三位半數(shù)字電壓表設計方案

1、摘要：當今社會是信息科技的時代，科技技術(shù)發(fā)展日新月異，科學發(fā)展的程度是各國競爭的核心力量，尤其是電子信息技術(shù)顯得更加重要。在信息處理技術(shù)，模數(shù)混合系統(tǒng)中，對模擬信號的采樣一般是使用專計電路比較復雜，用到集成芯片比較多，給設計帶來不便。為克服這些缺點，這次設計中采用了高級集成芯片ICL7107作為對模擬信號的采樣，使設計更簡單，可靠性得到提高。本題目介紹的是三位半數(shù)字電壓表的設計，本次設計主要包括了對電壓表的基本構(gòu)成，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理以及通用數(shù)字電壓表的設計方法與調(diào)試技術(shù)的學習研究，采用集成芯片TL7107作為數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)化及鎖存和譯碼模塊，使得電路具有設計簡單、集成度及可

2、靠性高的特點。TL7107采用大電流反向輸出，靜態(tài)驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管，由±5V雙電源供電，顯示亮度高但耗電較大，適合制作小型的三位半數(shù)字電壓表。該系統(tǒng)設計能夠?qū)崿F(xiàn)0199mV 、01.99V、 019.99V、 0199.9V、 01999.9V，共五個量程電壓值的測量。做成電路板，進行測試，可得到測試結(jié)果. 一、緒論    在數(shù)字和顯示技術(shù)中，為了實現(xiàn)數(shù)字顯示，需要把連續(xù)變化的模擬量變化成數(shù)字量，這宗變化就是A/D轉(zhuǎn)化。為了使模擬量變化成數(shù)字量，必須經(jīng)過取樣、量化過程。量化單位越小，整量化的誤差就越

3、小，數(shù)字量就越接近連續(xù)量本真的值。數(shù)字式儀表是能把連續(xù)的被測量自動地變成斷續(xù)的、用數(shù)字編碼方式的、并以十進制數(shù)字自動顯示測量結(jié)果的一種測量儀表。它把電子技術(shù)、計算技術(shù)、自動化技術(shù)的成果與精密電測量技術(shù)密切的結(jié)合在一起。成為儀器、儀表領域中獨立而完整的一個分支。數(shù)字電壓表簡稱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。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)生跳讀現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的。數(shù)字電壓表具備了很多傳統(tǒng)模擬儀表所不能相比擬的優(yōu)勢特點。二、 三位半數(shù)字電壓表的設計方案  2.1題目及設計目的

4、1、題目：3 1/2位數(shù)字電壓表  2、設計目的：通過電子技術(shù)的綜合設計，熟悉一般電子電路綜合設計過程、設 計要求、應完成的工作內(nèi)容和具體的設計方法，同時復習、鞏固以往的模電、數(shù)電內(nèi)容。  2.2 設計要求  (1) 測量范圍：直流電壓 0V 一 1.999V，0V 一 199.9mV。 (2)  組裝調(diào)試 3位半數(shù)字電壓表。  (3)  畫出數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu)圖，寫出心得體會。2.3 方案設計  設

5、計：主要器件由芯片MC14433和共陰極半導體組成。MC1443是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的單片3位半A/D轉(zhuǎn)換器，它適合構(gòu)成帶B碼輸出的3位半LED顯示數(shù)字電壓表，是目前應用較為普遍的一種低速A/D轉(zhuǎn)換器。 MC14433的性能特點：  （1）MC14433屬于CMOS大規(guī)模集成電路，其轉(zhuǎn)換準確度為±0.05%。內(nèi)含時鐘振蕩器，僅需外接一只振蕩電阻。能獲得超量程（OR）、欠量程（UR）信號，便于實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換量程能增加讀數(shù)保持（HOLD）功能。電壓量程分兩擋：200mV、2V，最大顯示值分別為199.9mV、1.999V。量程與基準電壓呈11的關(guān)系，即UMUREF。（2）需配外

6、部的段、位驅(qū)動器，采用動態(tài)掃描顯示方式，通常選用共陰極LED數(shù)管。  （3）有多路調(diào)制的BCD碼輸出，可直接配P構(gòu)成智能儀表。 （4）工作電壓范圍是±4.5 V±8V，典型值為±5V，功耗約8mW。 仿真：主要器件由芯片TC7102共陰LED組成。  由于TC7102是把模擬電路與邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模CMOS集成電路，因此本方案主要有以下特點：  （1）采用單電源供電，可使用9V迭層電池，有助于實現(xiàn)儀表的小型化。 （2）芯片內(nèi)部有異或門輸出電路，能直接驅(qū)動LED。 &#

7、160; （3）功耗低。芯片本身消耗電流僅1.8mA，功耗約16mV。 （4）輸入阻抗極高，對輸入信號無衰減作用。  （5）能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實現(xiàn)自動調(diào)零和自動顯示極性的功能。 （6）噪聲低，失調(diào)溫標和增益溫標均很小。具有良好的可靠性，使用壽命長。  （7）整機組裝方便，無須外加有源器件，可以很方便地進行功能檢查。 2.4方案選擇  在設計思路上我們選擇了MC14433，但由于在各個仿真軟件中，我們無法找到MC14433元器件，故我們采用在思路上選擇MC14433設計，仿真環(huán)節(jié)采用TC7102，這樣既能有效地了解實驗原理，更能仿真出

8、實驗結(jié)果。 三、 三位半數(shù)字電壓表的硬件電路設計3.1 MC14433引腳功能說明  MC14433 采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列，參考圖所示的引腳標注.各主要引腳功能說明如下：(1) 端：VAG，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測電壓UX和基準電壓VREF的參考點地。  (2) 端：RREF，外接基準電壓輸入端。 (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。 (6) 

9、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)補償電容端。推薦外接失調(diào)補償電容C0取0.1F  (9) 端：DU，實時輸出控制端，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 (CLKI)，時鐘信號輸入端。 (11) 

10、;端：CPO (CLKO)，時鐘信號輸出端。  (12) 端：VEE，負電源端，是整個電路的電源最負端，主要作為模擬電路部分的負電源，該端典型電流約為0.8mA，所有輸出驅(qū)動電路的電流不流過該端，而是流向VSS端。  (13) 端：VSS 負電源端  (14) 端：EOC，轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標志輸出端，每一AD轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC端輸出一正脈沖，其脈沖寬度為時鐘信號周期的1/2。  (15) 端：OR ，過量程標志輸出端，當|UX|>VREF 時，OR輸出低電平，正常量程OR

11、為高電平。(16)(19) 端：對應為DS4DS1，分別是多路調(diào)制選通脈沖信號個位、十位、百位和千位輸出端，當DS端輸出高電平時，表示此刻QQ3 的BCD 代碼是該對應位上的數(shù)據(jù)。  (20)23Q0-Q3AD 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，整個電路的正電源端。   IMC14433管腳圖3.2工作過程分析  三位半數(shù)字電壓表通過位選信號DS1DS4進行動態(tài)掃描顯示，由于MC14433電路的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果是采用BCD碼多路調(diào)制方法輸出，只

12、要配上一塊譯碼器，就可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)字方式實現(xiàn)四位數(shù)字的LED發(fā)光數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示。DS1DS4輸出多路調(diào)制選通脈沖信號。DS選通脈沖為高電平時表示對應的數(shù)位被選通，此時該位數(shù)據(jù)在Q0Q3端輸出。每個DS選通脈沖高電平寬度為18個時鐘脈沖周期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期。DS和EOC的時序關(guān)系是在EOC 脈沖結(jié)束后，緊接著是DS1輸出正脈沖。以下依次為DS3和DS1對應最高位(MSD)，DS4則對應最低位(LSD)。在對應DS2，DS3和DS4選通期間，Q0Q3輸出BCD全位數(shù)據(jù)，即以8421碼方式輸出對應的數(shù)字09在DS1選通期間，Q0Q3輸出千位的半位數(shù)0或l及

13、過量程、欠量程和極性標志信號。 在位選信號DS1選通期間Q0Q3的輸出內(nèi)容如下：    Q3表示千位數(shù)，Q3=0代表千位數(shù)的數(shù)宇顯示為1，Q3=1代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為0。Q2表示被測電壓的極性，Q的電平為1，表示極性為正，即UX>0，Q2的電平為0，表示極性為負，即UX<0。顯示數(shù)的負號負電壓)由MC1413中的一只晶體管控制，符號位的“-陰極與千位數(shù)陰極接在一起，當輸入信號UX為負電壓 時，Q2端輸出置“0”， Q2 負號控制位使得驅(qū)動器不工作，通過限流電阻RM 使顯示器的“-”(即g 段)點亮；當

14、輸入信號UX為正電壓時，Q2端輸出置“1”，負號控制位使達林頓驅(qū)動器導通，電阻RM接地，使“-”旁路而熄滅。小數(shù)點顯示是由正電源通過限流電阻RDP供電燃亮小數(shù)點。若量程不同則選通對應的小數(shù)點。過量程是當輸入電壓UX超過量程范圍時，輸出過量程標志信號OR- 。  當OR- = 0 時，|UX|>1999，則溢出。|UX|>UR則OR-輸出低電平。當OR-  = 1時，表示|UX|<UR 。平時OR輸出為高電平，表示被測量在量程內(nèi)。MC14433的OR-端與MC4511的消隱端BI- 直接相連，當UX

15、超出量程范圍時，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，而負號和小數(shù)點依然發(fā)亮。  三位半A/D轉(zhuǎn)換器MC14433  在數(shù)字儀表中，MC14433電路是一個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，MC14433A/D轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、計數(shù)器和控制電路組成。如果必要設計應用者可參考相關(guān)參考書。使用MC14433時只要外接兩個電阻(分別是片內(nèi)RC 振蕩器外接電阻和積分電阻RI)和兩個電容(分別是積分電容CI

16、和自動調(diào)零補償電容C0)就能執(zhí)行三位半的A/D轉(zhuǎn)換。   MC14433內(nèi)部模擬電路實現(xiàn)了如下功能：（1）提高A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，使輸入阻抗可達l00M以上；（2）和外接的RI、CI構(gòu)成一個積分放大器，完成V/T 轉(zhuǎn)換即電壓時間的轉(zhuǎn)換；（3）構(gòu)造了電壓比較器，完成“0”電平檢出，將輸入電壓與零電壓進行比較，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)字控制電路的一個判別信號；（4）與外接電容器C0構(gòu)成自動調(diào)零電路。MC14433 內(nèi)部含有四位十進制計數(shù)器，對反積分時間進行3位半BCD碼計數(shù)(01999)，

17、并鎖存于三位半十進制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實時取數(shù)信號(DU)作用下，實現(xiàn)A/D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，并輸出相應位的多路選通脈沖標志信號DS1DS4實現(xiàn)三位半數(shù)碼的掃描方式（多路調(diào)制方式）輸出。  MC14433內(nèi)部的控制邏輯是A/D 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A/D轉(zhuǎn)換各個階段的開關(guān)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生定時轉(zhuǎn)換信號以及過量程等功能標志信號。在對基準電壓VREF 進行積分時，控制邏輯令4位計數(shù)器開始計數(shù)，完成A/D 轉(zhuǎn)換。 MC14433內(nèi)部

18、具有時鐘發(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)拍時鐘脈沖，使電路統(tǒng)一動作，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時，振蕩頻率為100kHz；當外接電阻為470k時，振蕩頻率則為66kHz，當外接電阻為750k時，振蕩頻率為50kHz。若采用外時鐘頻率。則不要外接電阻，時鐘頻率信號從CPI(10腳)端輸入，時鐘脈沖CP 信號可從CPO(原文資料為CLKO)(11腳)處獲得。MC14433內(nèi)部可實現(xiàn)極性檢測，用于顯示輸入電壓UX 的正負極性；而它的過載指示(溢出)輸入電壓Vx 超出量程范圍時，輸出過量程標

19、志OR（低有效）。  MC14433是雙斜率雙積分AD 轉(zhuǎn)換器，采用電壓時間間隔(VT)方式，通過先后對被測模擬量電壓UX和基準電壓VREF 的兩次積分，將輸入的被測電壓轉(zhuǎn)成與其平均值成正比的時間間隔，用計數(shù)器測出這個時間間隔對應的脈沖數(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進行固定時間斜率的積分，其中T1=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

20、不同電壓而言，這一次的積分時間必然不同。于是對第二次積分過程歷經(jīng)的時間用時鐘脈沖計數(shù)，則該數(shù)N就是被測電壓對應的數(shù)字量。由此實現(xiàn)了AD轉(zhuǎn)換。七段鎖存-譯碼-驅(qū)動器CD4511CD4511 是專用于將二-十進制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號的專用標準譯碼器，它由4位鎖存器，7段譯碼電路和驅(qū)動器三布分組成。  (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（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起鎖存數(shù)據(jù)的作用。 當LE=1時，鎖存器處于鎖存狀態(tài)，四位鎖存器封鎖輸入，此時它的

21、輸出為前一次LE=0時輸入的BCD碼；當LE=0時，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刻的輸入BCD代碼寄存下來，使輸出不再隨輸入變化。) 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控制端：   LT (LAMP TEST)燈測試端。當LT=0時，七段譯碼器輸出全1，發(fā)光數(shù)碼管各段全亮顯示；當LT=1時，譯碼器輸出狀態(tài)由BI端控制。   BI (BLANKING)消隱端。當B

22、I=0時，控制譯碼器為全0輸出，發(fā)光數(shù)碼管各段熄滅。BI=1時，譯碼器正常輸出，發(fā)光數(shù)碼管正常顯示。 上述兩個控制端配合使用，可使譯碼器完成顯示上的一些特殊功能。 (3) 驅(qū)動器：利用內(nèi)部設置的NPN 管構(gòu)成的射極輸出器，加強驅(qū)動能力，使譯碼器輸出驅(qū)動電流可達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，引腳分配和真值表參見圖。3.3顯示電路  從MC14433輸出的BCD碼經(jīng)過CD4511譯碼后，連接到四個七段數(shù)碼管，其中千位只連接b,c和

23、g端，使其只顯示1和負號，如圖所示。讀數(shù)保持電路  當開關(guān)S斷開時能正常進行A/D轉(zhuǎn)換，顯示值被不斷地刷新；閉合S時DU 0，A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果就長期保持下來，此時A/D 處于鎖存狀態(tài)。保持時間即開關(guān) 閉合時間，如圖所示。  電壓跟隨器和AC-DC轉(zhuǎn)換電路  電壓跟隨器的作用是保護電路，使后級電路不承受超出安全值的電壓。經(jīng)過 電壓跟隨器后半波整流后的平均值與有效值之間的關(guān)系如下圖所示，下圖中的 IC1進行半波整流，IC2是平均值-有效值變換電路，其作用是將經(jīng)半波整流后得 到的輸出電壓加以平滑和放大，將V放大到有效值，放大倍數(shù)A=V/V,=2.22

24、，如圖所示。  3.4TC7107的介紹3.4.1 TC7107的概述TC7107A 3-1/2位直接顯示驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器允許升級基TC7107的現(xiàn)有系統(tǒng)。每個器件都有最大溫度系數(shù)為20ppm/°C的精密參考電壓。這表示在類似3-1/2位轉(zhuǎn)換器上有4至7倍的提高。無需更改外部無源組件值就可以升級基于TC7106和TC7107的現(xiàn)有系統(tǒng)。TC7107A使用每段8 mA的電流直接驅(qū)動共陽極發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示屏。低成本、高分辨率的指示電表只需要1個顯示屏、4個電阻和4個電容。TC7102的低功耗

25、和9V電池操作的特性使其非常適合于便攜式應用TC7107A可降低線性誤差，使其小于1個計數(shù)。翻轉(zhuǎn)誤差等幅值與極性相反的漏電流輸入信號讀數(shù)之間的差值小于±1個計數(shù)。高阻抗差分輸入可提供 1p的漏電流和10 12的輸入阻抗。差分參考輸入允許進行電阻比例測量或橋式傳感器測量。15µVPP的噪聲性能確保讀數(shù)非常穩(wěn)定。自動調(diào)零周期確保了輸入電壓為零時顯示屏讀數(shù)也為零。3.4.2特性：  低溫漂的內(nèi)部參考電壓： -TC7106/TC7107：80ppm/°C（典型值）-TC7106A/TC7107A：20ppm/°C（典型值）直接驅(qū)動LCD（TC7106）或D（C7107）顯示屏 輸入為零時讀數(shù)為零噪聲低，顯示穩(wěn)定自動調(diào)零周期免除了調(diào)零需要 用于精密零檢測應用的真正極性指示方便的T106A）  高阻抗CMOS差分輸入：1012 差分參考輸入簡化比例測量 低功耗運行：10Mw3.4.3 應用：  溫度測量   橋式讀數(shù)：應變計、負載傳感器和零值檢波