基礎工程課程設計

1、編號： 課程設計說明書（基礎工程課程設計）(請注明名稱專業(yè)工程設計或基礎工程設計或信息系統(tǒng)綜合實訓或?qū)Ш较到y(tǒng)綜合實訓)題 目： 簡易數(shù)字電壓表 院 （系）： 信息與通信學院 專 業(yè)： 電子信息工程 學生姓名： 韋金泉 學 號： 1300220229 指導教師： 王巖紅 2015 年 12 月 11 日摘 要隨著電子科學技術(shù)的進步和提高，電子測量這一塊越來越收到人們的重視，也在電子系統(tǒng)的設計中起著越來越重要的作用。作為電氣工程學院電子信息工程專業(yè)的學生，有必要就電子測量這一塊有一定的了解。本設計主要應用MC14433、MC1413 、CD4511實現(xiàn)所需功能。以達到平時日常簡單的測量所需。關鍵詞

2、：MC14433；四位LED數(shù)碼管；電子測量；CD4511目 錄引言 41 系統(tǒng)方案設計 41.1 設計目的 41.2 設計要求 41.3 系統(tǒng)框圖 61.4 設計方案 71.4.1 方案71.4.2 方案71.5兩種方案作簡單的比較72 單元電路設計 82.1 工作原理 82.2 硬件電路設計 92.2.1 整體電路概況9 2.2.2 雙電源的處理10 2.2.3 量程的處理11 2.2.4 小數(shù)點的處理122.2.5 MC14433的其他電路 122.2.6 模塊的銜接 133 原理圖與PCB設計制作133.1 原理圖設計 133.2 PCB制作 144 實物圖 155 結(jié)論17謝辭 18

3、參考文獻 19附錄 20引言數(shù)字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。目前，由各種單片A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等領域，顯示出強大的生命力。與此同時，由DVM擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平。本文重點介紹單片A/D 轉(zhuǎn)換器以及由它們構(gòu)成各種新型數(shù)字電壓表的工作原理。數(shù)字電壓表具有以下十大特點： 顯示清晰直觀，讀數(shù)準確 傳統(tǒng)的模擬式儀表必須借助于指針和刻度盤進行讀數(shù)，在讀數(shù)過

4、程中不可避免地會引入人為的測量誤差（例如視差），并且容易造成視覺疲勞。數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)顯技術(shù)，使測量結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳數(shù)現(xiàn)象，測量結(jié)果就是惟一的，不僅保證讀數(shù)的客觀性與準確性，還符合人們的讀數(shù)習慣，能縮短讀數(shù)和記錄的時間。新型數(shù)字電壓表還增加了標志符顯示功能，包括測量項目符號、單位符號和特殊符號。 顯示位數(shù) 顯示位數(shù)通常為3位8位判定數(shù)字儀表的位數(shù)有兩條原則：能顯示從09所有數(shù)字的位是整數(shù)值；分數(shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字為分子，用滿量程時最高位數(shù)字做分母。 準確度高準確度是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。它表示測量結(jié)果與真值的一致程度，也反映了測量誤差的大小，

5、準確度愈高，測量誤差愈小。數(shù)字電壓表的準確度遠優(yōu)于模擬式電壓表。 分辨率高 數(shù)字電壓表在最低電壓量程上末位1個字所代表的電壓值，稱做儀表的分辨力，它反映儀表靈敏度的高低。分辨力隨顯示位數(shù)的增加而提高。數(shù)字電壓表的分辨力指標亦可用分辨率來表示。分辨率是指所能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比。更不得將分辨力（或分辨率）誤以為是類似于準確度的一項指標。實際上分辨力僅與儀表顯示位數(shù)有關，而準確度則取決于A/D 轉(zhuǎn)換器等的總誤差。從測量角度看，分辨力是“虛”指標（與測量誤差無關），準確度才是“實”指標（代表測量誤差的大?。?。因此，任意增加顯示位數(shù)來提高儀表分辨力的方案是不可取的。原因就在于這樣

6、達到的高分辨力指標將失去意義。換言之，從設計DVM的角度看，分辨力應受準確度的制約，并與之相適應。 測量范圍寬 多量程DVM一般可測01000V直流電壓，配上高壓探頭還可測量上萬伏的高壓。（6） 擴展能力強 在數(shù)字電壓表的基礎上、還可擴展成各種通用及專用數(shù)字儀表、數(shù)字多用表（DMM）和智能儀器，以滿足不同的需要。 測量速率快 數(shù)字電壓表在每秒鐘內(nèi)對被測電壓的測量次數(shù)叫測量速率，單位是“次秒”。它主要取決于A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，其倒數(shù)是測量周期。3位、5位DVM的測量速率分別為幾次每秒、幾十次每秒。8位DVM采用降位的方法，測量速率可達10萬次秒。輸入阻抗高 數(shù)字電壓表具有很高的輸入阻抗，通

7、常為10M10000M，最高可達1T。在測量時從被測電路上吸取的電流極小，不會影響被測信號源的工作狀態(tài)，能減小由信號源內(nèi)阻引起的測量誤差。集成度高，微功耗 新型數(shù)字電壓表普遍采用CMOS大規(guī)模集成電路，整機功耗很低。抗干擾能力強 5½位以下的DVM大多采用積分式A/D轉(zhuǎn)換器，其串模抑制比（SMR）、共模抑制比（CMR）分別可達100dB、80dB120dB。高檔DVM還采用數(shù)字濾波、浮地保護等先進技術(shù)，進一步提高了抗干擾能力，CMR可達180dB。1 系統(tǒng)方案設計1.1 設計目的1) 掌握數(shù)字電壓表的設計、組裝與調(diào)試方法；2) 熟悉集成電路MC14433，MC1413,CD4511和

8、MC1403的使用方法，并掌握其工作原理。1.2 設計要求根據(jù)設計要求如下：1) 設計數(shù)字電壓表電路2) 測量范圍： 直流電壓0V - 9.9V , 0V- 199.9V。3) 組裝調(diào)試4) 畫出數(shù)字電壓表電路圖，寫出總結(jié)報告5) 選作內(nèi)容： 自動切換量程。1.3 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)框圖如下：電壓輸入量程處理電路控制衰減和小數(shù)點MC14433處理輸入電壓CD4511處理輸出BCD碼MC1413數(shù)碼管位選4位數(shù)碼管顯示1.4 設計方案根據(jù)以下以上要求，有如下兩種方案：方案：采用純數(shù)字邏輯電路搭建時序邏輯電路產(chǎn)生對映的控制信號以達到設計要求。優(yōu)點：成本低，電路查錯簡單。缺點：設計難度略大，電路設計和搭

9、建過程中容易出現(xiàn)誤差。方案：采用各類單片機進行處理中間的過程。優(yōu)點：設計相對簡單，成功率高。硬件電路搭建也比較輕松 缺點：使用單片機提高設計成本，同時此電路應用單片機不能盡其用1.5 兩種方案作簡單的比較比較上述兩種方案分析后可知，方案比較簡單，一般情況下采用此方法，但是本設計中本著節(jié)省和練習的原則，并未使用方案，采用方案完成本設計。 2 單元電路設計2.1 工作原理數(shù)字電壓表將被測模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進行實時數(shù)字顯示，該系統(tǒng)(如圖2-1所示)采用MC14433一位A/D器、MC 1413七路達林頓驅(qū)動器陣列、CD4511BCD到七段鎖存一譯碼一驅(qū)動器、能隙基準電源MC1403和共陰極LED

10、發(fā)光數(shù)碼管組成。本系統(tǒng)是3位數(shù)字電壓表，位是指十進制數(shù)00001999。所謂三位是指個位數(shù)、十位、百位其數(shù)字范圍均為09，而所謂半位是指千位數(shù)，它不能從0變化到9，而只能從0變化到1，即二值狀態(tài)，所以稱半位。圖2-1. 位數(shù)字電壓表2.2 硬件電路設計2.2.1整體電路概況核心的測量部分在圖2-2-1中已經(jīng)標示出，下圖為Altium Designer中的整體SCH文件圖 圖2-2-1 Altium Designer 概況圖考慮到實際設計要求，除了核心部分的測量，還需要一些外部電路才能達到要求。2.2.2 雙電源的處理本次設計中主要芯片MC14433需要用到-5V電源，在本設計中直接采取使用排針

11、接入-5V電源。+5V電源同理。圖2-2-2 雙電源的處理2.2.3 量程的處理如圖2-2-3所示，在考慮到最大量程與最小量程之間差距過大 并且量程只有四個擋位，在本設計中采用四個六角開關作為四個擋位的選擇。利用電阻分壓加射級跟隨器作為量程的選擇與控制，同時六角開關的另一個腳則作為小數(shù)點位置的控制。圖2-2-3-a 四個量程處理圖2-2-3-b 射級跟隨器實際使用中因為沒有用到第三擋和第四擋，所以取消了設計跟隨器部分，有需要的時候用杜邦線可以直接接上跟隨器。2.2.4 小數(shù)點的處理本設計中采用的輸出形式為位，故改變量程需要改變對映小數(shù)點的位置，如圖所示，六角開關在控制量程的同時也控制了小數(shù)點的

12、顯示。圖2-2-4 小數(shù)點的控制小數(shù)點部分，本設計采用六角單刀雙擲開關，一邊控制小數(shù)點，一邊控制量程的選擇，測試通過。2.2.5 MC14433的其他電路本設計中對于采樣頻率等參數(shù)沒有特殊要求，故外圍采用經(jīng)典設計。如圖所示:圖2-2-5 MC14433經(jīng)典外圍2.2.6 模塊的銜接本設計中對于不同小模塊之間的銜接有兩種方案，使用PCB雙面板或者使用杜邦線連接?？紤]到雙面板的成本，布線難度以及其他問題，最終選擇采用杜邦線連接。若需要應用在工程中可以考慮采用雙面板制作。3 原理圖與PCB設計制作3.1 原理圖設計圖3-1 原理圖整體設計3.2 PCB設計制作圖3-2 PCB設計布線中省略了不少杜邦

13、線的連接，實際使用可以考慮將飛線部分也布線與版上因為在剛開始畫PCB中對原理的理解不夠透徹，所以在實際制作后改了兩條線路，具體體現(xiàn)為U3的使能端沒完全接好，用飛線連接后無誤。4 實物圖圖4-1 設計結(jié)果實物圖(PCB板背面)圖4-2 設計結(jié)果實物圖(未通電)圖4-3 設計結(jié)果實物圖(通電狀態(tài))5 結(jié)論在本次設計中，我們剛開始因為對PCB的繪制，包括硫酸紙的打印，感光和腐蝕等等一系列的步驟的了解不夠，產(chǎn)生和一系列的問題，也浪費了不少材料，但是最終還是成功的繪制出了達標的PCB印制板。這也是一項技能的收獲。在原理圖的制作中，有很多原因?qū)е聞傞_始有點趕時間，但是卻很好的應證老了事倍功半的真理，因為對

14、芯片的了解不夠透徹，在PCB完成后才發(fā)現(xiàn)某個芯片的使能端沒有接好，好在在修改了電路連接后解決了問題。細心和耐心都是實際設計和制作中不可或缺的素質(zhì)和能力。總之，通過這次設計也收獲了很多，知識層面上，學得了很多新知識，解決問題的新方法。實踐方面，提高了動手能力，提高了解決實際問題的能力等等。在思想上，更加明白的堅持不懈的重要性，學習探索的重要性，實踐動手的重要性。謝 辭在這里，我衷心感謝老師的耐心指導，感謝同學的熱心幫助，正是有你們的幫助，我才能那么快速的完成這個課程設計。感謝同學陪我一起細心耐心的調(diào)試板子，找出問題所在，并一個一個地解決。在調(diào)試板子的過程中，我深深地體會到了同學之間那種相互幫助的熱情，每當我有問題解決不了的時候，只要我一說，總會有人來幫我。在你們的幫助下，我還學到了很多的課外知識，拓寬了視野，謝謝你們，真的非常感謝！參考文獻1康華光.電子技術(shù)基礎第五版M.高等教育出版社.2006:模擬部分2康華光.電子技術(shù)基礎第五版M.高等教育出版社.2006:數(shù)字部分3華容茂.電工電子技術(shù)實習與教程電子工