编号：
课程设计说明书
（基础工程课程设计）
(请注明名称专业工程设计或基础工程设计或信息系统综合实训或导航系统综合实训)
题 目： 简易数字电压表
院 （系）： 信息与通信学院
专 业： 电子信息工程
学生姓名： 韦金泉
学 号： 1300220229
指导教师： 王岩红
2015 年 12 月 11 日
摘 要
随着电子科学技术的进步和提高，电子测量这一块越来越收到人们的重视，也在电子系统的设计中起着越来越重要的作用。作为电气工程学院电子信息工程专业的学生，有必要就电子测量这一块有一定的了解。
本设计主要应用MC14433、MC1413 、CD4511实现所需功能。以达到平时日常简单的测量所需。
关键词：MC14433；四位LED数码管；电子测量；CD4511
目 录
引言 ……………………………………………………………………………………………4
1 系统方案设计 ……………………………………………………………………………4
1.1 设计目的 ………………………………………………………………………………4
1.2 设计要求 ………………………………………………………………………………4
1.3 系统框图 ………………………………………………………………………………6
1.4 设计方案 ………………………………………………………………………………7
1.4.1 方案Ⅰ……………………………………………………………………………7
1.4.2 方案Ⅱ……………………………………………………………………………7
1.5两种方案作简单的比较…………………………………………………………………7
2 单元电路设计 …………………………………………………………………………8
2.1 工作原理 ………………………………………………………………………………8
2.2 硬件电路设计 …………………………………………………………………………9
2.2.1 整体电路概况……………………………………………………………………9
2.2.2 双电源的处理……………………………………………………………………10
2.2.3 量程的处理………………………………………………………………………11
2.2.4 小数点的处理……………………………………………………………………12
2.2.5 MC14433的其他电路 …………………………………………………………12
2.2.6 模块的衔接 ……………………………………………………………………13
3 原理图与PCB设计制作……………………………………………………………13
3.1 原理图设计 ……………………………………………………………………13
3.2 PCB制作 ………………………………………………………………………14
4 实物图 ……………………………………………………………………………………15
5 结论……………………………………………………………………………17
谢辞………………………………………………………………………………18
参考文献…………………………………………………………………………19
附录 ………………………………………………………………………………20
引言
数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，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。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。本文重点介绍单片A/D 转换器以及由它们构成各种新型数字电压表的工作原理。
数字电压表具有以下十大特点：⑴ 显示清晰直观，读数准确 传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免地会引入人为的测量误差（例如视差），并且容易造成视觉疲劳。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是惟一的，不仅保证读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能缩短读数和记录的时间。新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目符号、单位符号和特殊符号。⑵ 显示位数 显示位数通常为3位～8位判定数字仪表的位数有两条原则：①能显示从0～9所有数字的位是整数值；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高位数字做分母。⑶ 准确度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度，也反映了测量误差的大小，准确度愈高，测量误差愈小。。数字电压表的准确度远优于模拟式电压表。⑷ 分辨率高 数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称做仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。数字电压表的分辨力指标亦可用分辨率来表示。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。更不得将分辨力（或分辨率）误以为是类似于准确度的一项指标。实际上分辨力仅与仪表显示位数有关，而准确度则取决于A/D 转换器等的总误差。从测量角度看，分辨力是“虚”指标（与测量误差无关），准确度才是“实”指标（代表测量误差的大小）。因此，任意增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的。原因就在于这样达到的高分辨力指标将失去意义。换言之，从设计DVM的角度看，分辨力应受准确度的制约，并与之相适应。⑸ 测量范围宽 多量程DVM一般可测0～1000V直流电压，配上高压探头还可测量上万伏的高压。（6） 扩展能力强 在数字电压表的基础上、还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪器，以满足不同的需要。⑺ 测量速率快 数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率，单位是“次／秒”。它主要取决于A/D 转换器的转换速率，其倒数是测量周期。3位、5位DVM的测量速率分别为几次每秒、几十次每秒。8位DVM采用降位的方法，测量速率可达10万次／秒。⑻输入阻抗高 数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10MΩ～10000MΩ，最高可达1TΩ。在测量时从被测电路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。⑼集成度高，微功耗 新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。⑽抗干扰能力强 5½位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比（SMR）、共模抑制比（CMR）分别可达100dB、80dB～120dB。高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，CMR可达180dB。
1 系统方案设计
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 设计要求
根据设计要求如下：
1) 设计数字电压表电路
2) 测量范围： 直流电压0V - 9.9V , 0V- 199.9V。
3) 组装调试
4) 画出数字电压表电路图，写出总结报告
5) 选作内容： 自动切换量程。
1.3 系统框图
本系统框图如下：
1.4 设计方案
根据以下以上要求，有如下两种方案：
方案Ⅰ：
采用纯数字逻辑电路搭建时序逻辑电路产生对映的控制信号以达到设计要求。
优点：
成本低，电路查错简单。
缺点：
设计难度略大，电路设计和搭建过程中容易出现误差。
方案Ⅱ：
采用各类单片机进行处理中间的过程。
优点：
设计相对简单，成功率高。硬件电路搭建也比较轻松
缺点：
使用单片机提高设计成本，同时此电路应用单片机不能尽其用
1.5 两种方案作简单的比较
比较上述两种方案分析后可知，方案Ⅱ比较简单，一般情况下采用此方法，但是本设计中本着节省和练习的原则，并未使用方案Ⅱ，采用方案Ⅰ完成本设计。
2 单元电路设计
2.1 工作原理
数字电压表将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示，该系统(如图2-1所示)采用MC14433一
位A/D器、MC 1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511——BCD到七段锁存一译码一驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。本系统是3
位数字电压表，位是指十进制数0000~1999。所谓三位是指个位数、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，而只能从0变化到1，即二值状态，所以称半位。
图2-1. 位数字电压表
2.2 硬件电路设计
2.2.1整体电路概况
核心的测量部分在图2-2-1中已经标示出，下图为Altium Designer中的整体SCH文件图
图2-2-1 Altium Designer 概况图
考虑到实际设计要求，除了核心部分的测量，还需要一些外部电路才能达到要求。
2.2.2 双电源的处理
本次设计中主要芯片MC14433需要用到-5V电源，在本设计中直接采取使用排针接入-5V电源。+5V电源同理。
图2-2-2 双电源的处理
2.2.3 量程的处理
如图2-2-3所示，在考虑到最大量程与最小量程之间差距过大 并且量程只有四个挡位，在本设计中采用四个六角开关作为四个挡位的选择。利用电阻分压加射级跟随器作为量程的选择与控制，同时六角开关的另一个脚则作为小数点位置的控制。
图2-2-3-a 四个量程处理
图2-2-3-b 射级跟随器
实际使用中因为没有用到第三挡和第四挡，所以取消了设计跟随器部分，有需要的时候用杜邦线可以直接接上跟随器。
2.2.4 小数点的处理
本设计中采用的输出形式为位，故改变量程需要改变对映小数点的位置，如图所示，六角开关在控制量程的同时也控制了小数点的显示。
图2-2-4 小数点的控制
小数点部分，本设计采用六角单刀双掷开关，一边控制小数点，一边控制量程的选择，测试通过。
2.2.5 MC14433的其他电路
本设计中对于采样频率等参数没有特殊要求，故外围采用经典设计。如图所示:
图2-2-5 MC14433经典外围
2.2.6 模块的衔接
本设计中对于不同小模块之间的衔接有两种方案，使用PCB双面板或者使用杜邦线连接。考虑到双面板的成本，布线难度以及其他问题，最终选择采用杜邦线连接。若需要应用在工程中可以考虑采用双面板制作。
3 原理图与PCB设计制作
3.1 原理图设计
图3-1 原理图整体设计
3.2 PCB设计制作
图3-2 PCB设计
布线中省略了不少杜邦线的连接，实际使用可以考虑将飞线部分也布线与版上因为在刚开始画PCB中对原理的理解不够透彻，所以在实际制作后改了两条线路，具体体现为U3的使能端没完全接好，用飞线连接后无误。
4 实物图
图4-1 设计结果实物图(PCB板背面)
图4-2 设计结果实物图(未通电)
图4-3 设计结果实物图(通电状态)
5 结论
在本次设计中，我们刚开始因为对PCB的绘制，包括硫酸纸的打印，感光和腐蚀等等一系列的步骤的了解不够，产生和一系列的问题，也浪费了不少材料，但是最终还是成功的绘制出了达标的PCB印制板。这也是一项技能的收获。
在原理图的制作中，有很多原因导致刚开始有点赶时间，但是却很好的应证老了事倍功半的真理，因为对芯片的了解不够透彻，在PCB完成后才发现某个芯片的使能端没有接好，好在在修改了电路连接后解决了问题。细心和耐心都是实际设计和制作中不可或缺的素质和能力。
总之，通过这次设计也收获了很多，知识层面上，学得了很多新知识，解决问题的新方法。实践方面，提高了动手能力，提高了解决实际问题的能力等等。在思想上，更加明白的坚持不懈的重要性，学习探索的重要性，实践动手的重要性。
谢 辞
在这里，我衷心感谢老师的耐心指导，感谢同学的热心帮助，正是有你们的帮助，我才能那么快速的完成这个课程设计。感谢同学陪我一起细心耐心的调试板子，找出问题所在，并一个一个地解决。在调试板子的过程中，我深深地体会到了同学之间那种相互帮助的热情，每当我有问题解决不了的时候，只要我一说，总会有人来帮我。在你们的帮助下，我还学到了很多的课外知识，拓宽了视野，谢谢你们，真的非常感谢！
参考文献
[1]康华光.《电子技术基础》第五版[M].高等教育出版社.2006:模拟部分
[2]康华光.《电子技术基础》第五版[M].高等教育出版社.2006:数字部分
[3]华容茂.《电工电子技术实习与教程》电子工业出版社，20##年；
[4]邱关源.《电路》第五版[D].高等教育出版社.20##年；
附 录
元器件清单：
1) MC14433芯片一个；
2) MC1413芯片一个；
3) CD4511芯片一个；
4) LM7905芯片一个；
5) IC底座 24位宽体一个、16位两个、4位一个；
6) 四位数码管一个；
7) 六角角按键4个；
8) 470欧姆电阻8个，470K欧姆电阻1个，100K、10K、1K、100欧姆电阻各一个；
9) 0.1uf电容两个；
10) 排针若干，杜邦线若干。
第二篇：基础工程课程设计(参考范例)
基础工程课程设计
姓 名：**
学 号：**
班 级：**
指导教师：**
一、设计任务书
(一)、设计资料
1、建筑场地土层按其成因土的特征和力学性质的不同自上而下划分为5层，物理力学指标见下表。勘查期间测得地下水混合水位深为2.1m,本场地下水无腐蚀性。 建筑安全等级为2级，已知上部框架结构由柱子传来的荷载。
承台底面埋深：D ＝ 2.1m。
附表一：土层主要物理力学指标
（二）、设计要求：
1、单桩竖向承载力标准值和设计值的计算；
2、确定桩数和桩的平面布置图；
3、群桩中基桩的受力验算
4、承台结构设计及验算；
5、桩及承台的施工图设计：包括桩的平面布置图，桩身配筋图，
承台配筋和必要的施工说明；
6、需要提交的报告：计算说明书和桩基础施工图。
二、桩基持力层，桩型，桩长的确定
根据设计任务书所提供的资料，分析表明，在柱下荷载作用下，天然地基基础难以满足设计要求，故考虑选用桩基础。由地基勘查资料，确定选用第四土层黄褐色粉质粘土为桩端持力层。
根据工程请况承台埋深2.1m，预选钢筋混凝土预制桩断面尺寸为450㎜×450㎜。桩长21.1m。
三、单桩承载力确定
（一）、单桩竖向承载力的确定：
1、根据地质条件选择持力层，确定桩的断面尺寸和长度。
根据地质条件以第四层黄褐色粉土夹粉质粘土为持力层，
采用截面为450×450mm的预置钢筋混凝土方桩，桩尖进入持力层1.0m；镶入承台0.1m，桩长21.1 m。承台底部埋深2.1 m。
2、确定单桩竖向承载力标准值Quk可根据经验公式估算：
Quk= Qsk+ Qpk=µ∑qsikli+qpkAp
桩周长：µ=450×4=1800mm=1.8m
桩横截面积：Ap=0.45²=0.2025㎡
桩侧土极限摩擦力标准值qsik：查表得：用经验参数法：
粉质粘土层：
=0.95，取qsk=35kPa
淤泥质粉质粘土：qsk=29kPa
粉质粘土：=0.70，取qsk=55kPa
桩端土极限承载力标准值qpk,查表得：qpk=2200 kPa
用经验参数法求得Quk1=1.8×(35×8.0+29×12.0+1.0×55) +2200×0.2025=1674.9KN
用静力触探法求得Quk2=1.8×(36×8.0+43×12.0+1.0×111) +1784.5×0.2025=2008.4KN
3、确定单桩竖向承载力设计值R， 并且确定桩数n和桩的布置
先不考虑群桩效应，估算单桩竖向承载力设计值R为：
R=Qsk/rs+Qpk/rp
用经验参数法时：查表rs=rp=1.65
R1=Qsk/rs+Qpk/rp=1229.4/1.65+445.5/1.65=1015.09KN
用静力触探法时：查表rs=rp=1.60
R2=Qsk/rs+Qpk/rp=1647/1.60+361.4/1.60=1255.25KN
Rz=min(R1,R2)= 1015.09 KN
四、桩数布置及承台设计
根据设计资料，以轴线⑦为例。
1、⑦轴A柱：Nmax=4239, Mmax=193KN.m，Vmax=75KN.m
柱的截面尺寸为：600×600mm；
按照轴力P和R粗估桩数n1为：
n1=P/R=4239/1015.09=4.18,由于没有考虑弯矩M,基础及承台上土重,以及承台底土分担荷载作用桩数,n=1.1n1=4.6≈5根
由于n1＞3，应按考虑群桩效应和承台效应确定单桩竖向承载力设计值R
先取桩数n=5根，桩的布置按梅花式排列，桩距Sa=(3～4)d=(3～4)×0.45=1.35～1.8m,取边桩中心至承台边缘距离为1d=0.45 m
2、⑦轴D柱：Nmax=4159, Mmax=324KN.m，Vmax=79KN.m
柱的截面尺寸为：600×600mm；
按照轴力P和R粗估桩数n1为：
n1=P/R=4159/1015.09=4.10,由于没有考虑弯矩M,基础及承台上土重,以及承台底土分担荷载作用桩数,n=1.1n1=4.51≈5根
由于n1＞3，应按考虑群桩效应和承台效应确定单桩竖向承载力设计值R
先取桩数n=5根，桩的布置按梅花式排列，桩距Sa=(3～4)d=(3～4)×0.45=1.35～1.8m,取边桩中心至承台边缘距离为1d=0.45 m。
五桩承台布置图如下：
３、⑦轴B、C柱（因为柱距近，故设置复合桩基）：Nmax=8782KN, Mmax=593KN.m，Vmax=165KN.m
⑴柱的截面尺寸为：600×900mm；
按照轴力P和R粗估桩数n1为：
n1=P/R=8782/1015.09=8。7,由于没有考虑弯矩M,基础及承台上土重,以及承台底土分担荷载作用桩数,n=1.1n1=9.57≈10根
由于n1＞3，应按考虑群桩效应和承台效应确定单桩竖向承载力设计值R
先取桩数n=10根，桩的布置排列见图5，桩距Sa=(3～4)d=(3～4)×0.45=1.35～1.8m,取边桩中心至承台边缘距离为1d=0.45 m。承台布置如下图：
五：复合桩基荷载验算
根据上面承台布置，按下式计算复合桩基。
１、5桩承台
1).A柱
由
及
，查表8.16：
； 查表8.17：
得：
查表：预制桩
（1） 按中心荷载计算
（2） 按偏心荷载计算
满足要求。
2）．Ｄ柱
单桩承载力与A柱相同，但外荷载小于A柱，且承台设计与A柱相同，因此，D柱单桩受力验算也符合要求。
2、联合承台
由
及
，查表8.16：
； 查表8.17：
得：
查表8.9：预制桩
桩基验算：
（3） 按中心荷载计算
（4） 按偏心荷载计算
满足要求。
六、桩身设计
混凝土为C30，轴心抗压强度设计值
＝ 14.3MPa，抗拉强度设计值为
＝1.43MPa，主筋采用：4Φ16，强度设计值：
＝310Mpa。其余按结构图集《预制钢筋混凝土方桩》要求。
七：承台设计
承台设计选C30混凝土，轴心抗压强度设计值为
＝1４.３MPa，轴心抗拉强度设计值为
＝1.43MPa。
１、五柱承台
Ａ柱：
（1） 柱对承台得冲切
满足要求。
（2） 角柱对承台的冲切
满足要求。
D柱：和A柱受力近似，故可以不验算承台抗冲切。
２、联合承台
（1）单独考虑每个柱对承台得冲切
B柱
满足要求。
C柱 
满足要求。
（2）考虑B、C柱共同作用对承台的冲切作用
满足要求。
（3） 角柱对承台得冲切作用
冲切力
柱1：
满足要求
柱2：
满足要求
八、沉降计算
1、五桩承台
A柱：
由于弯矩较小，故可按轴心受压计算。
等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积，等效作用附加应力近似取承台底平均附加压力。
（1）基底接触压力：
（2）基底附加应力 ： 
（3）确定地基手压层深度：
故分两层，第一层：4.3m 
第二层：1.715m 
（4） 计算基础中心下地基中的附加应力：
（5） 计算压缩模量：
（6） 软土地区且桩端无良好持力层时，当桩长l≤25m时,ψ取1.7；
查附表H：
桩基等效沉降系数
（7） 计算A桩基沉降量：
D：柱
由于弯矩较小，故可按轴心受压计算。
等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积，等效作用附加应力近似取承台底平均附加压力。
（1）基底接触压力：
（2）基底附加应力 ： 
（3）确定地基手压层深度：
故分两层，第一层：4.3m
第二层：1.715m
（4） 计算基础中心下地基中的附加应力：
（5） 计算压缩模量：
（6） 软土地区且桩端无良好持力层时，当桩长l≤25m时,ψ取1.7；
查附表H：
桩基等效沉降系数
（7） 计算A桩基沉降量：
2、联合承台
B、C桩基可认为是承受沿7轴线方向的偏心。等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积，等效作用附加应力近似取承台底平均附加压力。
（1） 求基底接触压力：
（2） 求基底附加压力
求出最大附加压力处的沉降和最小附加压力处的沉降，便可求出沉降差（略）
（3）确定地基手压层深度：
故分两层，第一层：4.3m
第二层：1.715m
（4）计算联合承台中心沉降：
软土地区且桩端无良好持力层时，当桩长l≤25m时,ψ取1.7；
查附表：
桩基等效沉降系数
3、计算沉降差
（1）A、BC桩基沉降差：
（2）BC、D桩基沉降计算：
满足要求。
九、施工图
参考文献：1.《预制钢筋混凝土方桩图集》（97G361）
2. 建筑桩基础技术规范》（JGJ94－94）
3.《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）