河北建筑工程学院
《电子技术》课程设计报告
题 目： 数字电压表设计
院 系： 电气工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
姓 名：
学 号： 2011308
指导老师：
设计地点（单位）:河北建筑工程学院电气实验室
设计时间: 20##年2月25日-20##年3月10日
目录
一、题目及设计目的............................................................................................. 1
二、设计要求............................................................................................................ 1
三、方案设计与论证............................................................................................. 1
（1）主控芯片..................................................................................................... 1
（2）显示部分..................................................................................................... 1
四、设计原理及电路图......................................................................................... 1
（1）数字电压表原理框图................................................................................. 1
量程转换模块........................................................................................... 2
基准电压模块........................................................................................... 2
A/D电路模块............................................................................................ 2
字形译码驱动电路模块........................................................................... 3
显示电路模块........................................................................................... 3
（2）实验芯片简介............................................................................................. 5
三位半A／D转换器MC14433.................................................................. 6
七段锁存-译码-驱动器CD4511.............................................................. 8
七路达林顿驱动器阵列MC1413.............................................................. 9
高精度低漂移能隙基准电源MC1403.................................................... 10
（3）实验电路图.........................................................................................................11
五、元器件清单..................................................................................................... 11
六、参数计算.................................................................................... 12
七、遇到问题及解决方法...........................................................................................12
八、各芯片具体信息.....................................................................................................12
九、结论与心得..................................................................................................... 13
十、参考文献.................................................................................... 13
数字电压表电路设计报告
一、题目及设计目的
1、题目：3 1/2位数字电压表
2、设计目的：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、应完成的工作内容和具体的设计方法，同时复习、巩固以往的模电、数电内容。
二、设计要求
1、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出3个实现数字电压表哦那功能的方案；要求写出实现工作原理，画出电原理功能图，描述其功能。
2、对将要进行实验的方案，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。
3、技术指标：
测量直流电压 1999-1V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V；
测量交流电压 1999-199V。
三、方案设计与论证
（1）、主控芯片
方案1：选用A/D转换芯片MC14433、CD4511、MC1413、MC1403实现电压的测量，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是工作速度低，优点是精度较高，工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。
方案2：选用专用电压转化芯片INC7107实现电压的测量和控制。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管。用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是精度比较低，且内部电压转换和控制部分不可控制。优点是价格低廉。
方案3：选用单片机AT89S52和A/D转换芯片ADC0809实现电压的转换和控制，用四位数码管显示出最后的转换电压结果。缺点是价格稍贵；优点是转换精度高，且转换的过程和控制、显示部分可以控制。
基于课程设计的要求，以及元器件现有状况，选择方案一进行试验。
（2）显示部分
方案1：选用4个单体的共阴数码管。优点是价格比较便宜；缺点是焊接时比较麻烦，容易出错。
方案2：选用点阵显示器。优点是能显示文字和数字；缺点是其内部结构较为复杂，不易连接。
方案3：选用液晶显示器。优点是能显示大量的文字、数字和图形，而且清晰化程度高；缺点是成本高。
基于实验室元器件的现有提供情况，选用了方案一。
四 、设计原理及电路图
（1）数字电压表原理框图如下：
方案1的原理框图如图a所示；
方案2的原理框图如图b所示；
方案3的原理框图如图c所示。
图a
图b
图c
因为选用方案一，由数字电压表原理框图可知,数字电压表由五个模块构成,分别是基准电压模块, 3 1/2位A/D电路模块,字形译码驱动电路模块,显示电路模块,字位驱动电路模块.
各个模块设计如下:
量程转换模块
0.001～1.999V,0.01～19.99V,0.1～199.9V,0～1999V选MC14433的基准电压为2V,则其量程为0.001～1.999V , 所以其他量程分别×10 ×100 ×1000档位。 电路如图用4个电阻串联进行分压，电阻为R1=9M,R2=900K,R3=90K,R4=10K,使进入MC14433电压均小于2V 20(R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4) =2 200(R3+R4)/ (R1+R2+R3+R4)=2 2000R4/ (R1+R2+R3+R4)=2 取R4=10KΩ 则R1=9MΩ R2=900KΩ R3=90KΩ
基准电压模块
这个模块由MC1403和电位器构成, 提供精密电压，供A/D 转换器作参考电压.
3 1/2位A/D电路模块
直流数字电压表的核心器件是一个间接型A / D转换器，这个模块由MC14433和积分元件构成,将输入的模拟信号转换成数字信号。
字形译码驱动电路模块
这个模块由CD4511构成 ,将二—十进制(BCD)码转换成七段信号。
显示电路模块
这个模块由数码管构成,将译码器输出的七段信号进行数字显示，同时根据数位选择电路选择是否输出小数点，读出A/D 转换结果。在实验中应用四块数码管以实现三位半输出。
（2）实验芯片简介：数字显示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1 所示）可采用MC14433—三位半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。本系统是三位半数字电压表,三位半是指十进制数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l，即二值状态，所以称为半位。
各部分的功能如下：
三位半A/D转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。
基准电源(MC1403)：提供精密电压，供A/D 转换器作参考电压。
译码器(MC4511)：将二—十进制(BCD)码转换成七段信号。
驱动器(MC1413)：驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管(LED)进行显示。
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：
三位半数字电压表通过位选信号DS1～DS4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。DS1～DS4输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉
冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0～Q3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DS1输出正脉冲。以下依次为DS2，DS3和DS4。其中DS1对应最高位(MSD)，DS4则对应最低位(LSD)。在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0～Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0～9．在DS1选通期间，Q0～Q3输出千位的半位数0或l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=0代表千位数的数宇显示为1，Q3=1代表千位数的数字显示为0。
Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即UX>0；Q2的电平为0，表示极性为负，即UX<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UX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“-”(即g 段)点亮；当输入信号UX为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“-”旁路而熄灭。
小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP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UX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Ux处于过量程状态；
当Q3=1，Q0=1时，表示Ux处于欠量程状态。
当OR = 0 时，|UX|>1999，则溢出。|UX|>UR则OR 输出低电平。
当OR = 1时，表示|UX|<UR 。平时OR输出为高电平，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UX超出量程范围时，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。
①三位半A／D转换器MC14433
MC14433原理框图
在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式A/D转换器。和其它典型的双积分A/D转换器类似，MC14433A/D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。使用MC14433时只要外接两个电阻(分别是片内RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI)和两个电容(分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0)就能执行三位半的A/D转换。
MC14433内部模拟电路实现了如下功能：（1）提高A/D 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00MΩ以上；（2）和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成V/T 转换即电压—时间的转换；（3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“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；（4）与外接电容器C0构成自动调零电路。
除“模拟电路”以外，MC14433 内部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数(0～1999)，并锁存于三位半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，实现A/D转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0～Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1～DS4实现三位半数码的扫描方式（多路调制方式）输出。
MC14433内部的控制逻辑是A/D 转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压VREF 进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成A/D 转换。
MC14433内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井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RC 多谐振荡器，一般外接电阻为360kΩ时，振荡频率为100kHz；当外接电阻为470kΩ时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750kΩ时，振荡频率为50kHz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI(10脚)端输入，时钟脉冲CP 信号可从CPO(原文资料为CLKO)(11脚)处获得。MC14433内部可实现极性检测，用于显示输入电压UX 的正负极性；而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压Vx 超出量程范围时，输出过量程标志OR（低有效）。
MC14433是双斜率双积分A/D 转换器，采用电压—时间间隔(V/T)方式，通过先后对被测模拟量电压UX和基准电压VREF 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对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解：
首先对被测电压UX 进行固定时间T1、固定斜率的积分，其中T1=4000Tcp。显然，不同的输入电压积分的结果不同（不妨理解为输出曲线的高度不同）。然后再以固定电压VREF 以及由RI,CI所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，则该数N就是被测电压对应的数字量。由此实现了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，CI一般取0.1μF。RI的选取与量程有关，量程为2V时，取RI为470kΩ；量程为200mV时，取RI为27kΩ。
选取RI 和CI 的计算公式如下：
式中，ΔUC为积分电容上充电电压幅度,ΔUC = VDD - UX(max) - ΔU,ΔU = 0.5V,
例如，假定CI=0.1μF，VDD=5V，fCLK=66kHz。当UX(max)=2V 时，代入上式可得RI=480kΩ，取RI=470kΩ。MC14433设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。MC14433A/D转换周期约需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。
MC14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考上图的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：
(1) 端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。
(2) 端：RREF，外接基准电压输入端。
(3) 端：UX，是被测电压输入端。
(4) 端：RI，外接积分电阻端。
(5) 端：RI/CI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。
(6) 端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。
(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容C0取0.1μF。
(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：CPI (CLKI)，时钟信号输入端。
(11) 端：CPO (CLKO)，时钟信号输出端。
(12) 端：VEE，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VSS端。
(13) 端：VSS 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|UX|>VREF 时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。
(16)～(19) 端：对应为DS4～DS1，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。～Q3 输出的BCD 代码是该对应位上的数据。
(20)～（23）端：对应为Q0-Q3，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：VDD，整个电路的正电源端。
②七段锁存-译码-驱动器CD4511 （如图二）
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4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。
(1) 四位锁存器(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LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。
当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；
当LE=0时，锁存器处于选通状态，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：将来自四位锁存器输出的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(LAMP TEST)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。
② BI (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。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VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见图2。
使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。
③七路达林顿驱动器阵列MC1413 (如图三)
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OC0门)。MC1413电路结构和引脚如图3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续流二极管。
由于考虑到实验经费问题，以三极管和电阻搭接成反相器代替MC1413的功能，在实验中分别以四组搭接成的反向器控制四块数码管以实现数字输出。
④高精度低漂移能隙基准电源MC1403 （如图四）
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 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，输出电压值变化量小于3mV；④输出电压值准确度较高，y。值在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用8条引线双列直插标准封装，如图4所示。由于实验室现有元件限制，在实验过程中使用电压源以及变阻器调节电压，以已有数字电压表读数使输出2V的基准电压。
（3）实验电路图：
五、元器件清单
（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、三极管、电容、导线等
六、参数计算
量程转换电路用4个电阻串联进行分压，电阻为R1=9M,R2=900K,R3=90K,R4=10K,使进入MC14433电压均小于2V 20(R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4) =2 200(R3+R4)/ (R1+R2+R3+R4)=2 2000R4/ (R1+R2+R3+R4)=2 取R4=10KΩ 则R1=9MΩ R2=900KΩ R3=90KΩ
积分电阻电容的选择：
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，CI一般取 0.1μF。
RI的选取与量程有关。
量程为 2V 时，取 RI为 470kΩ；
量程为 200mV 时，取 RI为 27 kΩ。
选取 RI和 CI的计算公式如下：
RI=UX(MAX)*T/(CI*ΔUC )
式中，ΔUC为积分电容上充电电压幅度,
ΔUC=VDD-UX(MAX)-ΔU, ΔU=0.5V;
T=4000/fclk
例如，假定 CI=0.1μF，VDD=5V，fCLK=66kHz。当 UX(max)=2V 时，代入上式可得 RI=480kΩ，取 RI=470kΩ。MC14433 设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。
MC14433A/D 转换周期约需 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。
七、遇到问题及解决方法
在实施电路是我们遇到许多问题，首先是连接完电路后，发现显示器不亮，后来发现是因为导线损坏或者是器件端口接触不良，我们更换了导线后解决了这个问题，后来发现显示屏亮了，但是没有显示出数字，经过检查发现是因为一开始连接电路时没有注意到三极管是NPN型还是PNP型，经过修改问题得到解决。但是出现的结果与理论值不一样，经过检查发现是因为电路连接比较混乱致使电路短路，于是我们重新谅解了电路规范连接，问题得到了解决。我们也成功完成了实验。
八、各芯片具体信息
MC14433是美国摩托罗拉公司推出的单片3 1/2位A/D转换器具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。
MC1413是美国摩托罗拉公司出品的高耐压、大电流达林顿陈列反向驱动器，由七个硅NPN达林顿管组成。MC1413工作电压高，工作电流大，灌电流可以达到500mA,并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。MC1413可以用ULN2003A代替。
MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，国产型号为5G1403和CH1403。