数显8通道模拟参数巡检仪的设计与制作

论文编码：TM46 首都师范大学本科学生毕业论文数显8通道模拟参数巡检仪的设计与制作作者李新光院系信息工程学院专业电子信息工程系学号 1041000178指导教师马昆宝日期 2008年5月1日中文提要在一个复杂的控制电路处于正常工作状态时，往往有多个工作点的电压需要时刻被监测，然而依靠人工地去检测每个点的电压既耗时又不方便，这时，就需要用到多通道模拟参数巡检仪来检测。

本文所设计的数显8通道模拟参数巡检仪可以自动循环检测8路0～5V的电压值，具有测量方便、精度高，抗干扰能力强、成本低等特点。

此巡检仪主要有两大部分组成：循环控制部分和电压测量部分(电压表)。

循环控制部分几乎全部采用了CMOS4000/4500系列数字集成电路芯片，包括通用时基电路、计数器、译码器、和模拟开关-数据选择器。

CMOS集成电路采用场效应管组成互补推挽结构，工作时两个串联的场效应管总是一管导通,另一管截止，静态时几乎不从电源吸取电流，因此功耗极小。

电压测量部分主要由双积分式A/D转换器构成。

其基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。

由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。

关键词：A/D转换器 CMOS集成电路循环控制AbstractWhen a complicated control circuit is working normally, there’re usually some voltages of nodes should be measured at any moment. But it is a waste of time and so troublesome to measure it artificially. So we need a Multicenter Simulation Parameter Circular Measurement now.The design of the LED Multicenter Simulation Parameter Circular Measurement in this paper can measure the voltages of eight nodes between 0 to 5 volts automatically and circularly. It has some advantages such as convenient measure, high precision, anti-jamming and cheap cost. The Measurement is making up of two parts: the Circular controller and the voltmeter.The Circular controller part mostly adopts digital IC of CMOS4000/4500 series. The IC of CMOS is a configuration of complementary push-pull making by Field Effect Transistors (FET). It is always that one FET is open while the other is closed when the IC works. It hardly assimilates current from the power when it’s in the static state, so it has little consumption of power.The voltmeter is made up of double-integrating analog to digital convertor (ADC). The basic theory of it is to integrate the input analog voltage and the reference voltage twice, and change the average of input voltage to the time slot which is directly proportional to it, then calculate the time slot by clock pulse and counter, so we can get the digital output in the end. By the reason of the average of input voltage is changed in the convertor circuit, so the convertor circuit has strong ability of anti-jamming to the power frequency, and it has been widely used in the field of digital measure.Key words: analog to digital convertor IC of CMOS control circularly第一章引言人类的经济活动已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。

各种电气、电子设备在人们的生产、生活中的应用也越来越广泛，关系也日益密切。

社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。

因此，随时对系统运行状况(如温度、湿度、压力、电压等)进行监测对保障人们的生活、生产起着至关重要的作用。

在这样的条件下，参数巡检仪应运而生。

目前市面所售的巡检仪不仅能够对各种物理量进行巡回检测，并且可以实现数据存储、误差校准、报警、通讯、打印等功能，因此价格都很昂贵。

本文所设计的产品只选用了几种应用非常广泛并且价格比较低廉的数字集成芯片，可以满足我们在日常生活中对电压等常见信号检测的需要。

本文共分为七章。

从二章开始分别介绍了该系统的设计思路和基本组成原理、系统不同部分的电路设计、工作原理、元器件选择、电路焊接以及系统PCB的制作过程，以及最终的设计成果。

第二章系统概述2.1 设计目的在某个电路处于正常工作状态下，往往有多个点的电压需要时刻被监测，但是依靠人工地去检测每个点的电压既耗时又不方便，因此，我希望设计出一台能够自动循环检测多路电压信号的仪器。

2.2 系统设计指标1）循环检测速度可调。

2） 8路输入依次接通，同时由LED数码管依次显示数字0、1、2 . . .7，来指示被接通的路数。

3）由数字电压表依次显示8路输入的电压值，位数三位半，精度1%。

4）被测信号可用简易稳压源来充当，0-5V范围内。

2.3 设计思路该系统由脉冲发生器产生低频矩形振荡波形，送入BCD计数器进行加计数。

计数器的计数输出一路送入模拟开关，经其译码后依次与8路输入信号接通，并依次输出到OUT端；另一路送入BCD驱动器，经其译码后由LED显示屏依次显示被接通的通道数。

另一方面，将模拟开关输出的模拟信号送入A/D转换器进行模数转换，最终在另一LED显示屏上显示出各路输入信号其值大小。

2.4 设计框图图2-1 设计框图第三章 循环控制部分3.1 脉冲发生器-由555定时器接成的多谐振荡器图3-1 555多谐振荡器多谐振荡器是555用得最多的电路。

上图所示为555构成的最常用的多谐振荡器。

它的工作原理是这样的：通电瞬间，由于C 上点位不能突变，2号引脚被低电平触发，这时3号引脚输出为“1”（高电平），内部的放电管截止，+V DD 经R 1、R 2向C 充电，C 上电压V C 逐渐升高；当V C 升高到2/3V DD 时，555状态翻转，这时3号引脚输出为“0”（低电平），同时内部的放电管饱和导通，C 上电荷经R 2、555的7脚释放，V C 开始下降；当V C 下降到低于1/3V DD 时，555状态再次翻转。

如此周而复始，就形成了振荡，也就是矩形振荡波。

电容C 的充电时间T 1和放电时间T 2分别为2ln 3/103/20ln 2ln )(3/23/1ln)(22221211C R V V C R T C R R V V V V C R R T CCCCCCCC CCCC =--=+=--+=故电路的振荡周期为2ln )2(2121C R R T T T +=+=输出脉冲的占空比为212112R R R R T T q ++==具体数值计算是这样的：因为巡检所得到的数值要被人们看到并且有时间做出记录，所以显示每一路输入的时间不应太短，在3s到5s最为合适，这样经过粗略计算，可初步确定R1为22K、R2为100K左右，这样R1+2R2就在在250～350K左右，则C为20u（可以用两个10u的电容并联使用），最后再串联一个200K的变阻器，通过改变变阻器的大小来调整循环速度。

将实际数值代入上述各公式，得到：T在3.188到5.963秒之间。

实际电路及波形如下图：图3-2 实际电路由于Multisim软件默认时间是按照ms计算的，所以想要看到实际输出波形几乎是不可能的，因此需要在交互式仿真设置里把终止时间加长，并且把最大时间步长设为0.05s，这样就可看到间隔在1s以上的振荡波形了，如下图：图3-3 输出波形产生的矩形波形通过3号引脚输出到之后的计数器中进行计数。

3.2 双BCD 同步加计数器计数器我采用了双BCD 同步加计数器4518，它在一个封装中含有两个可互换二/ 十进制计数器，其功能引脚分别为1 ～7 和9 ～15。

该计数器是单路系列脉冲输入1 脚或2 脚；9 脚或10脚，4 路BCD 码信号输出（3 脚～6 脚；11脚～14脚）。

此外还必须掌握它的控制功能，否则无法工作。

图3-4214518 当RESET=0、CLOCK=0时，时钟脉冲从EN 脚输入，在其下降沿的作用下计数；当RESET=0、EN=1时，时钟脉冲从CLOCK脚输入，在其上升沿的作用下计数；当RESET R=0、CLOCK =1或RESET=0、EN =0时，均禁止计数；当RESET=1，复位，Q1A Q2A Q3A Q4A=0000。

CD4518有两个时钟输入CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1 ”；若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0 ”，不仅如此，清零（复位）端RESET也应保持低电平“0 ”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。