电子测量技术与仪器课程设计

《电子测量课程设计报告》

设计题目：精度三位半的电压测量仪

专业班级：12级物联网工程2班

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学号：**************

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时间：2014年11月13日~2014年11月25日

地点：四教4613实验室

一．课程设计题目    三位半精度的电压测量仪

二．内容摘要

  数字电压表是常用的测量仪表之一，与同级别的指针式电压表相比较，使用方便，测量更准确，因此广泛使用。它由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟部分包括转换式输入放大器、基准电压源和A/D转换电路。数字部分包括计数器、译码驱动显示及逻辑控制。

三位半精度直流数字电压表具有以下7大特点：（1） 显示清晰直观，读数准确 （2） 显示位数  本设计中显示的位数为3位（3） 高准确度 （4） 分辨率高 （5） 测量速率快（6）输入阻抗高（7）集成度高 ，微功耗， 新型数字

三．设计内容及要求

    1. 了解双积分式A / D转换器的工作原理

　  2. 熟悉位A / D转换器MC14433的性能及其引脚功能

    3. 掌握用MC14433构成直流数字电压表的方法

4. 设计一个具有三位的十进制数字显示电压表电压表采用CMOS集成电路，整机功耗很低。

四．实验设计清单

1.MC1403基准电源（1个）  2.MC14433A/D转换器（1个）  3.CD4511译码驱动（1个）  4.LED共阴极数码管（4个）  5.MC1413（ULN2003）（1个）  6.电阻：10K（3个）1K（2个）47K（2个）3K（1个）470K（2个）100Ω（10个）10K的滑动变阻器（2个）7.电容：0.01µF（1个）0.1µF（3个）

8.排针若干  9.覆铜板（2个） 10.导线若干  11.电池盒（2个）

五．设计方案

直流数字电压表的核心器件是一个间接型A / D转换器，它首先将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。

    1、V－T变换型双积分A / D转换器

图1是双积分ADC 的控制逻辑框图。它由积分器（包括运算放大器A1 和RC积分网络）、过零比较器A2，N位二进制计数器，开关控制电路，门控电路，参考电压VR与时钟脉冲源CP组成。

图1  双积分ADC原理框图

转换开始前，先将计数器清零，并通过控制电路使开关 SO接通，将电容C充分放电。由于计数器进位输出QC＝0，控制电路使开关S接通vi ，模拟电压与积分器接通，同时，门G，计数器不工作。积分器输出vA线性下降，经零值比较器A2 获得一方波vC，打开门G，计数器开始计数，当输入2n 个时钟脉冲后t＝T1，各触发器输出端Dn-1～DO 由111…1回到000…0，其进位输出QC＝1，作为定时控制信号，通过控制电路将开关S转换至基准电压源－VR，积分器向相反方向积分，vA开始线性上升，计数器重新从0开始计数，直到t＝T2，vA下降到0，比较器输出的正方波结束，此时计数器中暂存二进制数字就是vi 相对应的二进制数码。

　2、3½位双积分A / D转换器MC14433的性能特点

MC14433是CMOS双积分式3½位A / D转换器，它是将构成数字和模拟电路的约7700多个MOS晶体管集成在一个硅芯片上，芯片有24只引脚，采用双列直插式，其引脚排列与功能如图2所示。

       图2  MC14433引脚排列

    引脚功能说明：

    VAG（1脚）：被测电压VX和基准电压VR的参考地

    VR（2脚）：外接基准电压（2V或200mV）输入端

    VX（3脚）：被测电压输入端

R1（4脚）、R1 ／C1（5脚）、C1（6脚）：外接积分阻容元件端

C1＝0.1μf（聚酯薄膜电容器），R1＝470KΩ（2V量程）；

R1＝27KΩ（200mV量程）。

    C01（7脚）、C02（8脚）：外接失调补偿电容端，典型值0.1μf。

    DU（9脚）：实时显示控制输入端。若与EOC（14脚）端连接，则每次A / D转换均显示。

CP1 （10脚）、CPo （11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为470KΩ。

VEE （12脚）：电路的电源最负端，接－5V。

    VSS （13脚）：除CP外所有输入端的低电平基准（通常与1脚连接）。

    EOC（14脚）：转换周期结束标记输出端，每一次A / D转换周期结束，EOC 输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的二分之一。

 （15脚）：过量程标志输出端，当｜VX｜＞VR 时，输出为低电平。

    DS4～DS1 （16～19脚）：多路选通脉冲输入端，DS1对应于千位，DS2 对应于百位，DS3 对应于十位，DS4对应于个位。

Q0～Q3 （20～23脚）：BCD码数据输出端，DS2、DS3、DS4选通脉冲期间，输出三位完整的十进制数，在DS1选通脉冲期间，输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。

MC14433具有自动调零，自动极性转换等功能。可测量正或负的电压值。当CP1 、CP0 端接入470KΩ 电阻时，时钟频率≈66KHz，每秒钟可进行4次A / D转换。

图3三位半直流数字电压表线路图

3、CD4511译码器

引脚功能：A、B、C、D----BCD码输入端；a、b、c、d、e、f、g----译码输出端，输出“1”有效。LT’----测试输入端，LT’=“0”时，译码输出全为“1”；BI’----消隐输入端，BI’=“0”时，译码输出全为“0”；LE----锁定端，LE=“1”时译码器处于锁定状态，译码输出保持在LE=“0”的数值，LE=“0”为正常译码。

4、3½位直流数字电压表的组成    

线路结构如上图所示。

（1）被测直流电压VX经A / D转换后以动态扫描形式输出，数字量输

出端Q0 Q1 Q2 Q3 上的数字信号(8421码)按照时间先后顺序输出。位选信号DS1

DS2，DS3，DS4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的公共阴极。数字信号经七段译码器CC4511译码后，驱动

四只LED数码管的各段阳极。这样就把A / D转换器按时间顺序输出的数据以

扫描形式在四只数码管上依次显示出来，由于选通重复频率较高，工作时从高位到低位以每位每次约300μS的速率循环显示。即一个4位数的显示周期是1.2ms，所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。

（2）当参考电压VR＝2V 时，满量程显示1.999V；VR＝200mV时，满量

程为199.9mV。可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。

（3）最高位（千位）显示时只有b、c二根线与LED数码管的b、c脚

相接，所以千位只显示1或不显示，用千位的g笔段来显示模拟量的负值（正值不显示），即由CC14433的Q2 端通过NPN晶体管9013来控制g段。

（4）精密基准电源MC1403

A / D转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于

A / D转换器的精度。本实验采用MC1403集成精密稳压源作参考电压，MC1403的输出电压为 2.5V，当输入电压在4.5～15V 范围内变化时，输出电压的变化不超过3mV，一般只有0.6mV左右，输出最大电流为10mA。

MC1403引脚排列见下图。

（5）实验中使用CMOS BCD七段译码／驱动器CC4511。

（6）七路达林顿晶体管列阵MC1413  

MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此有很高的电流增益和很

高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内含有7个集电极开路反相器（也称OC门）。MC1413电路结构和引脚排列如下图所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管

六．制作并调试

1.测试导线及数码管等分立元器件的性能是否良好，保证导线及分立元器件能正常工作。

2.分块搭接电路，分别测试整波电路、MC14433A/D转换器及CD4511等接线后是否能正常工作，用示波器观察MC14433A/D转换器的输出波形，并与理论波形比较，调试使其正常输出。

3.将分立电路整体连接，输入电压，观察数码管是否正常显示数值，并与标准数字电压表进行对照，计算误差。

4.调整电路的稳定性，使数码管显示数值尽量在小范围内波动或不波动，使测试数值更精确。

5.总结调试过程中出现的问题以及针对此问题的解决方法，总结调试成果及收获，做好笔记。

七．总结设计电路的特点及方案的优缺点：

3位半双积分式A/D转换器MC14433转换精度为读数的±0.05%±1字，并能很方便地判断出是否超欠量程，以便于量程的自动切换功能的实现，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。缺点是工作速度低，且外围电路需配基准电源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂。