..摘要：當(dāng)今社會(huì)是信息科技的時(shí)代,科技技術(shù)發(fā)展日新月異,科學(xué)發(fā)展的程度是各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的核心力量,尤其是電子信息技術(shù)顯得更加重要。在信息處理技術(shù),模數(shù)混合系統(tǒng)中,對(duì)模擬信號(hào)的采樣一般是使用專計(jì)電路比較復(fù)雜,用到集成芯片比較多,給設(shè)計(jì)帶來不便。為克服這些缺點(diǎn),這次設(shè)計(jì)中采用了高級(jí)集成芯片ICL7107作為對(duì)模擬信號(hào)的采樣,使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單,可靠性得到提高。本題目介紹的是三位半數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì),本次設(shè)計(jì)主要包括了對(duì)電壓表的基本構(gòu)成,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理以及通用數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)方法與調(diào)試技術(shù)的學(xué)習(xí)研究,采用集成芯片TL7107作為數(shù)字電壓表的A/D轉(zhuǎn)化及鎖存和譯碼模塊,使得電路具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、集成度及可靠性高的特點(diǎn)。TL7107采用大LED5V耗電較大,適合制作小型的三位半數(shù)字電壓表。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)0～199mV

、0～1.99V、

0～19.99V、

0～199.9V、

0～1999.9V,共五個(gè)量程電壓值的測(cè)量。做成電路板,進(jìn)行測(cè)試,可得到測(cè)試結(jié)果.一、緒論在數(shù)字和顯示技術(shù)中,為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示,需要把連續(xù)變化的模擬量變化成數(shù)字量,這宗變化就是A/D轉(zhuǎn)化。為了使模擬量變化成數(shù)字量,必須經(jīng)過取樣、量化過程。量化單位越小,整量化的誤差就越小,數(shù)字量就越接近連續(xù)量本真的值。數(shù)字式儀表是能把連續(xù)的被測(cè)量自動(dòng)地變成斷續(xù)的、用數(shù)字編碼方式的、并以十進(jìn)制數(shù)字自動(dòng)顯示測(cè)量結(jié)果的一種測(cè)量?jī)x表。它把電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的成果與精密電測(cè)量技術(shù)密切的結(jié)合在一起。成為儀器、儀表領(lǐng)域中獨(dú)立而完整的一個(gè)分支。數(shù)字電壓表簡(jiǎn)稱DVM,它是采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù),把連續(xù)的模擬量〔直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。數(shù)字電壓表則采用先進(jìn)的數(shù)顯技術(shù),使測(cè)量結(jié)果一目了然,只要儀表不發(fā)生跳讀現(xiàn)象,測(cè)量結(jié)果就是唯一的。數(shù)字電壓表具備了很多傳統(tǒng)模擬儀表所不能相比擬的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。二、三位半數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)方案2.1題目及設(shè)計(jì)目的1、題目：3

1/2位數(shù)字電壓表

2、設(shè)計(jì)目的：通過電子技術(shù)的綜合設(shè)計(jì),熟悉一般電子電路綜合設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)要求、應(yīng)完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法,同時(shí)復(fù)習(xí)、鞏固以往的模電、數(shù)電內(nèi)容。2.2

設(shè)計(jì)要求

<1>

測(cè)量范圍：直流電壓

0V

一

1.999V,0V

一

199.9mV。

<2>

組裝調(diào)試

3位半數(shù)字電壓表。

<3>

畫出數(shù)字電壓表結(jié)構(gòu)圖,寫出心得體會(huì)。2.3

方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)：主要器件由芯片MC14433和共陰極半導(dǎo)體組成。MC1443是美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的單片3位半A/D轉(zhuǎn)換器,它適合構(gòu)成帶B碼輸出的3位半LED顯示數(shù)字電壓表,是目前應(yīng)用較為普遍的一種低速A/D轉(zhuǎn)換器。MC14433的性能特點(diǎn)：〔1MC14433屬于CMOS大規(guī)模集成電路,其轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度為±0.05%。內(nèi)含時(shí)鐘振蕩器,僅需外接一只振蕩電阻。能獲得超量程〔OR、欠量程〔UR信號(hào),便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程能增加讀數(shù)保持〔HOLD功能。電壓量程分兩擋：200mV、2V,最大顯示值分別為199.9mV、1.999V。量程與基準(zhǔn)電壓呈1∶1的關(guān)系,即UM＝UREF?！?LED數(shù)管?！?有多路調(diào)制的BCD碼輸出,可直接配μP構(gòu)成智能儀表?！?工作電壓范圍是±4.5

V～±8V,典型值為±5V,功耗約8mW。仿真：主要器件由芯片TC7102共陰LED組成。由于TC7102是把模擬電路與邏輯電路集成在一塊芯片上,屬于大規(guī)模CMOS集成電路,因此本方案主要有以下特點(diǎn)：〔1采用單電源供電,可使用9V迭層電池,有助于實(shí)現(xiàn)儀表的小型化?！?芯片內(nèi)部有異或門輸出電路,能直接驅(qū)動(dòng)LED。〔3功耗低。芯片本身消耗電流僅1.8mA,功耗約16mV?！?輸入阻抗極高,對(duì)輸入信號(hào)無衰減作用?！?能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)顯示極性的功能?！?噪聲低,失調(diào)溫標(biāo)和增益溫標(biāo)均很小。具有良好的可靠性,使用壽命長(zhǎng)?！?整機(jī)組裝方便,無須外加有源器件,可以很方便地進(jìn)行功能檢查。2.4方案選擇在設(shè)計(jì)思路上我們選擇了MC14433到MC14433元器件,故我們采用在思路上選擇MC14433設(shè)計(jì),仿真環(huán)節(jié)采用TC7102,這樣既能有效地了解實(shí)驗(yàn)原理,更能仿真出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三、三位半數(shù)字電壓表的硬件電路設(shè)計(jì)3.1MC14433引腳功能說明

MC14433

采用24引線雙列直插式封裝,外引線排列,參考圖所示的引腳標(biāo)注.各主要引腳功能說明如下：<1>

端：VAGUX和基準(zhǔn)電壓VREF的參考點(diǎn)地。

<2>

端：RREF,外接基準(zhǔn)電壓輸入端。

<3>

端：UX,是被測(cè)電壓輸入端。

<4>

端：RI,外接積分電阻端。

<5>

端：RI／CI,外接積分元件電阻和電容的公共接點(diǎn)。

<6>

端,C1,外接積分電容端,積分波形由該端輸出。

<7>

和

<8>

端：C01和C02,外接失調(diào)補(bǔ)償電容端。推薦外接失調(diào)補(bǔ)償電容C0取0.1μF

<9>

端：DU即階段5開始前,在DU端輸入一正脈沖,則該周期轉(zhuǎn)換結(jié)果將被送入輸出鎖存器并經(jīng)多路開關(guān)輸出,否則輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若該端通過一電阻和EOC

短接,則每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都將被輸出。

<10>

端：CPI

<CLKI>,時(shí)鐘信號(hào)輸入端。

<11>

端：CPO

<CLKO>,時(shí)鐘信號(hào)輸出端。

<12>

端：VEE,負(fù)電源端,是整個(gè)電路的電源最負(fù)端,主要作為模擬電路部分的負(fù)電源,該端典型電流約為0.8mA流向VSS端。

<13>

端：VSS

負(fù)電源端．

<14>

端：EOC,轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端,每一A／D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束,EOC端輸出一正脈沖,其脈沖寬度為時(shí)鐘信號(hào)周期的1/2。

<15>

端：OR

,過量程標(biāo)志輸出端,當(dāng)|UX|>VREF

時(shí),OR輸出低電平,正常量程OR為高電平。<16>～<19>

端：對(duì)應(yīng)為DS4～DS1,分別是多路調(diào)制選通脈沖信號(hào)個(gè)位、十位、DS端輸出高電平時(shí),表示此刻QQ3

的BCD

代碼是該對(duì)應(yīng)位上的數(shù)據(jù)。

<20>23Q0-Q3A／D

轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)輸出BCD代碼的最低位<LSB>、次低位、次高位和最高位輸出端。

<24>

端：VDD,整個(gè)電路的正電源端。IMC14433管腳圖3.2工作過程分析三位半數(shù)字電壓表通過位選信號(hào)DS1～DS4MC14433電路的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果是采用BCD碼多路調(diào)制方法輸出,只要配上一塊譯碼器,就可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)四位數(shù)字的LED發(fā)光數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。DS1～DS4輸出多路調(diào)制選通脈沖信號(hào)。DS選通脈沖為高電平時(shí)表示對(duì)應(yīng)的數(shù)位被選通,此時(shí)該位數(shù)據(jù)在Q0～Q3端輸出。每個(gè)DS選通脈沖高電平寬度為18個(gè)時(shí)鐘脈沖周期,兩個(gè)相鄰選通脈沖之間間隔2個(gè)時(shí)鐘脈沖周期。DS和EOC的時(shí)序關(guān)系是在EOC

脈沖結(jié)束后,緊接著是DS1輸出正脈沖。以下依次為DS3和DS1對(duì)應(yīng)最高位<MSD>,DS4則對(duì)應(yīng)最低位<LSD>。在對(duì)應(yīng)DS2,DS3和DS4選通期間,Q0～Q3輸出BCD全位數(shù)據(jù),即以8421碼方式輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字09．在DS1選通期間,Q0～Q3輸出千位的半位數(shù)0或l及過量程、欠量程和極性標(biāo)志信號(hào)。

在位選信號(hào)DS1選通期間Q0～Q3的輸出內(nèi)容如下：

Q3表示千位數(shù),Q3=0代表千位數(shù)的數(shù)宇顯示為1,Q3=1代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為0。Q2表示被測(cè)電壓的極性,Q的電平為1,表示極性為正,即UX>0,Q2的電平為0,表示極性為負(fù),即UX<0。顯示數(shù)的負(fù)號(hào)負(fù)電壓>由MC1413中的一只晶體管控制,符號(hào)位的"-’陰極與千位數(shù)陰極接在一起,當(dāng)輸入信號(hào)UX為負(fù)電壓時(shí),Q2端輸出置"0

Q2

負(fù)號(hào)控制位使得驅(qū)動(dòng)器不工作,通過限流電阻RM

使顯示器的"-"<即g

段>點(diǎn)亮；當(dāng)輸入信號(hào)UX為正電壓時(shí),Q21",負(fù)號(hào)控制位使達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通,電阻RM接地,使"-示是由正電源通過限流電阻RDP供電燃亮小數(shù)點(diǎn)。若量程不同則選通對(duì)應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)。過量程是當(dāng)輸入電壓UX超過量程范圍時(shí),輸出過量程標(biāo)志信號(hào)OR---。

當(dāng)OR---

=

0

時(shí),|UX|>1999,則溢出。|UX|>UR則OR---輸出低電平。當(dāng)OR---

=

1時(shí),表示|UX|<UR

。平時(shí)OR輸出為高電平,表示被測(cè)量在量程內(nèi)。MC14433的OR---端與MC4511的消隱端BI---

UX超出量程范圍時(shí),OR---OR---

=

0

→BI---

=

0

,MC4511譯碼器輸出全0,使發(fā)光數(shù)碼管顯示數(shù)字熄滅,而負(fù)號(hào)和小數(shù)點(diǎn)依然發(fā)亮。

三位半A/D轉(zhuǎn)換器MC14433

在數(shù)字儀表中,MC14433電路是一個(gè)低功耗三位半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器其它典型的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器類似,MC14433A/D轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和控制電路組成。如果必要設(shè)計(jì)應(yīng)用者可參考相關(guān)參考書。使用MC14433時(shí)只要外接兩個(gè)電阻<分別是片內(nèi)RC

振蕩器外接電阻和積分電阻RI>和兩個(gè)電容<分別是積分電容CI和自動(dòng)調(diào)零補(bǔ)償電容C0>就能執(zhí)行三位半的A/D轉(zhuǎn)換。

MC14433內(nèi)部模擬電路實(shí)現(xiàn)了如下功能：〔1提高A/D

轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗,使輸入阻抗可達(dá)l00MΩ以上；〔2和外接的RI、CIV/T

轉(zhuǎn)換即電壓—時(shí)間的轉(zhuǎn)換；〔3構(gòu)造了電壓比較器,完成"0"電平檢出,將輸入電壓與零電壓進(jìn)行比較,根據(jù)兩者的差值決定極性輸出是"1"還是"0"。4與外接電容器C0構(gòu)成自動(dòng)調(diào)零電路。MC14433

進(jìn)行3位半BCD碼計(jì)數(shù)<0～1999>,并鎖存于三位半十進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)寄存器,在控制邏輯和實(shí)時(shí)取數(shù)信號(hào)<DU>作用下,實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的鎖定和存儲(chǔ)。借助于BCD碼Q0～Q3脈沖標(biāo)志信號(hào)DS1～DS4實(shí)現(xiàn)三位半數(shù)碼的掃描方式〔多路調(diào)制方式輸出。

MC14433內(nèi)部的控制邏輯是A/D

轉(zhuǎn)換的指揮中心,它統(tǒng)一控制各部分電路的工作。根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開關(guān),完成A/D轉(zhuǎn)換各個(gè)階段的開關(guān)VREF

進(jìn)行積分時(shí),控制邏輯令4位計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),完成A/D

轉(zhuǎn)換。MC14433容形成振蕩,產(chǎn)生節(jié)拍時(shí)鐘脈沖,使電路統(tǒng)一動(dòng)作,這是一種施密特觸發(fā)式正反饋RC

多諧振蕩器,一般外接電阻為360kΩ時(shí),振蕩頻率為100kHz；當(dāng)外接電阻為470kΩ時(shí),振蕩頻率則為66kHz,當(dāng)外接電阻為750kΩ時(shí),振蕩頻率為50kHz。若采用外時(shí)鐘頻率。則不要外接電阻,時(shí)鐘頻率信號(hào)從CPI<10腳>端輸入,時(shí)鐘脈沖CP

信號(hào)可從CPO<原文資料為CLKO><11腳>處獲得。MC14433內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)極性檢測(cè),用于顯示輸入電壓UX

的正負(fù)極性；而它的過載指示<溢出>輸入電壓Vx

超出量程范圍時(shí),輸出過量程標(biāo)志OR〔低有效。

MC14433是雙斜率雙積分A／D

轉(zhuǎn)換器,采用電壓—時(shí)間間隔<V／T>方式,通過先后對(duì)被測(cè)模擬量電壓UX和基準(zhǔn)電壓VREF

的兩次積分,將輸入的被測(cè)電壓轉(zhuǎn)成與其平均值成正比的時(shí)間間隔,用計(jì)數(shù)器測(cè)出這個(gè)時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)目,即可得到被測(cè)電壓的數(shù)字值。雙積分過程可以做如下概要理解：首先對(duì)被測(cè)電壓UX進(jìn)行固定時(shí)間斜率的積分,其中T1=4000Tcp。后再以固定電壓VREF

以及由RI,CI所定的積分常數(shù)按照固定斜率反向積分直至積分器輸出歸零,顯然對(duì)于上述一次積分過程形成的不同電壓而言,這一次的積N就是被測(cè)電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。由此實(shí)現(xiàn)了A／D轉(zhuǎn)換。七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器CD4511CD4511

是專用于將二-十進(jìn)制代碼<BCD>轉(zhuǎn)換成七段顯示信號(hào)的專用標(biāo)準(zhǔn)譯碼器,它由4位鎖存器,7段譯碼電路和驅(qū)動(dòng)器三布分組成。

<1>

四位鎖存器<LATCH>A,B,C

和D電路具有鎖存功能,在鎖存允許端〔LE

端,即LATCHENABLE控制下起鎖存數(shù)據(jù)的作用。當(dāng)LE=1時(shí),鎖存器處于鎖存狀態(tài),四位鎖存器封鎖輸入,此時(shí)它的輸出為前一次LE=0時(shí)輸入的BCD碼；當(dāng)LE=0時(shí),鎖存器處于選通狀態(tài),輸出即為輸入的代碼。

LE

端的控制作用可以將某一時(shí)刻的輸入BCD輸出不再隨輸入變化。>

七段譯碼電路：將來自四位鎖存器輸出的BCD

代碼譯成七段顯示碼輸出,MC4511中的七段譯碼器有兩個(gè)控制端：

①燈測(cè)試端。當(dāng)LT=0時(shí),七段譯碼器輸出全1,發(fā)光數(shù)碼管各段全亮顯示；當(dāng)LT=1時(shí),譯碼器輸出狀態(tài)由BI端控制。

②

BI

<BLANKING>消隱端。當(dāng)BI=0時(shí),控制譯碼器為全0輸出,發(fā)光數(shù)碼管各段熄滅。BI=1時(shí),譯碼器正常輸出,發(fā)光數(shù)碼管正常顯示。

上述兩個(gè)控制端配合使用,可使譯碼器完成顯示上的一些特殊功能。

<3>

驅(qū)動(dòng)器：利用內(nèi)部設(shè)置的NPN

管構(gòu)成的射極輸出器,加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力,使譯碼器輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA。

CD4511電源電壓VDD的范圍為5V-15V,它可與NMOS電路或TTL電路兼容工作。CD4511采用16引線雙列直插式封裝,引腳分配和真值表參見圖。3.3顯示電路從MC14433輸出的BCD碼經(jīng)過CD4511譯碼后,連接到四個(gè)七段數(shù)碼管,其中千位只連接b,c和g端,使其只顯示1和負(fù)號(hào),如圖所示。讀數(shù)保持電路

當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)能正常進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,顯示值被不斷地刷新；閉合S時(shí)DU＝0,A/D

轉(zhuǎn)換結(jié)果就長(zhǎng)期保持下來,此時(shí)A/D

處于鎖存狀態(tài)。保持時(shí)間即開關(guān)閉合時(shí)間,如圖所示。

電壓跟隨器和AC-DC轉(zhuǎn)換電路電壓跟隨器的作用是保護(hù)電路,使后級(jí)電路不承受超出安全值的電壓。經(jīng)過電壓跟隨器后半波整流后的平均值與有效值之間的關(guān)系如下圖所示,下圖中的IC1進(jìn)行半波整流,IC2是平均值-有效值變換電路,其作用是將經(jīng)半波整流后得到的輸出電壓加以平滑和放大,將V放大到有效值,放大倍數(shù)A=V/V,=2.22,如圖所示。3.4TC7107的介紹3.4.1TC7107的概述位直接顯示驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器允許升級(jí)基TC7107的現(xiàn)有系統(tǒng)。每個(gè)器件都有最大溫度系數(shù)為20ppm/°C的精密參考電壓。這表示在類似3-1/2位轉(zhuǎn)換器上有4至7倍的提高。無需更改外部無源組件值就可以升級(jí)基于TC7106和TC7107的現(xiàn)有系統(tǒng)。TC7107A使用每段8

mA的電流直接驅(qū)動(dòng)共陽極發(fā)光二極管〔Light

Emitting

Diode,LED顯示屏。低成本、高分辨率的指示電表只需要1個(gè)顯示屏、4個(gè)電阻和4TC7102的低功耗和9V電池操作的特性使其非常適合于便攜式應(yīng)用可降低線性誤差,使其小于1個(gè)計(jì)數(shù)。翻轉(zhuǎn)誤差——等幅值與極性相反的漏電流輸入信號(hào)讀數(shù)之間的差值小于個(gè)計(jì)數(shù)。高阻抗差分輸入可提供1p的漏電流和1012?的輸入阻抗。差分參考輸入允許進(jìn)行電阻比例測(cè)量或橋式傳感器測(cè)量。15μV的噪聲性能確保讀數(shù)非常穩(wěn)定。自動(dòng)調(diào)零周期確保了輸入電壓為零時(shí)顯示屏讀數(shù)也為零。3.4.2特性：

低溫漂的內(nèi)部參考電壓：-TC7106/TC7107：80ppm/°C〔典型值-TC7106A/TC7107A：ppm/°C〔典型值直接驅(qū)動(dòng)LCD〔TC7106或D〔C7107顯示屏輸入為零時(shí)讀數(shù)為零噪聲低,顯示穩(wěn)定自動(dòng)調(diào)零周期免除了調(diào)零需要用于精密零檢測(cè)應(yīng)用的真正極性指示方便的

高阻抗CMOS差分輸入：1012??

差分參考輸入簡(jiǎn)化比例測(cè)量

低功耗運(yùn)行：10Mw3.4.3應(yīng)用：

溫度測(cè)量

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