《数字万用表课程设计》课程报告

天津电子信息职业技术学院

《数字万用表课程设计》课程报告

论文题目：三位半数字万用表

姓名：陈星宇（02）

系别：网络技术系

专业：物联网应用技术

班级：物联S11-1

指导教师：王青

目录

一．课程设计的目的 (1)

二．设计题目和要求 (1)

三．总体方案 (1)

四．方案比较 (3)

五．基本原理 (4)

六．单元电路设计 (5)

6.2 AC/DC转换电路 (8)

6.3 电压、电流信号衰减电路 (8)

6.4 电阻测量电路 (9)

6.5 电容测量 (11)

八．所用元器件 (13)

九．设计心得和体会 (13)

十一．实验测得波形图 (15)

参考文献 (16)

三位半数字万用表

一．课程设计的目的

课程设计的主要目的，是通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往的学习模电、数电内容，达到灵活应用的目的。在设计完成后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强学生的动手能力。在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计任务同时注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面：

1、独立工作能力和创造力。

2、综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。

3、查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。

4、熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法。

5、工程绘图能力。

6、写技术报告和编制技术资料的能力。

二．设计题目和要求

题目：设计3 1/2数字万用表

具体要求：

（一）根据题目，利用所学知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计 2-3个实现数字万用表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能

框图，描述其功能。

说明：采用原理、方案、方法不限，可以自行设计。

（二）其中对将要实验方案3 1/2位数字万用表方案，须采用中小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工

作原理，计算出参数。

（三）技术指标：

1、测量直流电压1999-0001V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-

0.001V；测量交流电压1999-199V。

2、交、直流电流；

3、电阻、电容；

4、三位半数字显示。

三．总体方案

方案一：由MC14433A/D转换器构成的3 1/2位数字万用表

原理：该系统中将待测直流电压Vx加到MC14433芯片的3脚，经MC14433

完成A/D 转换后，通过CD4511七段锁存/译码/驱动器送到LED 显示，LED 位选是由MC14433的DS4-DS1经MC1413反向后提供，MC1403为MC144433提供基准电压。测交流时则需经AC-DC 转换。

原理框图：

方案二：由ICL7106构成的3 1/2为数字万用表

原理：该系统采用ICL7106、四个共阴极LED 数码管，ICL7106内部包括模拟电路（即双积分A/D 转换器）、数字电路两大部分。输入电压经量程转换进入ICL7106进行A/D 转换，直接在数码器上显示。ICL7106只有液晶笔段及背电极驱动，没有小数点驱动端。为显示小数点，需另加外围电路。 原理框图：

参考电压源

量 程 转 换

AC-DC 转换

A/D 转换器

CD4511译

码器

4位数码管

交流电？ 是

否

方案三：由ICL7136构成的3 1/2为数字万用表

其原理、原理框图与ICL7106大致相同。有以下改进：1、在模拟电路的输出端增加了过零检测器和极性触发器；2、在缓冲器和积分器之间增加了一个自动调零模拟开关SAZ 。

四．方案比较

由上表可知，

项目 MC14433

ICL7106

转换速率 3~10次/s 0.1~15次/s 输入阻抗 1000M

10000M

基准电压 200．0V （200mV 量程） 100．0V （100mV 量程） 2．000V （2V 量程） 1．000V （1V 量程） 封装形式 DIP-24

DIP-40

电源电压 双电源供电，电源电压范围是+4.5V~+8V 。一般取典型值+5V 单电源供电，电源电压范围是7~15V ，典型值为9V 显示器 共阴极LED 显示器

LCD 显示器

显示方式 动态扫描方式，驱动线少

静态显示，驱动线多 显示特点 亮度高，亮暗对比度大，显示清晰，色彩绚丽，寿命长，功耗高

亮度低，亮暗对比度小，寿命短，微功耗

输出功能 具有BCD 码输出，可配计算机进行数据处理，自动控制自动打印结果 无BCD 码输出，不能配计算机或打印机

外围电路

需配基准电b 源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂

外围电路简单，只需5个电阻和5个电容

LED 显 示 器

ICL 7106

振荡 电路

基准电压 分压电路

+ 输入 _

（1）MC14433与ICL7106比较前者具有转换速率高、输入阻抗低、电压范围大等优点，MC14433转换准确度比较高，相当于二进制11位的A/D转换器，还具有价格低廉、抗干扰性强之优点。

（2）3位半双积分式A/D转换器MC14433可以满足设计要求，适合实验室应用，其功能也较全面。ICL7106采用大规模集成电路芯片，价格昂贵实验室不易提供且不符合设计中用小规模集成芯片的要求。

（3）同ICL7106相比ICL7136有以下特点：微功耗、输入电流为1pA、低噪声、能消除超量程时的滞后效应、测量速度低。但总体性能仍不如MC14433。

故进行实验时用MC14433器件来构成3 1/2位数字万用表。

五．基本原理

该系统可采用MC14433 3位半A/D转换器，MC1413七路达林顿驱动阵列，CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器，基准电压MC1403和共阴极LED发光数码管组成。

（1）各部分功能如下：

1、3 1/2A/D转换器：将输入的模拟信号转换成数字信号

2、基准电源：提供精密电压，供A/D转换器作参考电压

3、译码器：将BCD码转换成七段信号

4、驱动器：驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，推动发光数码管进行显示

5、显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果（2）工作过程如下：

3 1/2数字万用表通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，其中MC14433用来实现A/D转换、计数和控制逻辑等主要功能。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，就可以将转换结果一数字方式实现四位数字的LED 发光数码管动态扫描。DS1～DS4为输出多路调制选通脉冲信号，DS

选通脉冲为高电平则表示对应数位被选通，此时，该位数据在Q

0～Q

3

端输出。DS和EOC时序关系是在EOC脉冲结束之后，紧接着是DS1

输出正脉冲，以下依次是DS2、DS3、DS4，其中DS1对应高位（MSD）

DS4对应低位（LSD）。对应位选通期间，Q

0～Q

3

输出以BCD码形式数

据，DS1选通期间Q

0～Q

3

输出千位的半位数0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|

六．单元电路设计

6.1

器件介绍

（一） MC14433芯片引脚及其功能.

(1)MC14433的内部框图如图所示，主要包括模拟电路（A/D 转换器）、数字电路两大部分。

（2）MC14433采用24脚双列直插式封装（DIP ——40）管脚排列如下图所示:

一多路选择开关

锁存器个十百千极性

判别溢出逻辑控制模拟电路

时钟1-40-3

1

14433结构及引脚图

模拟地 .V AG 1

基准电压 V REF 2

输入 V 13 R1 4 R1/C1 5 C1 6 C01 7 C02 8 DU 9 CLK1 10

CLK2 11 V EE 12 MC14433 24 VDD 正电源 23 Q3 22 Q2 21 Q1 20 Q0 19 千位选通 18 百为选通 17十位选通 16个位选通 15 OR ˉ超量程 14 EOC A/D 转换结束标志 13 V SS 地 多路选择开关

锁存器

个十百

逻辑控制

时钟

1

积分元件

自动调零电容

实时输出控制端 时钟脉冲输入端 时钟脉冲输出端 负电源

BCD 码输出

MC14433 引脚排列图

各引脚功能如下:

U DD——正电源端，一般接+5V。

U AG——输入信号的公共端，简称模拟地。

U SS——输入信号Q0-Q3、DS1-DS4,ORˉ、ECO(不包括CL O)的公共地；此端接U AG时输出电压变化范围是U AG-U DD，接U EE端时是U EE-U DD。

U EE——负电源端，通常接-5V；U EE主要作为内部模拟电路的负电源，其负载电流约为0.8mA。

U I——模拟电压输入端，输入电压为U IN。

U REF——外接基准电压端。

R1、R1/C1、C1——外接积分元件端。

C01、C02——外接自动调零电容。

DU——实时输出控制端，亦称数据更新端。若在双积分第5阶段开始之前从DU端输入一个正脉冲，则本次A/D转换结果就依次通过锁存器和多路选择开关输出。否则，输出端仍保持锁存中原有数据不变。使用中若将DU端与EOC端相连，则每次A/D的转换结果都被输出；将DU端接U SS时即可实现读数保持。 CLK1、CLK2——分别为时钟脉冲输入、输出端，二者之间接上振荡电阻R C 即可产生时钟信号。

EOC——A/D转换结束标志输出端，每个A/D转换周期结束时此端输出一个正脉冲。

ORˉ——量程信号输出端，超量程时ORˉ=0（负逻辑）。

DS1-DS4——多路调制位选通信号输出端，其中DS1为千位，DS4为个位。 Q0-Q3——BCD码输出端。

（二） CD4511引脚图及其功能

CD4511引脚排列图

其功能介绍如下：

1）VDD,VSS为正负电源端,电源电压范围为3~18V通常取5V 2）A,B,C,D:BCD码输入端，A为最低位。

3）a、b、c、d、e、f、g:七段译码输出（高电平有效）可驱动共阴极LED

数码管。

4）LT为灯测试端，只要LT=0无论其它输入端状态如何LED显示为 8，各笔段都被点亮，由此检测数码管是否故障，正常工作时应为高电平。

5）BI为消隐功能端只要BI=0且LT=1，LED灭灯达到消隐目的，正常工作应置BI端为高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，输入数据超过十进制数9（1001）时显示字形也自行消隐。

6）LE锁存信号：当LE=1且BI=LT=1时，则锁存输出信号LED保持前一时刻.

（三） MC1403的引脚及其功能

ＶIN 1 8

VOUT 2 7 7

MC1403

GND 3 6

N.C. 4 5

MC1403引脚图

MC1403的输出电压温度系数为0，即输入电压与温度无关。该电路的特点：（1）温度系数小；（2）噪声小；（3）输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4.5V变化到+15V时，输出电压值变化量ΔV0<3mV；（4）输出电压准确度较高，V0值在2.475-2.525V以内；（5）压差小，适用于低压电源；（6）负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。

（四）MC1413反相驱动器（实验中用5个三极管搭建）

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。

6.2 AC/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。V=1/ЛVm，Vˉ=1/√2 Vm。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 u=V/Vˉ=2.22。IC2为反相放大器。

验证电路：

如输入电压有效值V~=2V,Vm=√2 X 2V=2.828V。

IC1输出半波整流电压，其平均值Vˉ=1/√2 Vm≈0.9V。

IC2输出直流电压：V=A u Vˉ≈2V。

所以上面的电路设计达到交流电压测量的目的。

6.3 电压、电流信号衰减电路

（1）电压衰减电路

四个电阻串联值为10MΩ，若隔直电容104通过交流电压使输出V0达到2V，则开关4接入的V i= V0 /10kΩ X 10MΩ=2000V,同理，其它档位1、2、3、4分别为2V、20V、200V、2000V。

（2）电流衰减电路

四个电阻串联值为1000Ω，若选1档，且使输出不超过2V，则I i X 1000Ω=V0≤2V,所以I i≤2mA。同理可计算出其它档的满量程电流。档位1、2、3、4

分别为2mA 、20mA 、200mA 、2A 。

图1-电压衰减电路 图2-电流衰减电路

6.4 电阻测量电路

如图3所示

X 0IN REF

R R U U =

即

0REF

IN

X R U U R =

选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量

挡。

对200Ω挡，取R 01=100Ω，小数点定在十位上。当R x =100Ω时，表头就会显示出100.0(Ω)。当R x 变化时，显示值相应变化，可以从0.1Ω测到199.9Ω。

又如对2k Ω挡，取R 02=1k Ω，小数点定在千位上。当R x 变化时，显示值相应变化，可以从0.001k Ω测到1.999k Ω。 由上分析可知，

R 1＝R 01=100Ω

R 2＝R 02－R 01＝1000－100＝900Ω R 3＝R 03－R 02＝10k －1k ＝9k ……

R x

IN+

A/D

转换

及 数字表头

R t

IN-

V REF+ V REF － 图3-电阻测量电路

R 1

R 2

R 3 R 4

900k 90k

9k

900 100

PTC

T

+V

200Ω 2k Ω 20k Ω

200k Ω 2M Ω R 5

6.5 电容测量

IC7是555方波产生器，低电平时触发IC8单稳态触发器。电容测量仪输出电压V0 与MC14433第3脚相连，通过A/D转换，可以从LED显示器上读出电容值。

下面分析IC7的工作情况。

C1放电时： t pL=R2C1ln2≈33 μS

C2充电时： t pH=(R1+R2)C1ln2≈3.3ms

占空比 K= t pH/(t pH + t pL)=(R1+R2)/(R1+2R2)≈0.99

频率 f=1/(t pH + t pL)≈300HZ。

IC8是555单稳态触发器，其输出脉宽tpo由被测电容Cx及电阻目的。

当×1挡R4=1ΜΩ时，被测电容Cx最大可达2000pF。

因此，

tpo≈RCln3≈1.1R4Cx=2.2ms

同理，×0.1、×10、×100、×1000挡都为2.2ms，单稳输出，脉冲宽度最大且固定不变，而且小于IC7输出脉宽3.3ms。

当×1挡被测Cx=2000pF时，tpo=0.22ms> t pL=0.033ms，IC8仍能集电极开路工作。

其波形如图所示

下面来计算IC8第3脚输出电压V 3的平均值。 当×1挡，Cx=2000pF 时，其输出电压最大。

V 平均=tpo/(t pH + t pL)×V 3m ≈0.66×V 3m ，其中V 3m 是IC8第3脚输出电压V 3幅值。

设数字表输出最大电压Vx=2V ，其方波幅度 V 3m= V 平均/0.66=V 0/0.66《=Vx/0.66=2V/0.66≈3V ，其中，V 3m= V 0《= Vx=2V 。 保持这一档量程不变，下面来验证一下显示的指示值正确与否。 例：当×1挡，Cx=200pF 时，V 平均3=0.2V 。 此时每个字母代表1pF 。

×1挡最小可测到tpo=0.33ms=11000000Cx 。

由上述计算可知，Vx=2V 时，IC8的第3脚方波幅度应为3V ，当555定时器供电为5V 时，其3脚电压幅度近似为4V ，为此必须加衰减器将电压由4V 降至3V 。

七．组装、调试内容

总电路组装与调试：

（1) 接通正负电源电压，+5V 、-5V ；调节电位器，使基准电压为2V 。 （2）将4只数码管插入板上，插好芯片CD4511、MC14433，用5个三极管搭成MC1413，按电路全图接好全部线路。

（3）接通电源，检查译码显示是否正常。

（4）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。

（5） 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。

（6） 用数字万用表代测量输入电压，调节电位器，使VX ＝1.000V ，这时

V6.67

V3

V3

0.033ms

IC7 IC8

IC9

3V

电容测量部分波形图

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。

（7) 改变输入电压VX 极性，使Vi ＝－1.000V ，检查“－”是否显示，并校准显示值。

（8) 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。

至此调试成功。

八．所用元器件

主要芯片

组件名称

型号

个数

A/D 转换器

MC14433 1 BCD 七段锁存/译码/驱动器

CD4511 1 达林顿反向驱动器 MC1413 1 能隙基准电源 MC1403 1 七段共阴极LED 数码管

-- 4 二极管 IN4001 4 运算放大器 LM324 2 单刀四掷开关 -- 5 可变电位器

--

4

电阻

阻值（Ω） 1 9 90 100 200 900 1K 10M 2K 3.3K 9K 个数

1

1 1 10 1 2

8

1

1 1

2 阻值

（Ω） 6.2K

10K 20K 39K 90K 100K 470K 900K 1M 9M 10M 个数

1

5

2

1

2

2

1

2

3

1

1

电容

九．设计心得和体会

这次实习是到大学来后的第一次真正的动手锻炼，虽说以前做过一些实验，但对其主要思想还是不太懂，主要是根据电路图直接搭接。

容值 0.01uF 470uF 100nF 10μF 个数

3

1

3

2

这次和以前就大不一样。第一节课是老师说做万用表，当时脑子里是一点想法都没有，大概该怎么弄呢？也没有思路，唯一知道的就是下来了查资料吧，下课后先去的图书馆，但不让借书就在里面找书看了看，大概有了些了解，后来去网吧查资料但却查不到，主要是不知道从哪个网站查，怎么查，看来这做设计的第一步查资料也要有经验啊！只有差得多了才能查得快找得多而全。找到资料后来是了解原理图，好多都与以前学的电路、模电、数电有关联，也发现了自己的好多不足，对以前的知识掌握的不是太充足，通过这次实习我知道了自己现在开的课是多么有用，以后一定要好好掌握。当然也在后来搭接电路时也出现了很大问题，以至最后没能完美结束，主要原因是没有按实验步骤来，没有把电路板和接线测试好就开始搭接电路，最后因元件问题没能做好，通过这次搭接我懂得无论做任何事情一定要先把准备工作做好，正是要车马未动粮草先行啊！通过这次实习我受益颇多，以后要抓住每次机会多多锻炼自己。

问题：Q1和Q2的关系？

Q4 Q3 Q2 Q1

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

这是一个二进制码，当Q1为2时进一位给Q2.

十、总电路图

十一．实验测得波形图

DS断和Q端的波形分别如下图所示：

图一

图二

参考文献

1、康华光、《电子技术基础》模拟部分第五版高等教育出版社

2、阎石《电子技术基础》数字部分第五版高等教育出版社

3、沙占友《新型数字电压表原理与应用》第一版机械工业出版社

4、高吉祥、易凡《电子技术基础实验与课程设计》第二版电子工业出版社

5、沙占友《新型数字多用表实用大全》电子工业出版社

6、杨刚、周群《电子系统设计与实验》电子工业出版社

7、林德杰《电气测试技术》第三版机械工业出版社