三位半数字电压表设计

一、课程设计要求；

采用中小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计三位半数字电压表。要求如下：

1、直流电压测量范围 1999—0001V；199.9—0.1V；19.99—0.01V；1.999—

0.001V；

2、交流电压测量范围 1999—199V；

3、3位半数码显示。

二、方案设计及论证；

方案设计一：本设计实际上是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示，主要由以下几部分构成：量程转换电路、AC-DC转换电路、3位半A/D转换单元电路、基准电源单元电路、译码驱动单元以及数码管显示单元。其中A/D转换器选用三位半MC14433，基准电源选用MC1403，译码驱动器则CD4511，另加四个共阴极LED发光数码管。原理框图如下：

方案设计二：根据系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89C52单片机，A/D 转换采用ADC0809、四个共阴极LED数码管。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行8路其他A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。原理框图如下：

方案设计三：根据系统功能实现要求，决定控制系统采用ICL7106、四个共阴极LED数码管。原理框图如下：

方案比较：

①

②

±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。具有外接元件少，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，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，另外价格只有10元多点，是较好的选择， 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因此选择方案一。

三、详细设计；

1、单元电路设计与分析；

㈠MC14433

⑴MC14433型3 ?位A／D转换器具有以下特点：

①工作电压范围是±4.5V~8V。典型值为±5V，功耗约8mW。

②A／D转换精度：±0.05％±1个字（?位十进制相当于11位二进制），转换速率为3~10次／秒。

③具有自动调零和自动转换极性之功能。

④有多路调制的BCD码输出，可以方便的与微机相连，或打印记录。

⑤能获得超量程（OR）和欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。

⑥具有读数保持功能。

⑦采用共阴极LED动态扫描显示方式，不仅降低了显示功耗，还使外部接线大为简化。

⑵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

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。

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）。

CO1（7脚）、CO2（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。CP1~CP0端外接电阻R9＝330 kΩ时，fo≈60Hz，采样速率约为4次／s。外接电阻变成165kΩ，此时fo≈120kHz，采样速率提高到8次／s。

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。

OR（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。

⑶工作原理：

三位半数字电压表通过位选信号DS1~DS4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。DS1~DS4输出多路调制脉冲信号。DS选通脉冲高电平，则表示对应的数位被选通，此时该数据在Q0~Q3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（MSB），DS4则对应最低位（LSB）。在对应DS2、DS3和DS4选通期间，Q0~Q3输出BCD码全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0~9。在DS1选通期间，Q0~Q3输出千位的半位数。或1及过量程、欠量程和极性标志信号。

在位选信号DS1选通期间Q0~Q3的输出内容如下：

Q3表示千位数，Q3代表千位数的数字。若其值为1，则代表千位数的数字显示为0；反之，若其值为0，千位数的数字显示为1。

Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即Vx>0，Q2的电平为0，表示极性为负，即Vx<0。显示数的负号（负电压）由MC1413中的一只晶体管控制，符号位“一”段的阴极与千位数的阴极接在一起，当输入信号Vx为负电压时，Q2端输出置“0”。Q2负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻Rm使显示器的“一”段（即g段）点亮；当输入信号Vx为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使反相器导通，电阻接地，使“一”旁路而熄灭。

小数点显示是由正电源通过限流电阻供电燃亮小数点。若量程不通则选通对应的小数点。

过量程是当输入电压Vx超过量程范围时，输出过量程标志信号/OR。

当Q3=0，Q0=1时，表示Vx处于过量程状态。

当Q3=1，Q0=1时，表示Vx属于欠量程状态。

当/OR=0时，|Vx|>1999，则溢出；|Vx|>Vr，则/OR输出低电平。

当/OR=1时，表示|Vx|

㈡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。

㈢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。

㈣过载闪烁报警电路MC4013

现利用双D触发器CD4013的一半作二分频

器。作触发器复位信号EOC作时钟脉冲。常态下，

OR’＝1→ Q’＝1→ BI’＝1，能正常显示；一

旦发生超量程， OR’＝0，EOC信号经二分频后

加至CD45511的端，令显示器低频闪烁。

1/2CD4013有两个作用：第一，将EOC窄脉冲变

成方波；第二，对fEOC进行二分频，降低闪烁频

率以取得最佳报警效果。例如，当f0＝50kHz时，

fEOC＝f0/16400≈3Hz，经二分频后f＝1.5Hz方

波，周期T＝0.67s。这样，端就加上交替变化

的高、低电平，强迫LED显示器以1.5Hz的低频进行闪烁，以示超量程报警。

㈤显示及小数点

控制电路；

从MC14433

输出的BCD码经

过CD4511译码

后，连接到四个

七段数码管，其

中千位只连接

b,c和g端，使其

只显示1和负号。

当Vx＞2V

时，OR端呈低电

平，MC4013分频

使段译码驱动器

CD4511的消隐控

制端以0、1循环

显示，使强迫共

阴极显示器低频

进行闪烁。位选通信号经过反相器分别接4只数码管的公共阴极，在DS1～DS4位选通信号的控制下进行动态扫描显示。反相器有两个作用：第一，将DS1～DS4反相成低电平有效，以便接LED数码管的公共阴极；第二，增加驱动能力。利用MC1403向MC14433提供2V的基准电压，RP为精密多圈电位器。实选R2＝470kΩ时f0≈50kHz。排阻为笔段限流电阻。负极性显示的原理是，当DS＝1（正好扫到千位）且Vx＜0时，从Q2端输出负极性信号（低电平），加至MC1413的第5脚。因MC1413属于集电极开路输出（OC门），故第12脚无输出，相当于开路。＋5V电压就经过限流电阻接千位LED的g段，由于此时千位已被选中并且该位公共阴极接低电平，故g段发光，显示负极性符号。

㈥读数保持电路；

在EOC端与DU端串入100kΩ电阻。当开关S断

开时能正常进行A/D转换，显示值被不断地刷新；闭

合S时DU＝0，A/D 转换结果就长期保持下来，此时

A/D 处于锁存状态。保持时间即开关闭合时间。

㈦量程选择及电压跟随器；

Vx 是输入的测量电压。量程的转换由一个电阻

分压网络实现，各档输出电压和输入的测量电压分压

比为分别为 1 ： 1 ， 1 ： 10 ， 1 ： 100，1：

1000。档位分四档，各档测量电压范围为：

1、直流电压测量范围 1999—0001V；199.9—

0.1V；19.99—0.01V；1.999—0.001V；

2、交流电压测量范围 1999—199V

档位切换由一组拨码开关实现。取的电阻值越

大，电路的输入电阻越大，性能越好。

电压跟随器的作用是保护电路，使其具有很好的

安全性。

㈧AC-DC转换电路；

交流电

压测量电路

如图所示。

左边IC1

为精密半波

整流电路，右

边IC2为平均

值-有效值变

换电路。IC1

输入端电压

是经过衰减

器和电压跟随器后得到的电压，此交流电压被限制在2V以下，经过半波整流后，变换成平均值，再经过IC2修正使之成为电压的有效值。

半波整流后的平均值与有效值之间的关系如图所示，图中的Vm为输入端电压的峰值，

IC2是平均值-有效值变换电路，其作用是将经IC1半波整流后得到的输出电压加以平滑和放大，即将V放大到有效值V，放大倍数A=V/V,=2.22.IC2为反相放大器，放

大倍数由R2、Ｒ３、Ｒ６确定。Ｃ１为平滑电容，将半波整流后的电压变为平滑。Ｒ２用于调节输出电压的平均值，使之与有效值相等。

2、积分电阻电容的选择：

①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

0.1μF。RI的选取与量程有关。

量程为2V时，取R为470kΩ；

量程为200mV时，取R为27kΩ。

选取RI和C的计算公式如下：

RI=UX(MAX)*T/(CI*ΔUC )

式中，ΔUC为积分电容上充电电压幅度,

ΔUC=VDD-UX(MAX)-ΔU, ΔU=0.5V;

T=4000/fclk

例如，假定 CI=0.1μF，VDD=5V，fCLK=66kHz。当 UX(max)=2V 时，代入上式可得 RI=480kΩ，取 RI=470kΩ。MC14433 设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。

MC14433A／D 转换周期约需 16000 个时钟脉冲数，若时钟频率为 48kHz，则每秒可转换3 次，若时钟频率为 86kHz，则每秒可转换 4 次。

②限流电阻的选择：

根据共阴极ＬＥＤ显像管（显示颜色不同管压降不同这里选用红色V）的管压降为1.7V-2.5,LED管通10ma为宜。固限流电阻阻值为200Ω。

四、电路的安装与调试；

1、数码显示部分的组装与调试；

(1) 将4只数码管插入7号板，将4个数码管同名笔划段与显示译码的相应输出端连在一起，其中最高位只要将b、c、g三笔划段接入电路，按图接好连线，但暂不插所有的芯片，待用。

(2) 插好芯片CD4511与MC1413，并将CD4511的输入端A、B、C、D接至拨码开关对应的A、B、C、D四个插口处；将MC1413的1、2、3、4脚接至逻辑开关输出插口上。

(3) 将MC1413的2脚置“1”，1、3、4脚置“0”，接通电源，拨动码盘（按“＋”或“－”键）自0～9变化，检查数码管是否按码盘的指示值变化。

(4) 检查译码显示是否正常。

(5) 分别将MC1413的3、4、1脚单独置“1”，重复(3)的内容。

如果所有4位数码管显示正常，则去掉数字译码显示部分的电源，备用。 2、标准电压源的连接和调整；

插上MC1403基准电源，用标准数字电压表检查输出是否为2.5V，然后调整10K Ω电位器，使其输出电压为2.00V，调整结束后去掉电源线，供总装时备用。

3、总装总调；

(1) 插好芯片MC14433，接电路全图接好全部线路。

(2) 将输入端接地，接通+5V，－5V电源（先接好地线），此时显示器将显示“000”值，如果不是，应检测电源正负电压。用示波器测量、观察DS1～DS4 ，Q0～Q3 波形，判别故障所在。

(3) 用电阻、电位器构成一个简单的输入电压VX 调节电路，调节电位器，4

位数码将相应变化，然后进入下一步精调。

(4) 用标准数字电压表（或用数字万用表代）测量输入电压，调节电位器，使VX＝1.000V，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。

(5) 改变输入电压VX极性，使Vi＝－1.000V，检查“－”是否显示，并按(4)方法校准显示值。

(6) 在+1.999V～0～－1.999V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。

至此一个测量范围在±1.999的三位半数字直流电压表调试成功。

4、记录输入电压为±1.999，±1.500，±1.000，±0.500，0.000时（标准数字电压表的读数）被调数字电压表的显示值，列表记录之。

5、如图连接好量程选择电路，用电压表测试经过衰减后的电压的比例关系是否为1000：100：10：1，经过电压跟随器后，连接到MC14433的输入端。拨动量程开关到20V，输入电压为2~20V时，观察输出电压的数值。

6、按图连接好AC-DC转换电路，设置一个交流/直流选择档，如果输入的是交流，则必须通过AC-DC转换电路，将交流电压的有效值转换为直流电压，这样才能通过MC14433进行A/D转换。

五、元器件列表

六、设计心得与体会

第一、线路连接好后，LED 显像管闪烁，原因是VAG 没有和MC14433的接地端接地相接。 第二、在这次实验中，我们将七路达林顿管换成了六个相同的用三极管搭接的反相器，

如图1，但在进行实际电路连接时为了方便，在控 制千位和正负号的反相器中省略了R1

和R3，致使Q2与Q3的电位钳制在0.7V 左右。使Q2Q3

=00

，Q3Q2Q1Q0=0000、0001、0010、

0011，使LED 显像管只能显示0、1、2、3四个数。

在检验此错误中示波器起了很重要的作用，开始时，我 们认为是MC14433出现了错误，于是用示波器检测Q0、 Q1、Q2、Q3及DS1、DS2、DS3、DS4输出波形，发现除 Q2、Q3

外均能输出矩形波，拔掉连接三极管基极的插头 （控制千位与正负号的），发现Q2、Q3有矩形波输出， 调节Vx,LED 显像管能出现3以上的数字。从而断定CD 4511、MC14433均为好芯片。在从理论上分析终于找到

了错误的原因。

第三、本次3位半数字电压表实验实训课程,主要是根据电子信息专业的学习而设计安排,融合了数字电子技术,模拟电子技术等课程的知识,培养我分析问题的能题和解决问题的能力,理论联系实际的能力和实际操作能力,在很大程度上提高我的综合学习能力。

以前都是理论学习，这次电子设计完全是自己设计、自己上实验台安装，确实付出了许多努力，也知道了如何抓住现象看本质，当我们组调试出来的时候，我们都感到无比的喜悦与自豪！ 第四、CD4511详细介绍

①A 、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。

②CD4511的功能表如下：

图1

R3 R2

330Ω*7