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.目录一、题目及设计目的2二、设计要求2三、方案设计与论证2(1)主控芯片2(2)显示部分2四、设计原理及电路图3(1)数字电压表原理框图3量程转换模块3基准电压模块3A/D电路模块3字形译码驱动电路模块4显示电路模块4(2)实验芯片简介5三位半AD转换器MC144335七段锁存-译码-驱动器CD45118七路达林顿驱动器阵列MC14139高精度低漂移能隙基准电源MC14039五、元器件清单11六、参数计算与仿真图11七、结论与心得11八、参考文献12数字电压表电路设计报告一、 题目及设计目的1、题目:3 1/2位数字电压表2、设计目的:通过电子技术的综合设计,熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法,同时复习、巩固以往的模电、数电内容。二、 设计要求1、利用所学过知识,通过上网或到图书馆查阅资料,设计出2-3个实现数字电压表的方案;只要求写出实现工作原理,画出电原理功能图,描述其功能。2、对将要实验方案,须采用中、小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计,写出已确定方案详细工作原理,计算出参数。3、技术指标:测量直流电压 1999-1V;199.9-0.1V;19.99-0.01V;1.999-0.001V;测量交流电压 1999-199V。三、方案设计与论证1、主控芯片方案1:选用A/D转换芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403实现电压的测量,用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是工作速度低,优点是精度较高,工作性能比较稳定,抗干扰能力比较强。 方案2:选用专用电压转化芯片INC7107实现电压的测量和控制。它包含3 1/2位数字A/D转换器,可直接驱动LED数码管。用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是精度比较低,且内部电压转换和控制部分不可控制。优点是价格低廉。 方案3:选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0809实现电压的转换和控制,用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是价格稍贵;优点是转换精度高,且转换的过程和控制、显示部分可以控制。 基于课程设计的要求,我们优先选用了:方案12、显示部分 方案1:选用4个单体的共阴数码管。优点是价格比较便宜;缺点是焊接时比较麻烦,容易出错。 方案2:选用点阵显示器。优点是能显示文字和数字;缺点是其内部结构较为复杂,不易连接。方案3:选用液晶显示器。优点是能显示大量的文字、数字和图形,而且清晰化程度高;缺点是成本高。 基于课程设计的要求,我们优先选用了:方案1四、 设计原理及电路图(1)数字电压表原理框图如下:方案1的原理框图如图a所示;方案2的原理框图如图b所示;方案3的原理框图如图c所示。基准电压 积分RC元件 3 1/2位A/D电路字形译码驱动电路显示电路字位驱动电路量程选择图a直 流 稳 压电压转化芯片INC7107显 示 电 路图b直 流 稳 压AT89S52主控系统显示模块A/D转换模块量程选择模块图c鉴于选用方案一,由数字电压表原理框图可知,数字电压表由五个模块构成,分别是基准电压模块, 3 1/2位A/D电路模块,字形译码驱动电路模块,显示电路模块,字位驱动电路模块.各个模块设计如下:量程转换模块Output采用多量程选择的分压电阻网络,可设计四个分压电阻大小分别为900K,90K,9K和1K。用无触点模拟开关实现量程的切换。基准电压模块这个模块由MC1403和电位器构成, 提供精密电压,供A/D 转换器作参考电压.3 1/2位A/D电路模块 直流数字电压表的核心器件是一个间接型A / D转换器,这个模块由MC14433和积分元件构成,将输入的模拟信号转换成数字信号。字形译码驱动电路模块这个模块由MC4511构成 ,将二十进制(BCD)码转换成七段信号。显示电路模块这个模块由LG5641AH构成,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。(2)实验芯片简介:数字显示电压表将被测模拟量转换为数字量,并进行实时数字显示。该系统(如图1 所示)可采用MC14433三位半A/D 转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。本系统是三位半数字电压表,三位半是指十进制数00001999。所谓3位是指个位、十位、百位,其数字范围均为09,而所谓半位是指千位数,它不能从0变化到9,而只能由0变到l,即二值状态,所以称为半位。各部分的功能如下: 三位半A/D转换器(MC14433):将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源(MC1403):提供精密电压,供A/D 转换器作参考电压。译码器(MC4511):将二十进制(BCD)码转换成七段信号。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。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。工作过程如下:三位半数字电压表通过位选信号DS1DS4进行动态扫描显示,由于MC14433电路的A/D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出,只要配上一块译码器,就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。DS1DS4输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通,此时该位数据在Q0Q3端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期,两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC 脉冲结束后,紧接着是DS1输出正脉冲。以下依次为DS2,DS3和DS4。其中DS1对应最高位(MSD),DS4则对应最低位(LSD)。在对应DS2,DS3和DS4选通期间,Q0Q3输出BCD全位数据,即以8421码方式输出对应的数字09在DS1选通期间,Q0Q3输出千位的半位数0或l及过量程、欠量程和极性标志信号。在位选信号DS1选通期间Q0Q3的输出内容如下:Q3表示千位数,Q3=0代表千位数的数宇显示为1,Q3=1代表千位数的数字显示为0。Q2表示被测电压的极性,Q2的电平为1,表示极性为正,即UX0;Q2的电平为0,表示极性为负,即UX1999,则溢出。|UX|UR则 输出低电平。当 = 1时,表示|UX|UR 。平时OR输出为高电平,表示被测量在量程内。MC14433的端与MC4511的消隐端 直接相连,当UX超出量程范围时,输出低电平,即 = 0 = 0 ,MC4511译码器输出全0,使发光数码管显示数字熄灭,而负号和小数点依然发亮。1.三位半AD转换器MC14433 在数字仪表中,MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式A/D转换器。和其它典型的双积分A/D转换器类似,MC14433A/D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用MC14433时只要外接两个电阻(分别是片内RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI)和两个电容(分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0)就能执行三位半的A/D转换。 MC14433内部模拟电路实现了如下功能:(1)提高A/D 转换器的输入阻抗,使输入阻抗可达l00M以上;(2)和外接的RI、CI构成一个积分放大器,完成V/T 转换即电压时间的转换;(3)构造了电压比较器,完成“0”电平检出,将输入电压与零电压进行比较,根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0”。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号;(4)与外接电容器C0构成自动调零电路。除“模拟电路”以外,MC14433 内部含有四位十进制计数器,对反积分时间进行3位半BCD码计数(01999),并锁存于三位半十进制代码数据寄存器,在控制逻辑和实时取数信号(DU)作用下,实现A/D转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关,从高位到低位逐位输出BCD码Q0Q3,并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1DS4实现三位半数码的扫描方式(多路调制方式)输出。MC14433内部的控制逻辑是A/D 转换的指挥中心,它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关,完成A/D转换各个阶段的开关转换,产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压VREF 进行积分时,控制逻辑令4位计数器开始计数,完成A/D 转换。MC14433内部具有时钟发生器,它通过外接电阻构成的反馈,井利用内部电容形成振荡,产生节拍时钟脉冲,使电路统一动作,这是一种施密特触发式正反馈RC 多谐振荡器,一般外接电阻为360k时,振荡频率为100kHz;当外接电阻为470k时,振荡频率则为66kHz,当外接电阻为750k时,振荡频率为50kHz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻,时钟频率信号从CPI(10脚)端输入,时钟脉冲CP 信号可从CPO(原文资料为CLKO)(11脚)处获得。MC14433内部可实现极性检测,用于显示输入电压UX 的正负极性;而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压Vx 超出量程范围时,输出过量程标志OR(低有效)。MC14433是双斜率双积分A/D 转换器,采用电压时间间隔(V/T)方式,通过先后对被测模拟量电压UX和基准电压VREF 的两次积分,将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔,用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目,即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解:首先对被测电压UX 进行固定时间T1、固定斜率的积分,其中T1=4000Tcp。显然,不同的输入电压积分的结果不同(不妨理解为输出曲线的高度不同)。然后再以固定电压VREF 以及由RI,CI所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零,显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言,这一次的积分时间必然不同。于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数,则该数N就是被测电压对应的数字量。由此实现了A/D转换。积分电阻电容的选择应根据实际条件而定。若时钟频率为66kHz,CI一般取0.1F。RI的选取与量程有关,量程为2V时,取RI为470k;量程为200mV时,取RI为27k。 选取RI 和CI 的计算公式如下:式中,UC为积分电容上充电电压幅度,UC = VDD - UX(max) - U,U = 0.5V,例如,假定CI=0.1F,VDD=5V,fCLK=66kHz。当
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