數字直流電壓表施工設計方案及對策

1、-PAGE . z. . - -可修編- -數字直流電壓表課程設計報告目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc13549 數字直流電壓表課程設計報告 PAGEREF _Toc13549 1 HYPERLINK l _Toc14243 目 錄 PAGEREF _Toc14243 1 HYPERLINK l _Toc5282 前言 PAGEREF _Toc5282 1 HYPERLINK l _Toc14705 1.總體設計方案 PAGEREF _Toc14705 2 HYPERLINK l _Toc5647 1.1數字直流電壓表方案 PAGEREF _Toc5647 2

2、 HYPERLINK l _Toc25545 1.1.1運用單片機制作直流電壓表方案 PAGEREF _Toc25545 2 HYPERLINK l _Toc16848 1.1.2 運用數模轉換數字直流電壓表方案 PAGEREF _Toc16848 2 HYPERLINK l _Toc15435 2. 單元模塊設計 PAGEREF _Toc15435 4 HYPERLINK l _Toc4244 2.1直流電壓表電路模塊設計 PAGEREF _Toc4244 4 HYPERLINK l _Toc1080 2.1.1 基準電源MC1403 PAGEREF _Toc1080 5 HYPERLINK

3、 l _Toc25792 2.1.2 A/D轉換器MC14433 PAGEREF _Toc25792 6 HYPERLINK l _Toc10748 2.1.3 顯示電路 PAGEREF _Toc10748 10 HYPERLINK l _Toc6721 2.1.4讀數保持電路 PAGEREF _Toc6721 12 HYPERLINK l _Toc27703 2.2 系統(tǒng)整體硬件電路 PAGEREF _Toc27703 12 HYPERLINK l _Toc9717 2.2.1 整體硬件電路 PAGEREF _Toc9717 12 HYPERLINK l _Toc25097 3.系統(tǒng)功能 P

4、AGEREF _Toc25097 14 HYPERLINK l _Toc18768 3.1 仿真軟件介紹 PAGEREF _Toc18768 14 HYPERLINK l _Toc31394 3.1.1 仿真電路圖 PAGEREF _Toc31394 14 HYPERLINK l _Toc17444 3.2 調試現(xiàn)象及結論 PAGEREF _Toc17444 16 HYPERLINK l _Toc22118 3.3 安裝總調 PAGEREF _Toc22118 16 HYPERLINK l _Toc32185 4.設計總結 PAGEREF _Toc32185 18 HYPERLINK l _T

5、oc11816 5.參考文獻 PAGEREF _Toc11816 19-. z.前言隨著電子技術的發(fā)展，電子行業(yè)經常需要測量高精度的電壓，所以數字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。何況在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最為經常。數字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數字化測量技術，把連續(xù)的模擬量（直流或交流輸入電壓）轉換成不連續(xù)、離散的數字形式并加以顯示的儀表。由于數字式儀器具有讀數準確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點而倍受青睞。本次我們所做的課程設計就是基于數字電子技術和模擬電子技術的一個電子產品。

6、本人對自己的設計作品從各個角度分析了由A/D轉換器組成的數字電壓表的設計過程及各部分電路的組成及其原理，并且分析了數模轉換進而使系統(tǒng)運行起來的原理及方法。通過自身實踐提高了動手能力，也只有親歷親為才能收獲掌握到已經學過的知識。其實也為建立節(jié)約成本的意識有些幫助，本人并沒有采用單片機模塊，而是直接采用A/D轉換，在MC1433系列找塊帶顯示譯碼并帶A/D轉換的片子并不難，相對于單片機有成本上的優(yōu)勢，但這里同時也牽涉幾個問題：精度、位數、速度、還有功耗等不足之處，這些都要慎重考慮。這些也是在這次實踐中收獲的吧！1.總體設計方案1.1數字直流電壓表方案1.1.1運用單片機制作直流電壓表方案用ICL7

7、135與AT89C52單片機構成電壓表系統(tǒng)的硬件和軟件設計方法。優(yōu)點： CL7135的串行方式在實踐中的應用效果很好。與并行方式相比，其突出的優(yōu)點是結構簡單、程序簡潔、占用單片機的資源少、可提高抗干擾能力，同時可提高儀器的檢測可靠性，并且可在不添加任何擴展口線器件的情況下使系統(tǒng)的成本得到降低。 基本結構圖：圖1結構圖定時器T0所用的CLK頻率是系統(tǒng)晶振頻率的1/12。因此可利用單片機（AT89C52）的ALE信號作為ICL7135的脈沖（CLK）輸入。但要注意，若指令中不出現(xiàn)MOV*指令，ALE端產生的脈沖頻率將是晶振的1/6。至此，便可找到定時器所使用的頻率與單片機系統(tǒng)晶振頻率的關系，以及I

8、CL7135所需的頻率輸入與單片機系統(tǒng)晶振頻率的關系。1.1.2 運用數模轉換數字直流電壓表方案本設計實際上是將被測模擬量轉換為數字量，并進行實時數字顯示，主要由以下幾部分構成：量程轉換電路、AC-DC轉換電路、3位半A/D轉換單元電路、基準電源單元電路、譯碼驅動單元以及數碼管顯示單元。其中A/D轉換器選用三位半MC14433，基準電源選用MC1403，譯碼驅動器則MC14511，另加四個共陰極LED發(fā)光數碼管。并利用Multisim和PROTEUS 軟件對其編譯和仿真。實驗結構圖：圖2實驗結構圖位計數器由三級十進制計數器和一個D觸發(fā)器構成，計數圍是01999。鎖存器用來存放A/D轉換結果?？?/p>

9、制邏輯能適時發(fā)出信號接通相應的模擬開關，按照順序完成A/D轉換。DS1DS4是多路調制位選通信號。當*一選通信號為高電平時，相應的位即被選通，此時該位數據便從Q0Q3端輸出。EOC為脈寬僅T0/2的窄脈沖，且當EOC 正脈沖過后按照DS1（最高位MSD，即千位）DS2DS3DS4（最低位LSD）的順序依次選通。位選通信號的脈寬為18T0，相鄰位選通信號之間有2T0的位間消隱時間。做動態(tài)掃描時，掃描頻率f1f080。若取f050kHz，則f1625Hz，測量速率MRf0/164003次秒。整個A/D轉換分6個階段進行：模擬調零，占4000T0；數字調零，小于800 T0；重復模擬調零占4000

10、T0；正向積分，T14000 T0；重復數字調零，小于800 T0；反向積分，T24000 T0。其中，階段與階段都是消除緩沖器和積分器的失調電壓。在階段用計數器將比較器的失調電壓UOS記下來，存入鎖存器中；階段則是在反向積分之前先扣除UOS的影響，使計數器復位。 本次設計選用方案為：MC14433型3 位AD轉換器。其具有以下特點：（1）工作電壓圍是4.5V8V。典型值為5V，功耗約8mW。（2）AD轉換精度：0.051個字（位十進制相當于11位二進制），轉換速率為310次秒。（3）具有自動調零和自動轉換極性之功能。（4）有多路調制的BCD碼輸出，可以方便的與微機相連，或打印記錄。（5）能獲

11、得超量程（OR）和欠量程（UR）信號，便于實現(xiàn)自動轉換量程。（6）具有讀數保持功能。（7）采用共陰極LED動態(tài)掃描顯示方式，不僅降低了顯示功耗，還使外部接線大為簡化。2. 單元模塊設計2.1直流電壓表電路模塊設計電路各部分的功能：1. 基準電源：提供精密電壓，供A/D轉換器作參考電壓。2. 位A/D轉換器：采用MC14433位A/D轉換器將輸入的模擬信號轉換成數字信號。3. 譯碼器：將二-十進制（BCD）碼轉換成七段信號。4. 驅動器：驅動顯示器的a、b、c、d、e、f、g七個發(fā)光段，驅動發(fā)光數碼管（LED）進行顯示。5. 顯示器：將譯碼輸出的七段信號進行數字顯示，讀出A/D轉換結果2.1.1

12、 基準電源MC1403A / D轉換需要外接標準電壓源作參考電壓。標準電壓源的精度應當高于A / D轉換器的精度。本實驗采用MC1403集成精密穩(wěn)壓源作參考電壓，MC1403的輸出電壓為2.5V，當輸入電壓在4.515V 圍變化時，輸出電壓的變化不超過3mV，一般只有0.6mV左右，輸出最大電流為10mA。 圖3基準電壓源MC1403是低壓基準芯片。一般用作812bit的D/A芯片的基準電壓等一些需要基本精準的基準電壓的場合。MC1403的輸出電壓的溫度系數為零，即輸出電壓與溫度無關。該電路的特點是： = 1 * GB3 溫度系數小； = 2 * GB3 躁聲小； = 3 * GB3 輸入電壓

13、圍大，穩(wěn)定性能好，當輸入電壓從+4.5V變化到+15V時，輸出電壓值變化量小于3mV； = 4 * GB3 輸出電壓值準確度較高，在2.475V2.525V以； = 5 * GB3 壓差小，適用于低壓電源； = 6 * GB3 負載能力小，該電源最大輸出電流為10mA。MC1403采用8引線雙列直插標準封裝：圖4 MC1403引腳圖：因為輸出是固定的，所以電路很簡單。1、Vin接電源輸入。 2、GND接底。3、Vout加一個0.1uf1uf的電容就可以了。 4、 Vout一般用作812bit的D/A芯片的基準電壓。2.1.2 A/D轉換器MC14433MC14433是美國摩托羅拉公司生產的A/

14、D（模擬數字）轉換集成電路，廣泛應用于其有自動量程LED顯示，合數字萬用表中。 1功能特點 MC 14433集成電路含BCD碼產生電路，DS 1-DS4的個、十、百、千位選通電路，A/D變換器電路，自動調零控制電路，基準電源電壓電路，以及其他一些輔助功能電路。 2.引腳功能及數據 MC 14433集成電路采用24腳雙列封裝，其集成電路的引腳排列及功能如圖所示，其集成電路的實測電阻值見表所列。MC14433具有自動調零，自動極性轉換等功能?？蓽y量正或負的電壓值。當CP1、CP0端接入470K 電阻時，時鐘頻率66KHz，每秒鐘可進行4次A / D轉換。它的使用調試簡便，能與微處理機或其它數字系統(tǒng)

15、兼容，廣泛用于數字面板表，數字萬用表，數字溫度計，數字量具及遙測、遙控系統(tǒng)。圖5 A/D轉換器MC14433MC14433引腳表：引腳功能說明：VAG（1腳）：被測電壓V*和基準電壓VR的參考地。VR（2腳）：外接基準電壓（2V或200mV）輸入端；當參考電壓VR2V 時，滿量程顯示1.999V；VR200mV時，滿量程為199.9mV?？梢酝ㄟ^選擇開關來控制千位和十位數碼管的h筆經限流電阻實現(xiàn)對相應的小數點顯示的控制。V*（3腳）：被測電壓輸入端。R1（4腳）、R1 C1（5腳）、C1（6腳）：外接積分阻容元件端；C10.1f（聚酯薄膜電容器），R1470K（2V量程）；R127K（200m

16、V量程）。CO1（7腳）、CO2（8腳）：外接失調補償電容端，典型值0.1f。DU（9腳）：實時顯示控制輸入端。若與EOC（14腳）端連接，則每次A / D轉換均顯示。CP1 （10腳）、CPo （11腳）：時鐘振蕩外接電阻端，典型值為470K。CP1CP0端外接電阻R9330 k時，fo60Hz，采樣速率約為4次s。外接電阻變成165k，此時fo120kHz，采樣速率提高到8次s。VEE （12腳）：電路的電源最負端，接5V。VSS （13腳）：除CP外所有輸入端的低電平基準（通常與1腳連接）。EOC（14腳）：轉換周期結束標記輸出端，每一次A / D轉換周期結束，EOC 輸出一個正脈沖，寬

17、度為時鐘周期的二分之一。（15腳）：過量程標志輸出端，當V*VR 時，輸出為低電平。DS4DS1 （1619腳）：多路選通脈沖輸入端，DS1對應于千位，DS2 對應于百位，DS3 對應于十位，DS4對應于個位。Q0Q3 （2023腳）：BCD碼數據輸出端，DS2、DS3、DS4選通脈沖期間，輸出三位完整的十進制數，在DS1選通脈沖期間，輸出千位0或1及過量程、欠量程和被測電壓極性標志信號。三位半數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A/D轉換結果是采用BCD碼多路調制方法輸出，只要配上一塊譯碼器，就可以將轉換結果以數字方式實現(xiàn)四位數字的LED發(fā)光數碼管動態(tài)

18、掃描顯示。DS1DS4輸出多路調制脈沖信號。DS選通脈沖高電平，則表示對應的數位被選通，此時該數據在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的時序關系是在EOC脈沖結束后，緊接著是DS1輸出正脈沖。以下依次為DS2、DS3和DS4。其中DS1對應最高位（MSB），DS4則對應最低位（LSB）。在對應DS2、DS3和DS4選通期間，Q0Q3輸出BCD碼全位數據，即以8421碼方式輸出對應的數字09。在DS1選通期間，Q0Q3輸出千位的半位數。或1及過量程、欠量程和極性標志信號。在位選信號DS1選通期間Q0Q3的輸出容如

19、下：Q3表示千位數，Q3代表千位數的數字。若其值為1，則代表千位數的數字顯示為0；反之，若其值為0，千位數的數字顯示為1。Q2表示被測電壓的極性，Q2的電平為1，表示極性為正，即V*0，Q2的電平為0，表示極性為負，即V*1999，則溢出；|V*|Vr，則/OR輸出低電平。當/OR=1時，表示|V*|Vr。正常時/OR輸出高電平，表示被測量在量程。MC14433的/OR端與MC4511的消隱端直接相連，當V*超出量程圍時，/OR=0，輸出低電平。則，/BI=0，也處于低電平，MC4511譯碼器輸出全0，是發(fā)光數碼管顯示數字熄滅，而負號和小數點依然發(fā)亮。A/D轉換器性能指標：（1）分辨率A/D轉

20、換器的分辨率是指引起A/D轉換器的輸出數字量變動一個二進制數碼的最低有效位（LSB）（例如從00H變到01H）時輸入模擬量的最小變化量。例如，A/D轉換器輸入模擬電壓變化圍為010V，輸出為10位碼，則分辨率R為比9.77mV小的模擬量變化不再引起輸出數字量的變化。所以，A/D轉換器的分辨率反映了它對輸入模擬量微小變化的分辨能力。在滿量程一定的條件下位數愈多，分辨率越高，當然價格也愈貴。常用的A/D轉換器有8、10、12位幾種。（2）精度A/D轉換器的精度決定于量化誤差及系統(tǒng)其他誤差之和。一般的精度指標為滿量程的0.02%，高精度指標為滿量程的0.001%。（3）轉換時間或轉換速度率從輸入模擬

21、量到轉換完畢輸出數字量所需要的時間稱為轉換時間，轉換時間越短，速率越高，價格也越貴。A/D轉換器轉換時間的典型值50s，高速A/D轉換器的轉換時間為50ns。2.1.3 顯示電路從MC14433輸出的BCD碼經過MC14511譯碼后，連接到四個七段數碼管，其中千位只連接b,c和g端，使其只顯示1和負號。圖6仿真顯示電路 當UIN2V時，OR端呈低電平、使段譯碼驅動器CD4511的消隱控制端 0，強迫共陰極顯示器全部消隱。位選通信號經過MC1413分別接4只數碼管的公共陰極，在DS1DS4位選通信號的控制下進行動態(tài)掃描顯示。MC1413屬于7路達林頓驅動器（現(xiàn)僅用其中5路），它有兩個作用：第一，

22、將DS1DS4反相成低電平有效，以便接LED數碼管的公共陰極；第二，增加驅動能力，其l500，ICM200mA，7路同時工作時每路仍可輸出40mA電流。利用MC1403向MC14433提供2V的基準電壓，RP為精密多圈電位器。實選R2470k時f050kHz。R3R9為筆段限流電阻。RDP、RM分別為小數點、負極性筆段的限流電阻。負極性顯示的原理是，當DS1（正好掃到千位）且UIN0時，從Q2端輸出負極性信號（低電平），加至MC1413的第5腳。因MC1413屬于集電極開路輸出（OC門），故第12腳無輸出，相當于開路。5V電壓就經過RM接千位LED的g段，由于此時千位已被選中并且該位公共陰極接

23、低電平，故g段發(fā)光，顯示負極性符號。2.1.4讀數保持電路在EOC端與DU端串入100k電阻。當開關S斷開時能正常進行A/D轉換，顯示值被不斷地刷新；閉合S時DU0，A/D 轉換結果就長期保持下來，此時A/D 處于鎖存狀態(tài)。保持時間即開關閉合時間。2.2 系統(tǒng)整體硬件電路2.2.1 整體硬件電路PROTEL是PORTEL公司推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設計者的首選軟件，它較早就在國開始使用，在國的普及率也最高，有些高校的電子專業(yè)還專門開設了課程來學習它，幾乎所有的電子公司都要用到它，許多大公司在招聘電子設計人才時在其條件欄上常會寫著要

24、求會使用PROTEL。它包含了電原理圖繪制、模擬電路與數字電路混合信號仿真、多層印制電路板設計（包含印制電路板自動布線）、可編程邏輯器件設計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客戶/服務器）體系結構，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，E*CEL等，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度PCB的100布通率。1、運用PROTELL工具畫出以下電路：圖7整體電路圖2、PCB圖圖8 PCB電路圖3、三維PCB圖圖9三維PCB圖3.系統(tǒng)功能3.1 仿真軟件介紹Proteus軟件是一種低投資的電子設計自動化軟件，提供可仿真數字和

25、模擬、交流和直流等數千種元器件和多達30多個元件庫。Proteus軟件提供多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結果的影響，Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。提供Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設計功能，同時可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周邊設備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteu

26、s提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。3.1.1 仿真電路圖仿真電路基本操作步驟：（1）、打開PROTEUS 操作界面添加所需電路元件到元件列表中： 單擊P”按鈕，出現(xiàn)挑選元件對話框，在出現(xiàn)的對話框Keywords中輸入所用元件名稱，在對話框中單擊OK按鈕，關閉對話框。（2）放置元件。在元件列表中左健選取元件，在編輯窗口中單擊左健，這樣元件就被放到原理圖編輯窗口中了。（3）在編輯區(qū)布線，修改元件參數。 點擊想要連接的兩個引腳，就能就能簡單地實現(xiàn)布線。在特殊的位置需要布線，用戶只需

27、在中間的角落點擊。自動布線也能在元件移動的時候操作，自動地解決相應的連線。節(jié)點自動布置和移除。節(jié)約時間的同時，避免其他方面可能引起的錯誤。也可以手工布點，但是布點以后需要連線。雙擊元件修改相關參數。（4）進行電路仿真，完成原理圖如圖10所示。運用PROTEUS軟件仿真電路圖：圖10仿真電路圖 注：MC1413或ULN2003都是集成了7個非門的器件，作用是輸入1的時候輸出0，使得共陰極的數碼管被選中。在做仿真時，可能是仿真軟件版本的問題，仿真效果均不理想，所以用74ls04（4非門）來替代。 整個電路顯示是采用動態(tài)掃描的方式實現(xiàn)的。3.2 調試現(xiàn)象及結論 由于電路中使用共陰極數碼管,調節(jié)DIP

28、 SW-10,使其輸出相應的值,經過非門在數碼管上就可以看到管子動態(tài)顯示相應的字符。 經過以上的系統(tǒng)調試,證明該電路圖正確,就是我們設計所要的電路圖。3.3 安裝總調1、直流電壓表調試步驟。 (1) 插好芯片MC14433，接圖13接好全部線路。 (2) 將輸入端接地，接通+5V，5V電源（先接好地線），此時顯示器將顯示000”值，如果不是，應檢測電源正負電壓。用示波器測量、觀察DS1DS4，Q0Q3波形，判別故障所在。 (3) 用電阻、電位器構成一個簡單的輸入電壓V* 調節(jié)電路，調節(jié)電位器，4位數碼將相應變化，然后進入下一步精調。 (4) 用標準數字電壓表（或用數字萬用表代）測量輸入電壓，調

29、節(jié)電位器，使V*1.000V，這時被調電路的電壓指示值不一定顯示1.000”，應調整基準電壓源，使指示值與標準電壓表誤差個位數在5之。 (5) 改變輸入電壓V*極性，使Vi1.000V，檢查”是否顯示，并按(4)方法校準顯示值。 (6) 在+1.999V01.999V量程再一次仔細調整（調基準電源電壓）使全部量程的誤差均不超過個位數在5之。 至此一個測量圍在1.999的三位半數字直流電壓表調試成功。2、記錄輸入電壓為1.999，1.500，1.000，0.500，0.000時（標準數字電壓表的讀數）被調數字電壓表的顯示值，列表記錄之。3、如圖連接好量程選擇電路，用電壓表測試經過衰減后的電壓的比

30、例關系是否為100：10：1，經過電壓跟隨器后，連接到MC14433的輸入端。撥動量程開關到20V，輸入電壓為220V時，觀察輸出電壓的數值。4、按圖連接好AC-DC轉換電路，設置一個交流/直流選擇檔，如果輸入的是交流，則必須通過AC-DC轉換電路，將交流電壓的有效值轉換為直流電壓，這樣才能通過MC14433進行A/D轉換。 5、若積分電容C1、C02(0.1F)換用普通金屬化紙介電容時，觀察測量精度的變化。6、準確度是測量結果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。它表示測量結果與真值的一致程度，也反映了測量誤差的大小，準確度愈高，測量誤差愈小。測量的絕對誤差有兩種表達式：U（a%U*b%UM） （1）U（a%U*n） （2）式（1）中，U*為讀數值（即顯示值），UM表示滿度值。括號中前一項代表A/D轉換器和功能轉換器（例如分壓器）的綜合誤差，后一項是數字化處理所帶來的誤差。式（2）中，n是量化誤差反映在末位數字上的變化量。若把n個字的誤差折合成滿量程的百分數，則變成式（1）?？梢娚鲜龆绞峭耆葍r的。數字電壓表的準確度遠優(yōu)于模擬式電壓表。例如，3位、4位DVM的準確度分別可達0.1、0.02。4.設計總結經過5個星期的課程設