数字电压表

目录
引言 (1)
1 设计目的和要求 (3)
1.1 设计目的 (3)
1.2 设计内容及要求 (3)
2 数字电压表的基本原理 (3)
2.1 数字电压表组成电路 (3)
2.2 系统功能 (4)
3 元器件的介绍 (5)
3.1
1
3
2
A/D转换器MC14433的介绍 (5)
3.2MC14433引脚功能说明 (8)
3.3 七段锁存—译码—驱动器CD4511的介绍 (10)
3.4 七路达林顿驱动器阵列MC1413的介绍 (12)
3.5 高精度低漂移能隙基准电源MC1403的介绍 (12)
4 课程设计调试的要点 (12)
4.1 电路调试 (12)
4.2 功能调试 (13)
5 课程设计器材和供参考选择的元器件 (13)
6 课程设计报告结论 (14)
6.1 按设计内容要求整理实验数据及调试中的波形 (14)
6.2 画出设计内容中的电路图、接线图 (15)
6.3 总结设计数字电压表的体会 (15)
参考文献 (16)
引言
传统的模拟式（即指针式）电压表已有100多年的发展史，虽然不断改进与完善，仍无法满足现代电子测量的需要，数字电压表自1952年问世以来，显示强大的生命力，现已成为在电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。

数字电压表简称DVM（Digital Voltmeter），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。

智能化数字电压表则是最大规模集成电路（LSI）、数显技术、计算机技术、自动测试技术（ATE）的结晶。

一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器、控制逻辑电路、计数器（或寄存器）、显示器，以及电源电路等级部分组成，如下图1-1所示：
图1-1 直流数字电压表的基本方框图
其中A/D转换器是数字电压表的核心，
x
u表示其输入。

它的数字输出可由打印机记录，也可以送入计算机进行数据处理。

数字电压表与指针式电压表相比具有以下特点：
（1）显示清晰、直观、读数准确
传统的模拟式电压表必须借助指针和刻度盘进行读数。

在读书过程中不可避免地会引入人为的测量误差（例如视差），并且还容易造成视觉疲劳，数字电压表则采用了先进的数显技术，使显示结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的，不仅保证了读书的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读书和记录的时间。

（2）显示位数多
位数是表征数字电压表性能的一个最基本的参量。

数字电压表显示位数通常
为
1
2
2
位~
1
8
2
位。

具体讲，有
1
2
2
位、3位、
1
3
2
位、
2
3
3
位、
3
3
4
位、4位、
1
4
2
位、
5位、1
5 2位、6位、
1
6
2
位、
1
7
2
位、
1
8
2
位共14种。

国外最近还推出
3
8
4
位和
1
10
2
位数字仪表。

（3）准确度高
数字电压表的准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。

它便是测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小，一般讲准确度愈高，测量误差愈小，反之亦然。

数字电压表的准确度远优于模拟式电压表，后者的准确度只有7个等级：0.1、
0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。

而普通的
1
3
2
位数字电压表的准确度就可已达到0.1%
±。

（4）分辨率高
分辨率是数字电压表能够显示的被测电压的最小变化值，也就是使显示器末
位跳一个字所需的输入电压值，通常用百分数表示。

1
3
2
位DVM的分辨率为
1
0.05%
1999
≈，这是符合要求的准确度。

（5）测量范围宽
多量程数字电压比通常可测0~1000V的直流电压，配上高压探头还可以测量几千伏乃至上万伏的高压。

（6）扩展能力强
在数字电压表的基础上，还可以扩展成各种专用及通用数字仪表、数字多用表。

（7）测量速度快
数字电压表在每秒内对被测量电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。

它主要取决于A/D转换器的转换速率。

1
3
2
位DVM的测量速度一般在10次/S以
下。

目前，数字电压表的最高测量速率已达到10万次/S。

（8）输入阻抗高
数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10MΩ~10000MΩ，最高可到4
10MΩ。

这样在测量时从北测量点路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，由此可减小由信号源内阻带来的附加误差。

（9）集成度高，微功耗
新型的数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。

（10）抗干扰能力强
数字电压表的内部干扰有漂移及噪声，外部干扰有串模干扰及共模干扰。

经过数字滤波和浮地保护等技术，数字电压表具有很高的抗干扰能力。

1. 设计目的和要求
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以分为积分式和比较式两大类。

1.1 设计目的
（1）掌握数字电压表的设计、组装与调试方法。

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

1.2 设计内容及要求
（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）组装调试132
位数字电压表。

（4）画出数字电压表电路原理图，写出总结报告。

（5） 选作内容：自动切换量程。

2. 数字电压表的基本原理
2.1 数字电压表组成电路
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学系
统。

该系统（如图1-2所示）可由MC14433—132
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。

图1-2 132
位数字电压表图
2.2 系统功能 本系统是132位数字电压表，132
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，所以称为半位。

各部分的功能如下：
（1）132
A/D 转换器：将输入的模拟量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：驱动显示的a ，b ，c ，d ，e ，f ，g 七个发光段，推动发光数
码器（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。

工作过程如下：
132
数字电压表通过位选信号1DS ~4DS 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，就可以将转换的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。

1DS ~4DS 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0Q ~3Q 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1DS 输出正脉冲，以下依次为2DS ，3DS 和4DS 。

其中1DS 对应最高位（MSD ），4DS 则对应最高位（LSD ）。

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

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

2Q 表示被测电压的极性，2Q 的电平为“1”，表示极性为正，即0X V >，2Q 的电平为“0”表示极性为负，即0X V <。

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X V 为负电压时，2Q 端输出置“0”，2Q 负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻M R 使显示器的“—”（即g 段）点亮；当输入信号X V 为正电压时,2
Q
端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻M R 接地，使“—”旁路
而熄灭。

小数点显示的是由正电源通过限流电阻DP R 供点燃亮小数点。

若量程不同则
选通对应的小数点。

过量程是当输入电压X V 超过量程范围时，输出过量程标志信号OR 。

当30"0""1"
Q Q =⎧⎨=⎩时，表示X V 处于过量程状态。

当30
"1""1"Q Q =⎧⎨=⎩时，表示X V 处于欠量程状态。

当OR =0时，1999X V >，则溢出。

X R V V >，则OR 输出低电平。

当OR =1时，表示X R V V <。

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X V 超出量程范围时，则OR 输出低电平，即OR =0→BI =0，MC4511译码器输出全为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. 元器件的介绍 3.1 132A/D 转换器—MC14433的介绍
在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗132
双积分式A/D 转换器。

MC14433电路总框图如图1-3所示。

由图1-2可知，MC1433A/D 转化器主要由模拟部分和数字部分组成。

使用时主要外接两个电阻和两个电容就能执行132
位的A/D 转换器。

（1） 模拟部分：图1-4为MC14433内部模拟电路的工作原理示意图。

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

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

3A 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。

电容器0C 为自动调零失调补偿电容。

图1-3 MC14433电路总框图
图1-4 模拟电路工作原理示意图
（2） 数字部分：包括图1-3中除“模拟部分”以外的部分。

其中四位十进 制计数器为132
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132
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 转换结果；多路选择开关，从高位到低位逐位输出多路调制BCD 码0Q ~3Q ，并输出相应位的多路宣统脉冲标志信号1DS ~4DS ；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R V 进行积分时，
令4位计数器开始计数，完成A/D 转换，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈R-C 多谢振荡器，一般外接电阻为360k Ω时，振荡频率则为100kHz ，当外接电阻为470k Ω时，振荡频率则为66kHz ，当外接电阻为750k Ω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）端输入，时钟脉冲CP 信号可从CLKO （○11）获得；极性检测，显示输入电压X V 的正负极性；过载指示（溢出），当输入电压X V 超出量程范围时，输出过量程标志OR 。

MC14433A/D 转换器是双斜积分，采用电压-时间间隔（V/T ）方式，通过先后对被测电压模拟量X V 和基准电压R V 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：
210111111
1t X X t V V V d t T R C R C =-=-⎰ （1） 32021111
1t R R X t V V V dt T R C R C =-=-⎰ （2） 因0102V V =，故有：
1X X R T V V T =
（3） 式中，14000CP T T =。

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

那么如何选择积分回路元件1R 、1C 的参数值呢？
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 ，1C 一般取0.1F μ ，1R 的选取与量程有关，量程为2V 时，取1R ＝470k Ω；量程为200mV 时，取1R ＝27k Ω。

选取1R 和1C 的计算公式如下：
(m a x )
11X C V T R C V =∆ （4）
式中，C V ∆ 为积分电容上充电电压幅度，
C V ∆＝D
D V －(max)X V －V ∆
0.5V V ∆=
4000=T ×1
CLK f
例如，假定1C =0.1F μ，5DD V V =，CLK f =66kHz 。

当()
m a x 2X V V =时，代入式（4），可得1480R K =Ω，取1470R k =Ω。

132
A/D 转换器设计了自动调零线路，其中缓冲期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，把缓冲期和积分器的失调电压存放在一个失调补偿电容0C 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，就可得到精确地转换结果。

A/D 转换器周期约需16000个时钟脉冲，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。

3.2 MC14433引脚功能说明
MC14433采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图1-5所示，各引脚功能说明如下：
图1-5 MC14433引脚图
○1端：AG V ，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压X V 和基准电压R V 的
接入地。

○2端：R V ，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（EE V 电平），则系统复位到转换周期的起点。

○3端：X V ，是被测电压输入端。

○4端：1R ，外接积分电阻端。

○5端：11R C ，外接积分元件电阻和电容的接点。

○6端：1C ，外接积分电容端，积分波形由该端输出。

○7端和○8端：01C 和02C ，外接失调补偿电容端。

推荐该两端外接失调补偿电
容0C 取0.1F μ。

○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
周期即阶段5开始前，在DU 端输入一正脉冲，则该周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：CLKI ，时钟信号输入端。

○
11端：CLKO ，时钟信号输出端。

○
12端：EE V ，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SS V 端。

○
13端：SS V ，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X R V V >时，OR 输出低电平，正常量程内OR 为高电平。

○16端～○19端：对应为4DS ~1DS ，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SD 端输出高电平时，表示此刻0Q ~3Q 输出的BCD 代码是该对应位上的数据。

○20端～○23端：对应为0Q ~3Q ，分别是A/D 转换结果数据输出BCD 代码的对
低位（LSD ），次低位，次高位和最高位输出端。

○
24端：DD V ，整个电路的正电源端。

3.3 七段锁存—译码—驱动器CD4511的介绍
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（锁存器）、七段译码器电路和驱动器三部分组成，如图1-6所示：
图1-6 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功能作用。

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 端的控制作用可以讲某一时刻的输入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，七段译码器输出全为“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，发光数码管各段全亮显示；当BI =“1”时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。

上述两个控制端配合使用，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电路兼容
DD
工作。

CD4511采用16引线双列直插式封装，如图1-7所示：
图1-7 CD4511引脚图
其真值表见2-1所示：
表2-1 CD4511真值表
注明：“*”表示取决于原来LE=0时的BCD码
使用CD4511时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需要外接限流电阻。

3.4 七路达林顿驱动器阵列MC1413的介绍
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电路结构和引脚如图1-8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1-8 MC1413引脚和电路内部结构图 图1-9 MC1403引脚图
3.5 高精度低漂移能隙基准电源MC1403的介绍
MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关。

该电路的特点是：①温度系数小；②躁声小；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03V mV ∆<；④输出电压值准确度较高，在2.475V ～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 。

MC1403采用8引线双列直插标准封装，如上图1-9所示。

4. 课程设计调试的要点
4.1 电路调试
（1）在电路上加电源电压。

DD V ＝+5V ，EE V ＝-5V 。

（2）用示波器观察MC14433的11 脚CLK f 时钟频率。

调整电阻2R 使其等于66kHz 。

（3）采用稳压电源，调整其输出电压为1.999V 或199mV ，以此作为模拟量输入信号X V ，此值需用标准数字电压表监视，然后调整基准电压R V 的电位器，使LED 显示量为1.999V 或199 mV ，此时将电位器值固定好。

（4）观察MC14433第6脚处的积分波形。

调整电阻1R 值使X V 为1.999V 或199 mV 时，积分器输出既不饱和，又能得到最大不失真的摆幅。

4.2 功能调试
（1）检查自动调零功能。

当MC14433的端口X V 与AG V 短路或X V 端没有信号输入时，LED 显示器应显示0000。

（2）检查超量程溢出功能。

调节X V 值，当X V 为2V （或X V ＞R V ）时，观察LED 发光数码管是否有闪烁显示告警作用，此时____
OR 端应为低电平。

（3）检查自动极性转换功能。

将+1.990V 和-1.990V 先后加到X V 端，两次读数之差为翻转误差，根据MOTOROLA 公司规定，正负极性转换时允许个位有±1个字的误差。

（4）测试线性度误差。

将输入信号X V 从0V 增大到1.999V ，输出几个采样值，其X V 值用标准数字电压表监视。

然后与LED 显示数值相比较，其最大偏差为线性误差。

（5）将信号电压X V 极性变反，重复步骤（4）。

（6）当MC14433的9脚与14脚直接相连时，观察是否有EOC 信号。

当DU 端置0时，观察LED 显示数字是否锁存。

（7）调试分压器，检查各量程是否准确。

5. 课程设计器材和供参考选择的元器件
6. 课程设计报告结论
6.1 按设计内容要求整理实验数据及调试中的波形
MC14433是132
位的双积分式 A/D 转换器，转换速度每秒1～10次，量程为1.999V 或199.9mV ，以 BCD 码的形式输出，其中，1DS ~4DS 多路选通脉冲
输出，1DS 为千位，4DS 为个位，其输出选通脉冲时序图如下图1-10：
图1-10 MC14433输出选通脉冲时序图
在控制逻辑电路的控制下，实现一次转换的过程如下，如图1-11所示：
图1-11 双斜积分式A/D 转换
6.2 画出设计内容中的电路图，接线图
在Multisim平台上对该电路进行仿真时，发现该软件不完美，找不到所需要的元件，如MC14433。

这里展示的一份由ICL7106 A/D 转换电路组成的数字电压表(数字面板表)电路，如图1-12所示
图1-12 ICL7106 A/D 转换电路组成的数字电压表电路
6.3 总结设计数字电压表的体会
（1）数字电压表的具体应用电路是有很多种的，只要掌握了一些最基本的应用，就可以举一反三地、越来越熟练地按照自己的构思，得心应手地设计好数字电压表电路。

（2）尽管数字电压表的输入阻抗可以达到上1000兆欧姆，但是，这个阻抗仅仅是对输入信号而言的，与通常电力系统泛称的“绝缘电阻”有着天壤之别。

因此，千万不能把高于芯片供电电压的任何电压输入到电路中，以免造成损失或者危险。

（3）数字电压表属于一种测量工具，其本身的好坏直接影响到测量结果，因此，上面所有例子中，其使用的电阻要求精度均不能低于1%，在分流、分压和标准电阻链中，最好能够使用0.5%或者0.1%精度的电阻。

（4）不要在电路没有加上工作电源之前就加上信号，这很容易损坏芯片。

断掉工作电源前也必须先把信号撤掉。

（5）数字电压表(数字面板表)的使用和扩展应用，还必须很好阅读产品供货商提供的说明书，千万不要急于送电使用它。

参考文献
[1]高吉祥.电子技术基础—实验与课程设计.北京：电子工业出版社.2002年2月：168~312.
[2]黄永定.电子线路实验与课程设计.北京：机械工业出版社.2005年8月：193~268.
[3]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006年1月：444~ 460.
[4]陈尚松.电子测量与仪器（第2版）.北京：电子工业出版社，2009年1月：172~213.
[5]黄志玮.全国大学生电子竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005年1月：45~185.。