简易数字电压表电路的设计

沈阳航空航天大学

课程设计简易数字电压表电路的设计

班级 / 学号

学生姓名

指导教师

沈阳航空航天大学

课 程 设 计 任 务 书

课 程 名 称 电子技术综合课程设计 院（系） 自动化学院 专业 自动化 班级 84070202 学号 2008040702054 姓名 卢广龙 课程设计题目 简易数字电压表电路的设计 课程设计时间: 2010 年 12 月 06 日 至 2010 年 12 月 26 日

课程设计的内容及要求：

一、设计说明

设计一个简易数字电压表，它可以测量直流、交流电压。其参考原理框图如图1所示。

图1数字电压表的原理框图

二、技术指标

测量电压的技术指标如表所示。

测量项目

量程

准确度 (23±5℃)

输入电阻 分辨力

最大允许电压

DCV 2V ±（0.5%RDG +3字） 10M Ω

1mV

500V 20V 10mV

ACV(RMS) (40Hz~1kHz) 2V ±（1.0%RDG

+3字） 10M Ω 1mV ±500V 20V 10mv

三、设计要求

1．在选择器件时，应考虑成本，要求采用LED 显示。各量程的转换采用开关转换。

2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。 3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。

分压电路

输入保护及 缓冲电路

交、直流 转换电路

压频转换电路

计数、译码 显示电路

AC

AC

DC

DC u x

四、实验要求

1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。

2．进行实验数据处理和分析。

五、推荐参考资料

1．沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术. [M]北京：人民邮电出版社，1993年

2. 阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

3. 童诗白、华成英.模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

4. 戴伏生.基础电子电路设计与实践. [M]北京：国防工业出版社，2002年

5. 谭博学主编.集成电路原理与应用. [M]北京：电子工业出版社，2003年

六、按照要求撰写课程设计报告

指导教师年月日

负责教师年月日

学生签字年月日

成绩评定表

评语、建议或需要说明的问题：

成绩

指导教师签字：日期：

一、概述

数字电压表简称DVM ，它是采用数字化测量技术设计的电压表。数字电压表自1952年问世以来，已有50多年的发展史，大致经历了五代产品。第一代产品是20世纪50年代问世的电子管数字电压表，第二代产品属于20世纪60年代出现的晶体管数字电压表，第三代产品为20世纪70年代研制的中、小规模集成电路的DVM 。近年来，国内外相继推出由大规模集成电路（LSI ）或超大规模集成电路（VLSI ）构成的数字电压表、智能数字电压表，分别属于第四代、第五代产品。它们不仅开创了电子测量的先河，更以其高准确度、高可靠性、高分辨力、高性价比等优良特性而受到人们的青睐。

二、方案分析

此设计主要利用压频转换实现对电压的测量。被测电压经过分压电路及缓冲、保护电路（若被测电压是交流，还需要经过SW1开关的切换进行交、直流转换），输入压频转换器，输出频率值与输入电压值成正比的脉冲信号，利用逻辑控制电路，对输出的脉冲在1秒内进行计数、译码、显示，从而实现对被测电压的数字显示。

本方案中的SW1开关，是为了实现交、直流档的转换，SW2开关是为了实现2V 、20V 电压档的转换，SW3开关是为了实现清零功能，清零后可以进行下一次测量。

此方案精度较高，基本能达到要求，而且元器件较少，造价低廉，使用起来方便。

本方案的原理方框图如图1所示：

图1 简易数字电压表的原理框图

三、电路设计

1、分压电路、输入保护及缓冲电路 电路图见图2。

该电路采用SW 开关进行量程选择，开关在上是2V 档，同时第四位数码管后的小数点亮，开关在下是20V 档，同时第三位数码管后小数点亮。为满足要求，用 M 10电阻进行分压。用两个反并联的二极管作为输入保护，防止输入电压过大烧毁后续电路。为使电压表获得较高的输入阻抗，以提高测量准确度，采用了输入阻抗较高的集成运放TLC2252。将运放接成电压跟随器以获取并输出被测电压，起到缓冲作用。

分压缓冲保护电路

压频转换电路 计数译码显示电路

交直流转换电路

逻辑控制电路

直流

交流

u x

图2 分压、保护及缓冲电路

2、交、直流转换电路

电路图见图3。

该电路能够实现对小信号进行绝对值运算。电路中选择

75R R =R R ==6Ω=k 20,Ω==k R

R 102

8，R n R R n R 219118,==。

当输入电压i U >0时，二极管D2导通， D1截止，第一个运放的输出电压i O U R R U 571-=。故i o i o U n U R R U R R U 118

19

619=-=-。

当i U <0时，二极管D2截止，D1导通，1o U =0，故i i O U n U R R U 16

19

-==。 由上述可知输出形成全波整流。对于交流信号，全波整流后需要进行滤波以减小纹波电压，故在19R 两端并联电容6C 。开关SW 在上是交流档，在下是直流

档。 经过理论计算并运行调试选取电阻6C =1uF ，19R Ω=k 4.22, 18R Ω=k 3.20。

图3 交直流转换电路

3、压频转换电路

电路图见图4。

图4是LM331组成的V/F 变换器。图中3R 和7C 组成输入滤波环节。电路左下角为调零电位器，右下角4V R 为转换增益调节，取为Ωk 5，在9C 上产生串联24R 产生一个附加的滞后效应，改善线性度。该电路有如下压频转换公式：

in V out V C R R R R f ??+?=8

2124423109.21

3R 取Ωk 100，使7脚的偏流能抵消6脚的偏流影响，以减小频率失调。7C 取0.01uF~0.1uF ，这里取0.1uF ，但决不能使7C <<9C ，以防止in V 微小的变化会导致out f 的瞬时停顿。下图当输入电压0~10V 时，输出频率为0~10kHz ，非线性误差为0.03%。

图4 压频转换电路

4、逻辑控制电路

电路图见图5。

由555定时器组成多谐振荡器，选取适当的电阻值和电容值，产生1Hz脉冲。JK触发器U5A和U5B用来产生计数脉冲，在1s内使计数器ENP端和ENT端置1，对输入计数器的由压频转换输出的频率信号计数1s。图中LE接到译码器的LE端，LE 端是锁存控制端，LE=0时选通，LE=1时锁存，由双JK触发器的逻辑结构可使得当计数器计数时，LE=0，计数1s后LE=1，使计数保持住直到手动清零为止。图中MR 端接在计数器的MR端和双JK触发器的置零端，开关SW用于实现手动清零。

图5 逻辑控制电路

5、计数、译码、显示电路

电路图见图6。

将由压频转换器输出的脉冲信号同步输入到计数器的CLK端进行计数。由图5的逻辑控制电路可知，在开始计数的1s内，ENP端和ENT端被置为1，计数器计数1s。译码器的LE端是锁存控制端，是为了在计数过程中防止跳数。计数时，LE 被置为0，1s后计数完毕被置为1，计数被锁存。计数器的MR端与图5的清零开关连接，清零后可以进行下一次测量。

图中U16是为了决定在进行量程选择时小数点的亮灭，与图2的量程选择开关连接。三输入或门与发光二极管组成判断是否溢出的逻辑电路。当计数达到2000时，数码管全部熄灭，发光二极管点亮，表示超出所选量程的测量范围。

图6 计数译码显示电路

四、性能测试

表1 直流电压测试数据表

实际值/mV 测量值/mV 误差/mV 相对误差/% 100 99 1 1

500 504 2 0.4

1000 1008 8 0.8

1500 1513 13 0.87

1900 1917 17 0.89 由以上测试结果可以看出，当电压太大或者太小时相对误差比较大，当电压在500mV左右时将会测得相对准确的值。

表2 交流正弦电压测试数据表

实际值/mV 频率/Hz 测量值/mV 误差/mV 相对误差/%

100

50 102 2 2 500 101 1 1 1000 99 1 1

1000

50 1009 9 0.9 500 1007 7 0.7 1000 1008 8 0.8

1900

50 1919 19 1 500 1918 18 0.95 1000 1918 18 0.95

由以上测试结果可以看出，频率的变化对交流正弦电压的测量影响不是很大，影响测量精度的因素仍然和被测电压值的大小有关。

五、结论

本设计的关键在于压频转换的精度。只要调节图4压频转换器的电阻Rv2，使其与图3整流电路的电阻R18和R19相匹配，就可以确定被测电压与压频转换输出频率间的比例关系，因此对R18和R19的阻值要求不是非常严格。而由于压频转换准确度的限制使得显示电压值与实际电压值之间总是存在一定误差。而且随着被测电压的增加，图4的转换线性度也将随之下降，所以转换误差也随之增加。其次，多谐振荡器产生周期1s的脉冲，其精度受所选电阻和电容的影响较大，尤其是测量较小电压值时，将会产生较大误差。

六、性价比

本设计原理清晰，易于理解，设计方便，电路工作稳定，操作简单，具有较高的测量准确度和可靠性，多选用一些常用器件，易于购买，价格便宜，性价比较高。

七、课设体会及合理化建议

通过这次课程设计，我对模电和数电知识有了更深的理解，同时也使我对一些电子仿真软件的应用有了一定的掌握，而且通过不断的查阅各种资料及深入思考，我也学到了很多课堂以外的东西，这也锻炼了我独立思考、独立学习的能力。

通过对这次课设题目的深入研究，尽管最终仿真出了结果，其实我的设计还有一些需要改进之处。尤其是图4的压频转换部分，转换精度不是很高，很大程度上制约了测量的准确度。可以将此电路进行改进以提高转换的线性度，也可以用其他转换精度较高的电路加以取代。其次是由555组成的多谐振荡器，它产生的1Hz脉冲精度不高，在测较小电压时会产生较大误差，因此可以用晶振经过分频获得精度很高的1Hz脉冲加以取代。最后，我的设计采用了手动清零方式，这样设计使电路简化很多，而且随时能够进行下一次测量，但也可以对电路加以改进，使其能够自动清零，这就需要增加一些额外的控制电路通过定时器使计数器能够延时清零。

由于受课设要求的限制，设计过程显得有很大局限性，没有使我们的思路得以充分展开。题目要求采用压频转换实现模数转换，而我最初查阅的资料多数采用A/D转换器进行转换，而且现在的新型数字电压表均采用这种方式，这样使得稳定性和准确性能够大大提高。但无论如何，两周的课设的确让我收获很多。

参考文献

1．沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术. [M]北京：人民邮电出版社，1993年

2. 阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

3. 童诗白、华成英.模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

4. 戴伏生.基础电子电路设计与实践. [M]北京：国防工业出版社，2002年

5. 谭博学主编.集成电路原理与应用. [M]北京：电子工业出版社，2003年

附录Ⅰ总电路图

附录Ⅱ元器件清单

序号编号名称型号数量

1 U1：A 集成运放TLC225

2 1

2 U2 集成运放LM358 2

3 U3 V/F变换器LM331 1

4 U1 555定时器NE55

5 1

5 U5 JK触发器74LS112 2

6 U6~U9 加法计数器74160 4

7 U10~U13 BCD七段译码器74HC4511 4

8 U14~U17 数码管7SEG-MPX1-CC 4

9 SW1 双刀双掷开关SW-DPDT 1

10 SW2 单刀双掷开关SW-SPDT 1

11 SW3 单刀双掷开关SW-SPDT-MOM 1

12 D3 发光二极管DIODE-LED 1

13 D1、D2、D4、D5 普通二极管10A02 4

14 U15~U17 非门74LS04 3

15 U14 或非门NOR_3 1

16 C1~C6 电容 C 6

17 R1~R20 电阻R 20

18 Rv2、Rv3 滑动变阻器POT 2