数字电压表的课程设计

数字电压表设计报告
一、设计目的作用
数字电压表的基本原理，是对直流电压进行模数转换，其结果用数字直接显示出来，按其基本工作原理可分为积分式和比较式两大类。

熟悉集成电路MC14433，MC1413，CD4511和MC1403的使用方法，并掌握其工作原理。

二、设计要求
（1).设计数字电压表电路
（2).测量范围：直流电压0V-1.999V,0V-19.99V,0V-199.9V,0V-1999V; （3).画出数字电压表电路原理图，写出总结报告。

三、设计的具体实现
（一）、系统概述
数字电压表是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示的数字系统。

该系统（如图1所示）可由MC14433--3
2
1
位A/D 转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511 BCD 到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403
和共阴极LED 发光数码管组成。

本系统是321位数字电压表，32
1
位是指十进制数0000～1999，所谓3位
是指个位、十位、百位，其数字范围均为0～9。

而所谓半位是指千位数，它不能从0变化到9，而只能由0变到1，即二值状态，所以成为半位。

各部件的功能如下：
（1）32
1
A/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：将二-十进制（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（LED ）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。

图 1
工作过程如下：
32
1
数字电压表通过位选信号DS 1～DS 4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的A/D 转换结果是采用BCD 码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED 发光数码管动态扫描显示。

DS 1～DS 4输出多路调制选通脉冲信号，DS 选通脉冲为高电平，则表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q 0～Q 3端输出。

每个DS 选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。

DS 和EOC 的时序关系是在EOC 脉冲结束后，紧接着是DS 1输出正脉冲，以下依次
为DS
2、DS
3
和DS
4。

其中DS
1
对应最高位（MSD），DS
4
则对应最低位（LSD）。

在对应DS
2、DS
3
和DS
4
选通期间，Q
～Q
3
输出BCD全位数据，即以8421
码方式输出对应的数字0～9。

在DS
1选通期间，Q
～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DS
1选通期间Q
～Q
3
的输出内容如下：
Q
3表示千位数，Q
3
=“0”代表千位数的数字显示为1，Q
3
=“1”代表
千位数的数字显示为0。

Q
2表示被测电压的极性，Q
2
的电平为“1”，表示极性为正，即V
X
＞0，
Q
2的电平为“0”，表示极性为负，即V
X
＜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V
X 为负电压时，Q
2
端输出置“0”，Q
2
负号控制位使得驱动器不工作，通
过限流电阻R
M 使显示器的“-”（即g段）点亮；当输入信号V
X
为正电压时，
Q
2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻R
M
接地，使“-”
旁路而熄灭。

小数点显示是由正电源通过限流电阻R
DP
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V
X
超过量程范围时，输出过量程标志信号OR。

当Q
3=“0”且Q
=“1”时，表示V
X
处于过过量状态。

当Q
3=“1”且Q
=“1”时，表示V
X
处于欠量程状态。

当OR=“0”时，|V
X | >1999，则溢出。

|V
X
|>V
R
则OR输出低电平。

当OR =“1”时，表示|V X |<V R 。

平时OR 为高电平，表示被测量在量程内。

MC14433的OR 端与MC4511的消隐端BI 直接相连，当V X 超出量程范围时，则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。

（二）、 单元电路设计与分析
1、32
1
A/D 转换器——MC14413
在数字仪表中，MC14413电路是一个低功率3
2
1
位双积分式A/D 转换器。

MC14413电路总框图如图2所示。

由图2可知，MC14413A/D 转换器主要由模拟
部分和数字部分组成。

使用时只要外接两个电阻和两个电容就能执行32
1
位的
A/D 转换器。

图2 MC14433电路总框图
（1）模拟部分：图3为MC14413内部模拟电路的工作原理示意图。

其中共有3个运算放器A 1，A 2，A 3和10多个电子模拟开关，A 1接成电压跟随器，以提高A/D 转换器的输入阻抗，由于采A 1用CMOS 电路，因此输入阻抗可达100 M 以上。

A 2和外接的R 1、C 1构成一个积分放大器，完成T V /即电压-时间的转换。

A 3接成电压比较器，主要功能是完成“0”电平检出，由输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定输出是“1”还是“0”。

比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号。

电容C 0为自动调零失调补偿电容。

图3 模拟电路工作原理示意图
（2）数字部分：包括图2中除“模拟部分”以外的部分。

其中四位十进
制计数器为32
1
位BCD 码计数器，对反积分时间进行计数（0～1999），并送到
数据寄存器；数据寄存器为32
1
位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，锁定和存储A/D 转换器结果；多路选择开关，从高位
到低位逐位输出多路调制BCD 码Q 0～Q 3，并输出相应位的多路选择脉冲标志信号DS 1～DS 4；控制逻辑，这是A/D 转换的指挥中心，统一控制各部分电路的工作，它是根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D 转换6个阶段的开关转换和定时转换信号，以及过量程等功能标志信号，在对基准电压V R 进行积分时，令4位计数器开始计数，完成A/D 转换；时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，并利用内部电容形成振荡，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C R -多谐振荡器，一般外接电阻为360Ωk 时，振荡频率则为100kHz ，当外接电阻为470Ωk 时，振荡频率则为66kHz ，当外接电阻为750Ωk 时，振荡频率则为50kHz 。

若采用外时钟频率，则不要外接电阻，外部时钟频率信号从CLKI （10脚）端输出，时钟脉冲CP 信号可从CLKO （11脚）获得；极性检测，显示输入电压V X 的正负极性；过载指示（溢出），当输入电压V X 超出量程范围时，输出过量程范围时，输出过量程标志OR 。

MC14413A/D 转换器是双斜积分，采用电压-时间间隔（T V /）方式，通过先后对被测电压模拟量V X 和基准电压V R 的两次积分，将输入的被测电压转换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内的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。

双积分过程可以由下面的式子表示：
V O 1=-
d V C R t X t t ⎰21
111 =-T C R V X 11
1 （图1） V O 2=-
d V C R t R t t ⎰32
111 =-T C R V X
R
11 （图2） 因V O 1=V O 2，故有 V X =V T T R X 1
（图3）
式中，T 1 =4000T CP 。

T 1是定时间，T X 为变时间，由C R 11确定斜率，若
用时钟脉冲数N 来表示时间T X ，则被测电压就转换成了相应的脉冲数，实现了A/D 转换。

积分电阻电容的选择应根据实际条件而定，若时钟频率为66kHz ，C 1一般取0.1uF,R 1的选取与量程有关，量程为2V 时，取R 1=470Ωk ；量程为200mV 时，取R 1=27Ωk 。

选取R 1和C 1的计算公式如下：
R 1=
V T C V C
X ∆1(max)（图4）
式中，V C ∆为积分电容上充电电压幅度，
V C ∆=-
-
V V X DD (max)V ∆
V ∆=0.5V
4000=T ×f CLK
1
例如，假定C 1=0.1uF ，V DD =5V,f CLK =66kHz 。

当V X (max)=2V 时，代入
（图4）式可得R 1=480Ωk ，取R 1=470Ωk 。

3
2
1
A/D 转换器设计了自动调零线路，其中缓冲器和积分器采用模拟调零方式，而比较器采用数字调零方式。

在
自动调零时，把缓冲器和积分器的失调电压存放在一个失调补偿电容C 0上，而比较器的失调电压用数字形式存放在内部的寄存器中，A/D 转换系统自动扣除电容上和寄存器中的失调电压，就可得到精确的转换结果。

A/D 转换器周期约需16000个时钟脉冲数，若时钟频率为48kHz ，则每秒可转换3次，若时钟频率为86kHz ，则每秒可转换4次。

MC14413采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图4所示，各引脚端功能说明如下：
1端：V
AG
，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电
压V
X 和基准电压V
R
的参考
点地。

2端：V
R
，基准电压端，
是外接基准电压输入端，若此
端加一个大于5个时钟周期的
负脉冲（V
EE
电平），则系统
复位到转换周期的起点。

3端：V
X
，是被测电压
输入端。

4端：R
1
，外接积分点阻端。

图4 MC14433顶视图
5端：R
1 /C
1
，外接积分元件电阻和电容的接点。

6端：C
1
，外接积分电容端，积分波形由该端输出。

7和8端：C
O1和C
O2
，外接失调补偿电容端，推荐该两端外接失调补偿
电容C
O
取0.1uF。

9端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在比积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该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：CLKI，时钟信号输入端。

11端：CLKO，时钟信号输出端。

12端：V
EE
，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，该端典型约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，
而是流向V
SS
端。

13端：V
SS
，负电源端。

14端：EOC，转换周期结束标志输出端，每一A/D转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的1/2。

15端：OR，过量程标志输出端，当|V
X |＞V
R
时，OR输出低电平，正
常量程内OR为高电平。

16～19端：对应为DS
4～DS
1
，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Q
0～Q
3
输出的BCD
码代码是该对应位上的数据。

20～23端：对应为Q
0～Q
3
，分别是A/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：V
DD
，整个电路的正电源端。

2.七段锁存-译码-驱动器CD4511
CD4511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，它由四位闩锁、七段译码电路和驱动器三部分组成，如图5所示。

图5 CD4511功能图
（1）四位闩锁（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，在锁存允许端LE端（即LATCH ENABLE）控制下起闩锁电路的作用。

当LE=“1”时，闩锁器处于锁存状态，四位闩锁封锁输入，此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码；
当LE=“0”时，闩锁器处于选通状态，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。

（2）七段译码电路：将来自四位闩锁输出的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：
①LT（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。

②BI（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。

BT=“1”时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。

上述两个控制配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。

（3）驱动器：利用内部设置的NPN管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。

CD4511电源电压V
的范围为5V～15V。

它可与NMOS电路或TTL电路兼
DD
容工作。

图 6 CD4511顶视图
CD4511采用16引线双列直插式封装（见图6）。

其真值表1。

使用 CD4511时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端外接限流电阻。

3.七路达林顿驱动器阵列MC1413
MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具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电路结构和引脚如图7所示，它采用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。

图7 MC1413引脚和电路结构图
4.高精度低漂移能隙基准电源 MC1403
的温度系数为零，即输出电压与温度无关。

该电 MC1403的输出电压V
O
路的特点是：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V
＜3mV；④输出电压
O
值准确度较高，V
值在2.475～2.525V以内；⑤压差小，适用于低压电源；
O
⑥负载能力小，该电源最大输出电流为10mA，MC1403用8条引线双列直插标准封装，如图8所示。

图8 MC1403顶视图
四、总结
通过这次对数字电压表的设计学习，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了数字电压表的原理和设计理念。

但是在做数字电压表设计时，由于对数字电压表的原理和电路的不了解，在查阅资料和上网阅读才对此设计了解了一些，但是总感觉还是没有彻底懂得！思路还不是很清晰！在设计中，对芯片MC14433的掌握感觉很难，还需要继续学习。

在画局部电路图中遇到很多问题，通过老师的提示和讲解才逐渐懂得如何应用。

从这次的电子技术课程设计中，我学到很多东西，例如proteus的入门和简单应用，还有一些电路原理方面的知识，丰富了我的知识面，对我以后的电子电路学习提供了帮助。

五、附录
（1）MC14433 1片
（2）CD4511 1片
（3）MC1413 1片
（4）MC1403 1片
（5）CC4501 1片
（6）74LS194 1片
（7）LM324 1片
（8）七段显示器4片
（9）电阻、电容、导线等
六、参考文献
（1）.高吉祥·《电子技术基础实验与课程设计》·电子工业出版社·2002年2月
（2）.黄永定·《电子线路试验与课程设计》·机械工业出版社·2005年8月。