管只将b、c、g三笔划段接入电路。

2) 插好芯片CC4511与MC1413，试将CC4511的输入端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)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。6.2. 标准电压源的连接和调整：

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10KΩ电位器，使其输出电压为2.00V，调整结束后去掉电源线。

6. 3. 总装测试的方法与步骤

1)接线：按设计电路接好线路，并插上MC(TC)14433及MC1413等芯片。

2) 通电显示检查：接通+5V、-5V电源及地线，当输入端接地，此时显示器将显示“000”值，否则，应依次检测电源正负电压，用示波器测量、观察DS1～DS4 ，Q0～Q3波形，判别故障所在。

3) 电压粗测：调节输入电压VX 的高低，4位输出显示数码应相应变化，然后进入下一步精调。

4)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VX＝1.000V，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。

5) 测量电压极性显示检查：改变输入电压VX极性，使Vi＝－1.000V，检查是否有“－”显示，并校准显示值。

6) 在+1.999V～0～－1.999V量程内再一次仔细调整(调基准电压)使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。

6.4.测定设计制作数字电压表的误差等级

分别列表记录输入电压为±1.999，±1.500，±1.000，±0.500，0.000时的标准数字电压表的测量读数与制作数字电压表的测量显示值，计算测量误差，确定仪器的测量误差等级。

七．课程设计器材和供参考选择的元器件

表2-2 元器件

元器件的名称数目

数字电压表组装套件一套1套

万用表一块1块

焊接工具、无感起子、十字起子各1把

MC144331片

CC4511（或74LS48）1片

MC14511B1片

MC14031片

七段显示器4片

电阻、电容、连动开关、导线等若干

八．总结设计数字电压表的体会

（1）通过查资料知道数字电压表的具体应用电路是有很多种的，只要掌握了基本原理，最主要是模数转换原理。就可以举一反三地、越来越熟练地按照自己的构思，得心应手地设计好数字电压表电路。

（2）本次设计中的元器件例如MC14433在Multisim中并没有就无法仿真。整体设计电路无法知道是否正确。但局部电路仍可仿真验证其功能。

（3）有的元器件功能不知道可以通过网络进行查找。

（4）课程设计是培养综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对实际工作能力的具体训练。

回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多,学到很多很多的的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论.从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，最后在老师的帮助下顺利解决了。

我通过对直流数字电压表的模拟、数字电路的综合设计，了解了一般数字电路综合设计的过程，设计要求以及应完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往对数字电子技术的学习，并达到灵活运用的目的。在设计完成后还要将设计的电路安装，调试以加强动手能力，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

在设计中，对芯片MC14433的掌握感觉比较难，还需要继续学习。不管结果怎么样，我享受的是做事的过程，和团队的合作。在不懂的时候和同学讨论或咨询唐老师，通过唐老师的提示和讲解才逐渐懂得如何运用。与此同时明白了要多花时间去熟悉理论知识，多参考一些相关的文献让自己的思维发展，并且应该加强自己的动手能力。

这次设计唯一遗憾的是没有做出完整的仿真图，没有进行电路的安装调试。

在完成设计任务的同时，我也注重下面几点能力的培养和提高：

1）团队工作分工明细，提高效率，同时也培养独立工作能力和创造力；

2）综合运用专业以及基础知识，解决实际设计技术问题的能力；

3）查阅图书资料，产品手册的能力；

4）写电子技术设计报告的能力。

九·参考文献

1)《实用数字电子技术项目教程》朱向阳罗国强北京：科学出版社，2009；

2)《数字电子技术基础》唐治德北京：科学出版社，2010.

3)《电子技术课程设计指导》彭介华编著，北京:高等教育出版社， 1996 年。

4)《电子技术基础实验与课程设计》，高吉祥主编，北京：电子工业出版社，2005年。.

5) 《中国集成电路大全》编写委员会编，中国集成电路大全TTL集成电路。北京：国防工业出版社，1985。