三位半數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)

1、河北建筑工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程名稱： 電子技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì) 題目名稱: 3位半數(shù)字萬用表設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電子 132 學(xué) 號： 2013315202 學(xué)生姓名： 李天明 指導(dǎo)教師： 魏建新 職 稱： 高級實(shí)驗(yàn)師 成 績: 2015年7 月 12日一、摘要萬用表結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶、使用方便、用途多樣、量程范圍廣。它是維修電子設(shè)備和調(diào)試電路的重要工具，是電子工程技術(shù)人員最常用的一種測量儀表。設(shè)計(jì)目的是培養(yǎng)獨(dú)立思考和創(chuàng)新意識，以及動(dòng)手調(diào)試組裝能力和分析解決問題的能力。通過對mc14433的設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)對基礎(chǔ)知識的掌握程度。二、關(guān)鍵字1、三位半AD轉(zhuǎn)換

2、器MC14433 在數(shù)字儀表中，MC14433電路是一個(gè)低功耗三位半雙積分式A、D轉(zhuǎn)換器。和其它典型的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器類似，MC14433AD轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和控制電路組成。如果必要設(shè)計(jì)應(yīng)用者可參考相關(guān)參考書。使用MC14433時(shí)只要外接兩個(gè)電阻(分別是片內(nèi)RC 振蕩器外接電阻和積分電阻RI)和兩個(gè)電容(分別是積分電容CI和自動(dòng)調(diào)零補(bǔ)償電容C0)就能執(zhí)行三位半的AD轉(zhuǎn)換。MC14433內(nèi)部模擬電路實(shí)現(xiàn)了如下功能：（1）提高AD 轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，使輸入阻抗可達(dá)l00M僖隕?；?2）和外接的RI、CI構(gòu)成一個(gè)積分放大器，完成VT 轉(zhuǎn)換即電壓-時(shí)間的轉(zhuǎn)換；（3）構(gòu)造了電壓比較器，完

3、成“0”電平檢出，將輸入電壓與零電壓進(jìn)行比較，根據(jù)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(nèi)部數(shù)字控制電路的一個(gè)判別信號；（4）與外接電容器C0構(gòu)成自動(dòng)調(diào)零電路。圖 1 MC14433原理框圖除“模擬電路”以外，MC14433 內(nèi)部含有四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，對反積分時(shí)間進(jìn)行3位半BCD碼計(jì)數(shù)(01999)，并鎖存于三位半十進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實(shí)時(shí)取數(shù)信號(DU)作用下，實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的鎖定和存儲。借助于多路選擇開關(guān)，從高位到低位逐位輸出BCD碼Q0Q3，并輸出相應(yīng)位的多路選通脈沖標(biāo)志信號DS1DS4實(shí)現(xiàn)三位半數(shù)碼的掃描方式（多路調(diào)制方式）輸出。MC14433內(nèi)部的控

4、制邏輯是AD 轉(zhuǎn)換的指揮中心，它統(tǒng)一控制各部分電路的工作。根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開關(guān)，完成AD轉(zhuǎn)換各個(gè)階段的開關(guān)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生定時(shí)轉(zhuǎn)換信號以及過量程等功能標(biāo)志信號。在對基準(zhǔn)電壓VREF 進(jìn)行積分時(shí)，控制邏輯令4位計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，完成AD 轉(zhuǎn)換。MC14433內(nèi)部具有時(shí)鐘發(fā)生器，它通過外接電阻構(gòu)成的反饋，井利用內(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RC 多諧振蕩器，一般外接電阻為360k偈保竦雌德飾?100kHz；當(dāng)外接電阻為470k偈保竦雌德試蛭?66kHz，當(dāng)外接電阻為750k偈保竦雌德飾?50kHz。若采用外時(shí)鐘頻率。則不要外接電阻，時(shí)鐘頻率信

5、號從CPI(10腳)端輸入，時(shí)鐘脈沖CP 信號可從CPO(原文資料為CLKO)(11腳)處獲得。MC14433內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)極性檢測，用于顯示輸入電壓UX 的正負(fù)極性；而它的過載指示(溢出)的功能是當(dāng)輸入電壓Vx 超出量程范圍時(shí)，輸出過量程標(biāo)志OR（低有效）。MC14433是雙斜率雙積分AD 轉(zhuǎn)換器，采用電壓-時(shí)間間隔(VT)方式，通過先后對被測模擬量電壓UX和基準(zhǔn)電壓VREF 的兩次積分，將輸入的被測電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，用計(jì)數(shù)器測出這個(gè)時(shí)間間隔對應(yīng)的脈沖數(shù)目，即可得到被測電壓的數(shù)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(jìn)行固定時(shí)間T1、固定斜率的積分，其中T1=

6、4000Tcp。顯然，不同的輸入電壓積分的結(jié)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(shù)按照固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(shí)間必然不同。于是對第二次積分過程歷經(jīng)的時(shí)間用時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，則該數(shù)N就是被測電壓對應(yīng)的數(shù)字量。由此實(shí)現(xiàn)了AD轉(zhuǎn)換。積分電阻電容的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件而定。MC14433AD轉(zhuǎn)換周期約需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。C14433 采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列，參考右圖的引腳標(biāo)注

7、，各主要引腳功能說明如下：模擬地 .VAG 1基準(zhǔn)電壓 VREF 2輸入 V13R1 4R1/C1 5C1 6C01 7C02 8DU 9 CLK1 10CLK2 11VEE 12MC1443324 VDD 正電源23 Q322 Q2 21 Q120 Q019 千位選通18 百為選通17十位選通16個(gè)位選通15 OR¯超量程14 EOC A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志13 VSS 地U+積分元件自動(dòng)調(diào)零電容實(shí)時(shí)輸出控制端時(shí)鐘脈沖輸入端時(shí)鐘脈沖輸出端負(fù)電源BCD碼輸出圖 2 MC14433引腳(1) 端：VAG，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測電壓UX和基準(zhǔn)電壓VREF的參考點(diǎn)地。(2) 端：R

8、REF，外接基準(zhǔn)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：RICI，外接積分元件電阻和電容的公共接點(diǎn)。(6) 端，C1，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(diào)補(bǔ)償電容端。推薦外接失調(diào)補(bǔ)償電容C0取0.1F。(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(zhuǎn)換結(jié)果將被送入輸出鎖存器并經(jīng)多路開關(guān)輸出，否則輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若該端通過一電阻和EOC 短接，則每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都將被輸出。(10) 端：CPI (CL

9、KI)，時(shí)鐘信號輸入端。(11) 端：CPO (CLKO)，時(shí)鐘信號輸出端。(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，該端典型電流約為0.8mA，所有輸出驅(qū)動(dòng)電路的電流不流過該端，而是流向VSS端。(13) 端：VSS 負(fù)電源端(14) 端：EOC，轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端，每一AD轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC端輸出一正脈沖，其脈沖寬度為時(shí)鐘信號周期的12。(15) 端：OR ，過量程標(biāo)志輸出端，當(dāng)|UX|>VREF 時(shí)，OR輸出低電平，正常量程OR為高電平。(16)(19) 端：對應(yīng)為DS4DS1，分別是多路調(diào)制選通脈沖信號個(gè)位、十位、百位和千位輸出端

10、，當(dāng)DS端輸出高電平時(shí)，表示此刻Q。Q3 輸出的BCD 代碼是該對應(yīng)位上的數(shù)據(jù)。(20)（23）端：對應(yīng)為Q0-Q3，分別是AD 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：VDD，整個(gè)電路的正電源端2、七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器CD4511圖 Error! Main Document Only. CD4511CD4511 是專用于將二-十進(jìn)制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號的專用標(biāo)準(zhǔn)譯碼器，它由4位鎖存器，7段譯碼電路和驅(qū)動(dòng)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

11、（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起鎖存數(shù)據(jù)的作用。當(dāng)LE=1時(shí)，鎖存器處于鎖存狀態(tài)，四位鎖存器封鎖輸入，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)，鎖存器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。由此可見，利用LE 端的控制作用可以將某一時(shí)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(gè)控制端： LT (LAMP TEST)燈測試端。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端控制。 BI (BLANKING

12、)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。BI = 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)控制端配合使用，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VDD的范圍為5V-15V，它可與NMOS電路或TTL電路兼容工作。CD4511采用16引線雙列直插式封裝，引腳分配見右圖，真值表參見下圖。使用CD451l時(shí)應(yīng)注意輸出端不允許短路，應(yīng)用時(shí)電路輸出端需外接限流電阻。3七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列MC1413  MC1413采用NPN達(dá)林頓復(fù)

13、合晶體管的結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換成足夠大的電流信號驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載該電路內(nèi)含有7個(gè)集電極開路反相器(也稱OC0門)。MC1413電路結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)器輸出端均接有一釋放電感負(fù)載能量的續(xù)流二極管。圖 4 MC14034高精度低漂移能隙基準(zhǔn)電源MC1403  MC1403的輸出電壓的溫度系數(shù)為零，即輸出電壓與溫度無關(guān)該電路的特點(diǎn)是： 溫度系數(shù)?。?噪聲??； 輸入電壓范圍大，穩(wěn)定性能好,當(dāng)輸入電壓從+45V變化到+15V時(shí)，輸出電壓值變化量小于3mV

14、；輸出電壓值準(zhǔn)確度較高，y。值在2.475V2.525V 以內(nèi)； 壓差小，適用于低壓電源； 負(fù)載能力小，該電源最大輸出電流為10mA。三、設(shè)計(jì)要求1、主要內(nèi)容（1）、利用所學(xué)過知識，通過上網(wǎng)或到圖書館查閱資料，設(shè)計(jì)出2-3個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字萬用表的方案；只要求寫出實(shí)現(xiàn)工作原理，畫出電原理功能框圖，描述其功能。（2）、其中對將要實(shí)驗(yàn)方案3位半位數(shù)字萬用表方案 ，須采用中、小規(guī)模集成電路、MC 14433A/D轉(zhuǎn)換器等電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，寫出已確定方案詳細(xì)工作原理，計(jì)算出參數(shù)，設(shè)計(jì)出電原理圖。2、技術(shù)指標(biāo)（1）測量直流電壓200mv；2V；20V；200V;1000V； 測量交流電壓2V；20V；200V;75

15、0V（2）測量直流電流2MA；20MA；200MA；20A； 測量交流電流2MA；20MA；200MA；20A；（3） 電阻：200 、2K、20K、200K、2M、20M（4） 電容；200nF、20nF、2nF 20F、2F （5） 三位半數(shù)字顯示。第1章系統(tǒng)概述1.1、設(shè)計(jì)方案：方案一：基于mc14433的數(shù)字萬用表Mc14433是三位半A/D轉(zhuǎn)換器。因此系統(tǒng)可以分為五部分：基準(zhǔn)電壓、A/D轉(zhuǎn)換器(mc14433)、七段數(shù)碼管（顯示器）、驅(qū)動(dòng)器(mc1413)、譯碼器(cd4511/mc4511)。外界信號經(jīng)過外圍電路進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，mc14433把信號以8421碼的形式輸出

16、給譯碼器,譯碼器譯碼后通過七段數(shù)碼管顯示。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管工作?；鶞?zhǔn)電壓為A/D轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓。原理框圖如下圖 1.1原理框圖方案二、基于80C51單片機(jī)的數(shù)字萬用表該方案是利用80C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字萬用表的功能。單片機(jī)內(nèi)部有自己的時(shí)鐘信號，外部的信號經(jīng)過相應(yīng)的外部電路通過過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片機(jī)，利用程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示出信號數(shù)值。原理框圖如下信號的輸入A/D轉(zhuǎn)換器mc14433基準(zhǔn)電壓譯碼器Cd4511驅(qū)動(dòng)器Mc1413七段數(shù)碼管圖1.2 原理框圖1.2、方案比較方案一：選用A/D轉(zhuǎn)換芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403實(shí)現(xiàn)電壓的測量，用

17、四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。缺點(diǎn)是工作速度低，優(yōu)點(diǎn)是精度較高，工作性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力比較強(qiáng)。器件價(jià)格合適，采購方便，成本低，易實(shí)施。方案二：選用單片機(jī)80c51和A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和控制，用四位數(shù)碼管顯示出最后的轉(zhuǎn)換電壓結(jié)果。缺點(diǎn)是價(jià)格稍貴；優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，且轉(zhuǎn)換的過程和控制、顯示部分可以控制。綜合比較兩個(gè)方案，方案一結(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)施，價(jià)格合適且工作精度高，比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)；方案二價(jià)格稍貴且不易操作。綜合比較我們選擇了方案一。第2章單元電路的設(shè)計(jì)與分析1、 交流/直流電壓測量首先，測交流電壓時(shí)需要經(jīng)過“橋式”整流電路，將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓量，其

18、余與直流電壓值測量無差別?！皹蚴健闭麟娐啡缦聢D所示： 該電路為單向橋式整流電路，適用于大電壓的整流。電路TR為電流變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓V1變成整流電路要求的電壓V2=Sinwt，四支整流二極管 D1D4接成電橋的形式。 如圖中四個(gè)電阻串聯(lián)分壓設(shè)計(jì)，總電阻值為10M，當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，為最小量程2V；當(dāng)開關(guān)S2閉合時(shí)，衰減10倍，其量程為20V；當(dāng)開關(guān)S3閉合時(shí)，衰減100倍，其量程為200V；當(dāng)開關(guān)S3閉合時(shí)，衰減100倍，其量程為200V。 圖 2.2圖 2.1 通過電阻對不通電壓進(jìn)行不同的分壓，從而得到固定范圍內(nèi)的相對較小的電壓輸入至MC14433進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出至數(shù)字顯示

19、器上。 2、交流/直流電流測量圖 2.3 交流/直流電流測量電路 3、電阻測量電路圖 2.4電阻測量電路 4、電容測量電路圖 2.5 電容測量電路 5、AC/DC轉(zhuǎn)換電路圖 2.6 AC/DC轉(zhuǎn)換電路第三章 電路的安裝與調(diào)試介紹電路需要在實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行安裝。將各個(gè)元件插到實(shí)驗(yàn)臺的插孔上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路的電路圖進(jìn)行實(shí)物的連接。安裝完成之后，按照預(yù)定的試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)試。（一）電路的理想指標(biāo)或功能的測試方法電路的理想指標(biāo)即電路完成后，顯示屏上可以按照時(shí)鐘信號顯示出0-2V的電壓，并且電路工作穩(wěn)定。（二）實(shí)驗(yàn)中的問題及解決辦法問題一：數(shù)字顯示器連接完成后不亮？解決方法：經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)元件管腳接口接錯(cuò)，還有些接口接觸不良。重新檢查電路圖，正確接線后，問題解決。問題二：連接電路完成后結(jié)果顯示不