三位半数字万用表课程设计.docx
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三位半数字万用表课程设计.docx
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三位半数字万用表课程设计
一、课程设计的目的.………………………………………………2
二、设计题目和要求.………………………………………..…..…2
三、总体方案….…………………………………………………....2
四、方案比较……….……………………………………………….4
五、基本原理.……………………………………………………….4
六、单元电路设计.......................................5
6.1器件介绍..................................................5
6.2AC/DC转换电路.............................................8
6.3电压、电流信号衰减电路.....................................9
6.4电阻测量电路..............................................10
6.5电容测量..................................................11
七、组装、调试内容.....................................13
八、所用元器件.........................................14
九、设计心得和体会.....................................14
十、总电路图............................................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31/2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31/2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31/2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31/2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:
方案三:
由ICL7136构成的31/2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
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
由上表可知,
(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31/2位数字万用表。
五、基本原理
该系统可采用MC144333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、31/2A/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:
31/2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Q0~Q3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,Q0~Q3输出以BCD码形式数据,DS1选通期间Q0~Q3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| 正常时/OR输出高电平,表示被测量在量程内。 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: MC14433引脚排列图 各引脚功能如下: UDD——正电源端,一般接+5V。 UAG——输入信号的公共端,简称模拟地。 USS——输入信号Q0-Q3、DS1-DS4,ORˉ、ECO(不包括CLO)的公共地;此端接UAG时输出电压变化范围是UAG-UDD,接UEE端时是UEE-UDD。 UEE——负电源端,通常接-5V;UEE主要作为内部模拟电路的负电源,其负载电流约为0.8mA。 UI——模拟电压输入端,输入电压为UIN。 UREF——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USS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RC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 VIN18 VOUT277 GND36 N.C.45 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。 6.2AC/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,V¯=1/√2Vm。 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Au=V/V¯=2.22。 IC2为反相放大器。 验证电路: 如输入电压有效值V~=2V,Vm=√2X2V=2.828V。 IC1输出半波整流电压,其平均值V¯=1/√2Vm≈0.9V。 IC2输出直流电压: V=AuV¯≈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Vi=V0/10kΩX10MΩ=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IiX1000Ω=V0≤2V,所以Ii≤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 即 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R01=100Ω,小数点定在十位上。 当Rx=100Ω时,表头就会显示出100.0(Ω)。 当Rx变化时,显示值相应变化,可以从0.1Ω测到199.9Ω。 又如对2kΩ挡,取R02=1kΩ,小数点定在千位上。 当Rx变化时,显示值相应变化,可以从0.001kΩ测到1.999kΩ。 由上分析可知, R1=R01=100Ω R2=R02-R01=1000-100=900Ω R3=R03-R02=10k-1k=9k …… 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: tpL=R2C1ln2≈33μS C2充电时: tpH=(R1+R2)C1ln2≈3.3ms 占空比K=tpH/(tpH+tpL)=(R1+R2)/(R1+2R2)≈0.99 频率f=1/(tpH+tpL)≈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>tpL=0.033ms,IC8仍能集电极开路工作。 其波形如图所示 电容测量部分波形图 下面来计算IC8第3脚输出电压V3的平均值。 当×1挡,Cx=2000pF时,其输出电压最大。 V平均=tpo/(tpH+tpL)×V3m≈0.66×V3m,其中V3m是IC8第3脚输出电压V3幅值。 设数字表输出最大电压Vx=2V,其方波幅度 V3m=V平均/0.66=V0/0.66《=Vx/0.66=2V/0.66≈3V,其中,V3m=V0《=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 容值 0.01uF 470uF 100nF 10μF 个数 3 1 3 2 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。 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? Q4Q3Q2Q1 0001 0010 0011 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
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