三位半数字电压表设计方案

摘要：

当今社会是信息科技的时代，科技技术发展日新月异，科学发展的程度是各国竞争的核心力量，尤其是电子信息技术显得更加重要。在信息处理技术，模数混合系统中，对模拟信号的采样一般是使用专计电路比较复杂，用到集成芯片比较多，给设计带来不便。为克服这些缺点，这次设计中采用了高级集成芯片ICL7107

作为对模拟信号的采样，使设计更简单，可靠性得到提高。

本题目介绍的是三位半数字电压表的设计，本次设计主要包括了对电压表的基本构成，双积分型A/D转换器的工作原理以及通用数字电压表的设计法与调试技术的学习研究，采用集成芯片TL7107作为数字电压表的A/D转化及锁存和译码模块，使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。TL7107采用大

电流反向输出，静态驱动共阴极LED数码管，由±5V双电源供电，显示亮度高但耗电较大，适合制作小型的三位半数字电压表。该系统设计能够实现0?199mV、

0?1.99V、0?19.99V、0?.9V、0?1999.9V，共五个量程电压值的测量。做成电路板，进行测试，可得到测试结果?

'、绪论

在数字和显示技术中，为了实现数字显示，需要把连续变化的模拟量

变化成数字量，这宗变化就是A/D转化。为了使模拟量变化成数字量，必须经过取样、量化过程。量化单位越小，整量化的误差就越小，数字量就越接近连续量本真的值。数字式仪表是能把连续的被测量自动地变成断续的、用数

字编码式的、并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。它把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起。成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支。数字电压表简称DVM，它是采用

数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，

只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。数字电压表具备了很多传统模拟仪表所不能相比拟的优势特点。

、三位半数字电压表的设计案

2.1 题目及设计目的

1、题目：3 1/2 位数字电压表

2、设计目的：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、应完成的工作容和具体的设计法，同时复习、巩固以往的模电、数电容。

2.2设计要求⑴测量围：直流电压0V —1.999V, 0V 一.9mV。 (2)组装调试

3 位半数字电压表。(3) 画出数字电压表结构图，写出心得体会。

2.3 案设计

设计：主要器件由芯片MC14433 和共阴极半导体组成。MC1443 是美国摩托罗拉公司生产的单片 3 位半A/D 转换器，它适合构成带 B 码输出的 3 位半LED 显示数字电压表，是目前应用较为普遍的一种低速A/D 转换器。MC14433 的性能特点：( 1)MC1 4433 属于CMOS 大规模集成电路，其转

换准确度为±0.05% 。含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。能获得超量程(OR)、欠量程(UR)信号，便于实现自动转换量程能增加读数保持(HOLD ) 功能。电压量程分两挡：200mV、2V，最大显示值分别为199.9mV、1.999V。量程与基准电压呈1 : 1的关系，即UM二UREF。(2)需配外部的段、位驱动器, 采用动态扫描显示式，通常选用共阴极_ED数管。 (3)有多路调制的BCD码输出，可直接配pP构成智能仪表。(4)工作电压围是土 4.5 V?土8V，典型值为土5V，功耗约8mW。

仿真：主要器件由芯片TC7102共阴LED组成。由于TC7102是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上，属于大规模CMOS 集成电路，因此本案主要有以下特点：(1)采用单电源供电，可使用9V迭层电池，有助于实现

仪表的小型化。 (2)芯片部有异或门输出电路，能直接驱动LED。( 3)

功耗低。芯片本身消耗电流仅 1.8mA，功耗约16mV。(4 )输入阻抗极高，

对输入信号无衰减作用。 (5)能通过部的模拟开关实现自动调零和自动显

示极性的功能。 (6)噪声低，失调温标和增益温标均很小。具有良好的可靠性，使用寿命长。 ( 7)整机组装便，无须外加有源器件，可以很便地进行功能检查。

2.4 案选择

在设计思路上我们选择了MC14433 ，但由于在各个仿真软件中，我们无法找

到MC14433 元器件，故我们采用在思路上选择MC14433 设计，仿真环节采用TC7102 ，这样既能有效地了解实验原理，更能仿真出实验结果。

三、三位半数字电压表的硬件电路设计

3.1 MC14433 引脚功能说明

MC14433 采用24 引线双列直插式封装，外引线排列，参考图所示的引

脚标注?各主要引脚功能说明如下：(1)端：VAG,模拟地，是高阻输入端,作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。⑵ 端：RREF,外接基准电压输入端。(3) 端: UX，是被测电压输入端。⑷端: RI，外接积分电阻端。(5) 端: RI/CI,外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6)端，C1,外接积分电容端，积分波形由该端输出。(7)和(8)端：C01和C02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容

C0取0.1卩F (9)端：DU ,实时输出控制端,主要控制转换结果的输出，若在双积分放电期即阶段 5 开始前，在DU 端输入一正脉冲，则该期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和EOC短接，则每次转换的结果都将被输

出。(10)端：CPI(CLKI)，时钟信号输入端。(11)端：CPO(CLKO)，时钟信号输出端。(12)端：VEE,负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。(13)端：VSS负电源端.(14)端：EOC，转换期结束标志输出端，每一

A/D转换期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号期的1/2。(15) 端: OR，过量程标志输出端，当|UX|>VREF时，OR输出低电平，正常量程OR为高

电平。(16)?(19)端：对应为DS4?DS1,

分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高

电平时，表示此刻QQ3的BCD代码是该对应位上的数据。（20）23Q0-Q3A / D 转换结果数据输出BCD代码的最低位（LSB）、次低位、次高位和最高位输出端。（24）端：VDD，整个电路的正电源端。

5卜二；卜卜卜二14

M團戸目豈D邑器旨目弐国

IM

C14433管脚图

3.2工作过程分析

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码多路调制法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。

DS1?DS4输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0?Q3端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为18 个时钟脉冲期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲期。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DS3和DS1 对应最高位（MSD），DS4则对应最低位（LSD）。在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0?

Q3输出BCD全位数据，即以8421码式输出对应的数字09 .在DS1

选通期间，Q0?Q3输出千位的半位数0或I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的输出容如下：Q3

表示千位数，Q3=0代表千位数的数宇显示为1, Q3=1代表千位数的数字显示为0。Q2表示被测电压的极性，Q的电平为1,表示极性为正，即UX>0，Q2 的电平为0，表示极性为负，即UX<0。显示数的负号负电压）由MC1413中的一只晶体管控制，符号位的“-'阴极与千位数阴极接在一起，当输入信号UX

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“-”（即g段）点亮；当输入信号UX为正电压时，Q2端输出置“T,负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“-”旁路而熄灭。小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点。若量程不同则选通对应的小数点。过量程是当输入电压UX超过量程围时，输出过量程标志信号OR--- o

103 =0 — ~

当严III我承Uk处于过琏程状态。

鸟=[

二]

f 时衷示5处F欠豐程状态.

2= 1

当OR---= 0时，|UX|>1999 ，则溢出。|UX|>UR 贝U OR---输出低电平。当OR--- = 1时，表示|UX|

MC14433的OR---端与MC4511的消隐端BI---直接相连，当UX超出量程围时，

OR---输出低电平，即OR---= 0 —BI--- = 0，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。 3.3.1 三位半A/D 转换器MC14433 在

数字仪表中，MC14433 电路是一个低功耗三位半双积分式A/D 转换器和其它典型的双积分A/D 转换器类似，MC14433A/D 转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用MC14433时只要外接两个电阻（分别是片RC振荡器外接电阻和积分电阻RI）和两个电容（分别是积分电容CI 和自动调零补偿电容C0）就能执行三位半的A/D转换。MC14433 部模拟电路实现了如下功能：（1）提高A/D 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达IOOM Q以上；（2）和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成V/T 转换即电压—时间的转换；（3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是

“ 0 ”比较器的输出用作部数字控制电路的一个判别信号；（4）与外接电容器CO构成自动调零电路。MC14433部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数（0?1999）,并锁存于三位半十进制代码数据寄存器，在控制逻辑

和实时取数信号（DU）作用下，实现A/D转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0?Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1?DS4实现三位半数码的扫描式（多路调制式）输出。MC14433部的控制逻辑是A/D 转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D 转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压REF进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成A/D 转换。MC14433 部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井利用部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC多谐振荡器，一般外接电阻为360k Q时，振荡频率为100kHz ;当外接电阻为470k Q时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750k Q时，振荡频率为50kHz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI（10脚）端输入，时钟脉冲CP信号可从CPO（原文资料为CLKO）（11 脚）处获得。MC14433 部可实现极性检测，用于显示输入电压UX 的正负极性; 而它的过载指示（溢出）输入电压Vx超出量程围时，输出过量程标志OR （低有效）。MC14433是双斜率双积分A/D转换

器，采用电压一时间间隔（V/T）式, 通过先后对被测模拟量电压UX 和基准电压VREF 的两次积分，将输入的被测电压转成与其平均值成正比的时间间隔，用计数

器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解：首先对被测电压UX 进行固定时间斜率的积分，其中

T1=4000Tcp 。显然，不同的输入电压积分的结果不司（不妨理解为输出曲线勺高度不同）。然后再以固定电压VREF以及由RI,CI所定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，贝U该数N 就是被测电压对应的数字量。由此实现了A/D 转换。

3.2.1 七段锁存-译码-驱动器

CD4511CD4511是专用于将二-十进制代码（BCD）转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由 4 位锁存器，7 段译码电路和驱动器三布分组成。（1）四位锁存器（LATCH）:它的功能是将输入的A，B，C和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允端（LE端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。当LE=1 时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0

时输入的BCD 码;当LE=0 时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代

码。由此可见,利用LE端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511 中的七段译码器有两个控制端：① LT(LAMPTEST) 灯测试端。当LT=0 时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT=1 时，译码器输出状态由BI端控制。②Bl (BLANKING)消隐端。当BI=0时，控制译码器为全0 输出，发光数码管各段熄灭。BI=1 时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。