數(shù)字電壓表的課程設(shè)計(jì)

數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)目的作用數(shù)字電壓表的基本原理，是對(duì)直流電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其結(jié)果用數(shù)字直接顯示出來(lái)，按其基本工作原理可分為積分式和比較式兩大類(lèi)。熟悉集成電路MC14433,MC1413,CD4511和MC1403的使用方法，并掌握其工作原理。(1).設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表電路(2).測(cè)量范圍：直流電壓0V-1.999V,oV-19.99V,OV-199.9V,OV-1999V;(3).畫(huà)出數(shù)字電壓表電路原理圖，寫(xiě)出總結(jié)報(bào)告。三、設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)(一)、系統(tǒng)概述數(shù)字電壓表是將被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字顯示的數(shù)字系該系統(tǒng)(如圖1所示)可由位A/D轉(zhuǎn)換器、MC1413七路達(dá)和共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管組成。位是指十進(jìn)制數(shù)0000～1999,所謂3位是指?jìng)€(gè)位、十位、百位，其數(shù)字范圍均為0～9。而所謂半位是指千位數(shù)，它不能從0變化到9,而只能由0變到1,即二值狀態(tài)，所以成為半位。(1)轉(zhuǎn)換器：將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。(2)基準(zhǔn)電源：提供精密電壓，供A/D轉(zhuǎn)換器作參考電壓。(3)譯碼器：將二-十進(jìn)制(BCD)碼轉(zhuǎn)換成七段信號(hào)。(4)驅(qū)動(dòng)器：驅(qū)動(dòng)顯示器的a,b,c,d,e,f,g七個(gè)發(fā)光段，推動(dòng)發(fā)光數(shù)碼管(LED)進(jìn)行顯示。(5)顯示器：將譯碼器輸出的七段信號(hào)進(jìn)行數(shù)字顯示，讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)2數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)負(fù)號(hào)驅(qū)動(dòng)39號(hào)制頁(yè)控8bCd工作過(guò)程如下：數(shù)字電壓表通過(guò)位選信號(hào)DS?~DS?進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示，由于MC14433就可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)四位數(shù)字的LED發(fā)光數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。度為18個(gè)時(shí)鐘脈沖周期，兩個(gè)相鄰選通脈沖之間間隔2個(gè)時(shí)鐘脈沖周期。DS在位選信號(hào)Ds,選通期間Q。~Q?的輸出內(nèi)容如下：Q?表示千位數(shù)，Q?=“0”代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為1,Q?=“1”代表中的一只晶體管控制，符號(hào)位的“-”陰極與千位數(shù)陰極接在一起，當(dāng)輸入信過(guò)限流電阻R使顯示器的“-”(即g段)小數(shù)點(diǎn)顯示是由正電源通過(guò)限流電阻Rpp供電燃亮小數(shù)點(diǎn)。若量程不同則選通對(duì)應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)。過(guò)量程是當(dāng)輸入電壓v、超過(guò)量程范圍時(shí)，輸出過(guò)量程標(biāo)志信號(hào)OR。當(dāng)Q?=“0”且Q?=“1”時(shí)，表示vx處于過(guò)過(guò)量狀態(tài)。當(dāng)Q?=“1”且Q。=“1”時(shí)，表示vx處于欠量程狀態(tài)。 當(dāng)OR=“1”時(shí)，表示lvxI<vR。平時(shí)OR為高電平，表示被測(cè)量在量程內(nèi)。則OR輸出低電平，即OR=0→BI=0,MC4511譯碼器輸出全0,使發(fā)光數(shù)碼管顯示數(shù)字熄滅，而負(fù)號(hào)和小數(shù)點(diǎn)依然發(fā)亮。(二)、單元電路設(shè)計(jì)與分析1、轉(zhuǎn)換器——MC14413在數(shù)字儀表中，MC14413電路是一個(gè)低功率位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。MC14413電路總框圖如圖2所示。由圖2可知，MC14413A/D轉(zhuǎn)換器主要由模擬部分和數(shù)字部分組成。使用時(shí)只要外接兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容就能執(zhí)行位的A/D轉(zhuǎn)換器。多路選擇開(kāi)關(guān)控制邏輯CHOS模擬電路o溢出1kLCMC14433電路結(jié)構(gòu)及引腳圖(1)模擬部分：圖3為MC14413內(nèi)部模擬電路的工作原理示意圖。其中共有3個(gè)運(yùn)算放器A?,A?,A?和10多個(gè)電子模擬開(kāi)關(guān)，A,接成電壓跟隨器，100MQ以上。A?和外接的R、c構(gòu)成一個(gè)積分放大器，完成V/T即電壓-A1312233上SW2:SW5-2:SW1-21(2)數(shù)字部分：包括圖2中除“模擬部分”以外的部分。其中四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器為3位BCD碼計(jì)數(shù)器，對(duì)反積分時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)(0～1999),并送到到低位逐位輸出多路調(diào)制BCD碼Q。~Q,并輸出相應(yīng)位的多路選擇脈沖標(biāo)志信號(hào)DS,~DS?;控制邏輯，這是A/D轉(zhuǎn)換的指揮中心，統(tǒng)一控制各部分電路的工作，它是根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開(kāi)關(guān)，完成A/D轉(zhuǎn)換6個(gè)階段的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換和定時(shí)轉(zhuǎn)換信號(hào)，以及過(guò)量程等功能標(biāo)志信號(hào)，在對(duì)基準(zhǔn)電壓vR進(jìn)行積分時(shí)，令4位計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，完成A/D轉(zhuǎn)換；時(shí)鐘發(fā)生器，它通過(guò)外接電阻構(gòu)成的反饋，并利用內(nèi)部電容形成振蕩，產(chǎn)生節(jié)拍時(shí)鐘脈沖，使電路統(tǒng)一動(dòng)作，這是一種施密特觸發(fā)式正反饋R-C多諧振蕩器，一般外接電阻為360kQ時(shí)，振蕩頻率則為100kHz,當(dāng)外接電阻為470kQ時(shí)，振蕩頻率則為66kHz,當(dāng)外接電阻為750kQ時(shí)，振蕩頻率則為50kHz。若采用外時(shí)鐘頻率，則不要外接電阻，外部時(shí)鐘頻率信號(hào)從CLKI(10腳)端輸出，時(shí)鐘脈沖CP信號(hào)可從CLKO(11腳)獲得；極性檢測(cè)，顯示輸入電壓vx的正負(fù)極性；過(guò)載指示(溢出),當(dāng)輸入電壓vx超出量程范圍時(shí)，輸出過(guò)量程范圍時(shí)，輸出過(guò)量程標(biāo)志OR。MC14413A/D轉(zhuǎn)換器是雙斜積分，采用電壓-時(shí)間間隔(V/T)方式，通過(guò)先后對(duì)被測(cè)電壓模擬量vx和基準(zhǔn)電壓vR的兩次積分，將輸入的被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，用計(jì)數(shù)器測(cè)出這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)目，即可得到被測(cè)電壓的數(shù)字值。雙積分過(guò)程可以由下面的式子表示：用時(shí)鐘脈沖數(shù)N來(lái)表示時(shí)間Tx,則被測(cè)電壓就轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。積分電阻電容的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件而定，若時(shí)鐘頻率為66kHz,C?一般取0.1uF,R?的選取與量程有關(guān)，量程為2V時(shí)，取R?=470kΩ;量程為200mV時(shí)，取R?=27kΩ。選取R?和c?的計(jì)算公式如下：式中，△Vc為積分電容上充電電壓幅度，(圖4)式可得R,=480kΩ,取R?=470kΩ。轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)零線路，其中緩沖器和積分器采用模擬調(diào)零方式，而比較器采用數(shù)字調(diào)零方式。在自動(dòng)調(diào)零時(shí)，把緩沖器和積分器的失調(diào)電壓存放在一個(gè)失調(diào)補(bǔ)償電容c?上，而比較器的失調(diào)電壓用數(shù)字形式存放在內(nèi)部的寄存器中，A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)自動(dòng)扣除電容上和寄存器中的失調(diào)電壓，就可得到精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換器周期約需16000個(gè)時(shí)鐘脈沖數(shù)，若時(shí)鐘頻率為48kHz,則每秒可轉(zhuǎn)換3次，若時(shí)鐘頻率為86kHz,則每秒可轉(zhuǎn)換4次。MC14413采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列如圖4所示，各引腳端功能說(shuō)明如下：高阻輸入端，作為輸入被測(cè)電壓vx和基準(zhǔn)電壓vR的參考點(diǎn)地。是外接基準(zhǔn)電壓輸入端，若此端加一個(gè)大于5個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖(VEE電平),則系統(tǒng)復(fù)位到轉(zhuǎn)換周期的起點(diǎn)。3端：Vx,是被測(cè)電壓輸入端。2345689EOC4端：R?'外接積分點(diǎn)阻端。圖4MC14433頂視圖5端：R?/c,外接積分元件電阻和電容的接點(diǎn)。6端：C?,外接積分電容端，積分波形由該端輸出。7和8端：Co和Co?,外接失調(diào)補(bǔ)償電容端，推薦該兩端外接失調(diào)補(bǔ)償9端：DU,實(shí)時(shí)輸出控制端，主要控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出，若在比積分放電周期即階段5開(kāi)始前，在DU端輸入一正脈沖，則該輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來(lái)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，若該端通過(guò)一電阻和EOC短接，則每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都將被12端：VEE,負(fù)電源端，是整個(gè)電路的電源最負(fù)端，主要作為模擬電路部分的負(fù)電源，該端典型約為0.8mA,所有輸出驅(qū)動(dòng)電路的電流不流過(guò)該端，而是流向vs端。13端：Vss,負(fù)電源端。轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端，每一A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC端輸出一正脈沖，其脈沖寬度為時(shí)鐘信號(hào)周期的1/2。 15端：OR,過(guò)量程標(biāo)志輸出端，當(dāng)lvxI>vR時(shí)，OR輸出低電平，正常量程內(nèi)OR為高電平。16～19端：對(duì)應(yīng)為DS?~DS?,分別是多路調(diào)制選通脈沖信號(hào)個(gè)位、十位、百位和千位輸出端。當(dāng)DS端輸出高電平時(shí)，表示此刻Q。~Q輸出的BCD碼代碼是該對(duì)應(yīng)位上的數(shù)據(jù)。20～23端：對(duì)應(yīng)為Q。~Q?,分別是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)輸出BCD代碼的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位輸出端。24端：Vpp,整個(gè)電路的正電源端。2.七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器CD4511CD4511是專(zhuān)用于將二-十進(jìn)制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號(hào)的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)譯碼器，它由四位閂鎖、七段譯碼電路和驅(qū)動(dòng)器三部分組成，如圖5所示。驅(qū)動(dòng)七段譯四位閂f器碼鎖LE.LTBI圖5CD4511功能圖(1)四位閂鎖(LATCH):它的功能是將輸入的A、B、C和D代碼寄存起閂鎖電路的作用。當(dāng)LE=“1”時(shí)，閂鎖器處于鎖存狀態(tài)，四位閂鎖封鎖輸入，此時(shí)它的輸出為前一次LE=“0”時(shí)輸入的BCD碼；當(dāng)LE=“0”時(shí)，閂鎖器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。由此可見(jiàn)，利用LE端的控制作用可以將某一時(shí)刻的輸入BCD代碼寄存下來(lái)，使輸出不再隨輸入變化。(2)七段譯碼電路：將來(lái)自四位閂鎖輸出的BCD代碼譯成七段顯示碼輸①LT(LAMPTEST)燈測(cè)試端。當(dāng)LT=“0”時(shí)，七段譯碼器輸出全“1”,發(fā)光數(shù)碼管各段全亮顯示；當(dāng)LT=“1”時(shí)，譯碼器輸出狀態(tài)由BI端控②BI(BLANKING)消隱端。當(dāng)BI=“0”時(shí)，控制譯碼器為全“0”輸出，發(fā)光數(shù)碼管各段熄滅。BT=“1”時(shí)，譯碼器正常輸出，發(fā)光數(shù)碼管正常顯示。上述兩個(gè)控制配合使用，可使譯碼器完成顯示上的一些特殊功能。(3)驅(qū)動(dòng)器：利用內(nèi)部設(shè)置的NPN管構(gòu)成的射極輸出器，加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，使譯碼器輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA。CD4511電源電壓vo的范圍為5V~15V。它可與NMOS電路或TTL電路兼CD4511采用16引線雙列直插式封裝(見(jiàn)圖6)。其真值表1。輸入輸出DCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000暗01100001111111001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000暗01110110000000暗01111000000000暗01111010000000暗01111100000000暗01111110000000暗111XXXX取決于原來(lái)LE=0時(shí)的BCD碼換成足夠大的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。該電路內(nèi)含有7個(gè)集電極開(kāi)路反相器(也稱(chēng)OC門(mén))。MC1413電路結(jié)構(gòu)和引腳如圖7所示，它采用16引腳的雙列9234567B