简易数字电压表课程设计报告

《电子技术》课程设计报告

题目简易数字电压表

学院（部）电子与控制工程学院

专业自动化轨道交通

班级五班

学生姓名陈勇

学号 0530

6月 5 日至 6月 9日 共 1 周

指导教师（签字）

摘要

本文介绍了一种简易的数字式显示电压表的设计思路及硬件结构。 该测量仪的基本工作原理是：

1.通过开关选择被测信号是直流还是交流信号。若是交流，将其转换为有效值的直流信号，输入下一级电路。

2.把前一级转换的电压量通过LM224转化成成比例的方波信号（本次设计的转换参数设定为i U f 100 ）

3.对这个脉冲在1s 内进行计数,

4.锁存计数值

5.通过数码显示译码器驱动数码管进行显示。

通过计算与分析把各电路连接起来，最终实现对电压（0V —）的简易测量与数字显示 。 该电路涉及模拟电子技术基础，数字电子技术基础以及相关专业知识，具有良好的测量结果，并且能够测量交流信号。

本方案采用MULTISIM 进行模拟仿真，实际结果以仿真结果为准。（注：受限于软件，仿真结果所需时间较长，请耐心等待）

在本次课程设计过程中由于时间紧，任务重，和水平的限制，如有不足之处，敬请指正！

（注：参加本设计小组的搭档同学: 李栋、吴雄淳）

课题名称：简易数字电压表

关键词：

电压表、555定时器、LM224、电压比较器、交直流转换、数码显示

技术要求：

1、利用压-频转换原理实现对一个正电压的测量，测量值用数码管直接显示。

2、被测电压为正值，测量电压范围为0～。

3、对输入的0～正电压用三位数码管显示～。

4、数码管每4秒刷新一次，读数停顿3秒。

目录

摘要 (2)

第一章：方案论证与选择 (3)

设计目的 (3)

设计内容及要求 (3)

方案论证与可行性分析 (3)

采用555定时器的V/F转换电路 (4)

采用LM224的V/F转换电路 (5)

. 可行性分析 (6)

第二章：原理框图 (7)

第三章：单元电路设计 (8)

交、直流转换电路 (8)

压频转换电路 (8)

信号电路 (9)

计数电路 (9)

锁存电路 (10)

译码显示电路 (10)

逻-辑控制电路 (11)

报警电路 (12)

重要原件说明 (13)

第四章：系统综述 (13)

简易数字电压表的总体设计及系统综述 (13)

性能测试 (13)

原件参数指标 (14)

整体电路测试 (14)

第五章：总结 (15)

设计总结及存在的问题 (15)

心得体会 (15)

附录1 总电路图 (17)

附录2元器件明细表 (18)

附录3 重要元器件声明--------555构成的多谐振荡器 (19)

1. 555定时器简介： (19)

2. 用555构成多谐振荡器 (19)

参考文献 (20)

第一章：方案论证与选择

设计目的

（1）掌握简易数字电压表的设计、组装与调试方法；

（2）熟悉相应的中大规模集成电路的设计方法，并掌握其工作原理； （3）进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用；

（4）学习数字电路仿真、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧；

设计内容及要求

1． 利用压-频转换原理实现对一个正电压的测量，测量值用数码管直接显示； 2． 被测电压为正值，测量电压范围为0～； 3． 对输入的0～正电压用三位数码管显示～； 4． 数码管每4秒刷新一次，读数停顿3s ；

方案论证与可行性分析

在设计之初我们查阅了大量的资料，进行了全面的考察，结合我们所学的知识进以下的方案论证及可行性分析：

主要利用压频转换实现对电压的测量。i u 的电压幅值经过压频转换电路对应于输出信号的频率，线性对应关系i U f 100 ，对输出信号在1秒内的电平进行计数，通过译码锁存再输出，就能显示电压的幅值。

下面将简述核心电路，压频转换的设计思路：

采用555定时器的V/F转换电路

555定时器简介：

555定时器是一款将模拟功能与数字功能巧妙结合在同一硅片的中规模集成电路。在其外围配以少量阻容元件就可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等电路，在脉冲产生和变换等技术领域有着广泛的应用， V/F转换电路就是555单稳态触发器的进一步应用。电路结构简单，可靠性好，精度高，且成本低。

555定时器的V/F转换电路：

图1-3-1是由555芯片组成的输出脉冲为0-10KHz的V/F转换电路原理。

它是一种高精度电荷平衡式V/F转换电路，线性精度优于%，输入电压为0-10V，输出频率为0-10KHz。前级运放741构成电荷积分器，555芯片构成单稳态电路。

图1-3-1 555定时器的V/F转换电路图

采用LM224的V/F转换电路

LM224简介：

LM224是工业级器件，工作温度范围是-25℃~+85℃。LMX24中文系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压,LM224电路图参考图1-3-2

图1-3-2（a ）LM224内部电路组成

LM224的V/F 转换电路：

电路组成如图a 所示：积分器和滞回比较器，S 为电子开关，受输出电压O U 的控制。 分析：

设0

闭合，当o u =OL u 时，S 断开。

当o u =OL u 时，S 断开，积分器对输入电流1I 积分，且R

U I I

=

1，1O U 随时间逐渐上升；当增大到一定数值时，从OL u 跃变为OH u ，使S 闭合，积分器对恒流源电流I 与1I 的差值积分，且I 与1I 的差值近似为I ，uO1随时间下降

因为

，所以1O U 下降速度远大于其上升速度；当1O U 减小到一定数值时，o u 从

OH u 跃变为OL u 回到初态，电路重复上述过程，产生自激振荡，波形如图(b)所示。

U数值愈大，T1愈小，振荡频率f愈高，因此实现由于T1>>T2，振荡周期T≈T1。

I

了电压-频率转换，或者说实现了压控振荡。

. 可行性分析

以上2种方案对转换10V内的电压信号都是可以实现的，方案1的555定时器在设计过程中电路连接虽然简单，但是其线性度不高，存在较大的误差；

而LM224作为工业级元件是一个简单的、廉价的电压/频率变换电路，非常适合用作模/数转换，有极高的转换精度，且十分适用于低电压，低功耗的数字电路，十分适合用作光电隔离，有良好的共模抑制能力；并且V/F型A/D转换器多采用电压反馈形式，它除有较好的抗干扰能力外，还引入电位差计的方法，提高了准确度和输入阻抗，因而常被采用。综合考虑，我们采用方案二，用LM224进行压频转换。

第二章：原理框图

直流

第三章：单元电路设计

交、直流转换电路

如图3-1.该电路能够实现对小信号进行绝对值运算。

当输入电压I U >0时，二极管D4导通， D3截止，当I U <0时，二极管D4截止，D3导通,,输出形成全波整流。全波整流后需要进行滤波以减小纹波电压，开关在上是交流档，在下是直流档。

图3-1 交、直流转换电路

压频转换电路

图2-3-2是LM224组成的V/F变换器。首先电压信号通过由LM224组成的锯齿波发生电路，在经过反向滞回比较电路得到了方波，实现了压频转换。

图3-2 压频转换电路

信号电路

在VF转换电路后，输出波形为方波，但是，方波的信号幅度并不稳定，不符合TTL 信号的要求，因此，我们在VF电路后运用图3-3 的电压过零比较器使电压稳定输出为5v，符合TTL信号电压的要求，提高电压的稳定性。

电路的运放采用COMPARTTOR，其本质是一个电压比较器。

工作原理详见《模拟电子技术基础》P229.

的方波信号。将其接入计数电路的INA端作为脉冲信

信号经过该电路后，转换为v5+

-

号。

图3-3 过零电压比较器

计数电路

将由过零电压比较器输出的脉冲信号与555定时器产生的1s 高电平经过两输入与非门后同步输入到74LS90计数器的CLK 端进行计数。74LS90为中规模TTL 集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，它由一个二进制计数器和一个五进制计数器构成

按照级联法，采用三片74LS90构成最大计数为999的计数器，将INB 与QA 相连，构成十进制计数器，最高位与下一级的CLK 端，即INA 相连，使得进位信号作为下一级的时钟信号，R91,R92均接‘0’，R01,R02接入逻辑控制电路，使得计数器实现清零功能。

图3-4-1 74LS90构成

的计数电路

锁存电路

锁存电路主要由两片74LS273构成。

74LS273是8位数据/地址锁存器，是一种带清除功能的8D 触发器

(1).1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位;

(2).当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11

脚有一个上

图3-4-1 74LS90管脚图

图3-4-1 74LS90功能表

升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上.

74ls273管脚功能：

1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。

译码显示电路

译码显示电路由四个共阴极数码管（一个是多余的，预备电路改进预留的数码管），四片74LS48D译码器，20k的电阻组成。下面介绍74ls48的主要功能（详见功能表）。

需要注意的是，实际电路中，数码管与译码器之前需要接200欧姆左右的限流电阻，但在这里，为了画图方便，我们采用了公共端串接电阻

。

图3-5-1 74LS273功能表及管脚图图3-5-2 74LS273锁存电路图

图 74ls48管脚图

图 74ls48功能表

逻-辑控制电路

由555定时器组成多谐振荡器，选取适当的电阻值和电容值，产生脉冲。周期为秒，其中高电平时间为1秒。低电平时间为秒。将输入的脉冲信号与定时器产生的信号同时输入两输入与非门，即当为1秒高电平时，电路有信号输入，可以计数，计数时间为1秒。当电路为低电平时，计数停止。

同时将该电路产生的信号经接入电路的锁存电路部分，当555定时器产生下降沿时，锁存器输出锁存值到译码显示电路。

实现数码管每4秒刷新一次，读数停顿3秒的功能。

用555多谐振荡器产生一个周期为4s ，上升沿为3s 的矩形波。选取R22=Ω，R23=Ω,C=10μF 。

由公式可得1T =(22R +23R )5C (上升沿)=3s, 2T =23R 5C （下降沿）=1s ，T=1T +2T =(22R +223R )5C =4s 。

同时信号接入译码器使能端，实现数码管每4秒刷新一次，读数停顿3秒的功能。 定时器（计数控制）输出波形如下图：

定时器（数码管亮灭控制）输出波形如下图：

报警电路

数码管最大 显示值为，超出此范围，译码器最高位为1，LED 点亮，电路报警，此时应尽快切断电源，防止电路损坏。

重要原件说明

555定时器：

逻辑控制电路

如图为555定时器电路结构简化的原理图和引脚标识。由电路原理图可见，该集成电路由下述几个部分组成：①串联电阻分压电路；②电压比较器电路；③基本RS 触发器电路；④放电三极管电路及缓冲器电路。编号555的内涵是因为该电路的基准电压是由三个5千偶的电阻组成。定时器的主要功能取决于比较器。表为其功能表。

表 555定时器功能表

第四章：系统综述

简易数字电压表的总体设计及系统综述

该电路首先对对输入信号进行交直流转化，保证输入的信号都以直流的形式输入到压频转换电路。在压频转换电路部分，采用LM224将输入信号的幅值转化为输出信号的频率，从而得到频率的脉冲，由计数器对1秒钟内得到的脉冲数量进行计数及由555多谐振荡器组成的电路控制数码管4秒刷新，3秒显示，再译码显示输出。

性能测试

表1 直流电压测试数据表

实际值/V

测量值/V

误差/V 1

Rd

T 状态

0 X X 0 导通 1

>

>

0 导通 1

< >

不变 不变

1

<

<

1

截止

表 555定时器功能表

图 555定时器电路图

由以上测试结果可以看出，当电压太大时相对误差比较大，当电压较小时将会测得相对准确的值。

误差分析：由于定时器并非准确的1秒高电平，实际比1秒要多，因此，测量时测得的误差，同时，LM224的输出越大，后级电路将等效负载，拉低频率。

表2 交流正弦电压测试数据表

由以上测试结果可以看出，频率的变化对交流正弦电压的测量影响不是很大，影响测量精度的因素仍然和被测电压值的大小有关。

原件参数指标

相关指标及参数详见电路总图和元件说明表。