直流数字电压表

电子技术 课程设计报告

题目名称：直流数字电压表的设计

姓 名： 学 号： 班 级： 指导教师：

重庆大学电气工程学院

2010 年6 月

直流数字电压表

摘要：传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强等优点而被广泛应用。

本设计给出基于MC14433双积分模数转换器的一种电压测量电路。数字电压表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。该系统由MC144333位半A\\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、MC4543BCD七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。本次设计的简单直流数字电压表的具体功能是：最高量程为1999V，分四个档位量程，即0~1.999V，0~19.99V0~199.9V，0~1999V，可以通过调档开关来实现各个档位。

一、设计内容及要求：

1) 设计直流数字电压表； 2) 直流电压测量范围：

0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V，0V~1999V。

3) 直流输入电阻大于100kΩ。

4) 画出完整的设计电路图,写出总结报告。

5) 选做内容：自动量程转换。

二、比较和选定设计的系统方案，画出系统框图：

方案：本次设计的直流数字电压表由测量电路、双积分模数转换电路电路、数码显示电路和量程转换电路组成，原理框图如图1 所示。

Ui Ui1 测量电路 双积分模数 转换 数码显示 量程转换 图1直流数字电压表原理框图

测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。

三、单元电路设计、参数计算和器件选择：

1）量程转换电路：

R1、R2、R3、R4对输入电压进行分压，使Vx直流输入电压的范围是0V~2V。

由于直流输入电阻要求大于100kΩ，设定总电阻为1000K。列出方程计算各电阻阻值：

R4RRRR0.0012341R4R30.01 R1R2R3R4R4R3R20.1R1R2R3R4RRRR1000K2341得：

R1900K;R290K;R39K;R41K 图2 量程转换电路

图3 小数点控制仿真电路（如图所示，当被测电压为6V时，百位上的小数点亮）

2）双积分模数转换电路：

集成双积分模数转换器MC14433原理电路和引脚图如图4所示。 器件的输入电压范围是0V~Vref，Vref是基准电压。输出数字量是4为8421BCD码，经多路复用器从Q3Q2Q1Q0输出，位数指示信号是DS1（千位）、DS2（百位）、DS3（十位）、DS4（个位）。

MC14433自带时钟、极性检测和逻辑控制电路等，实现双积分模数转换电路。

图4

（注：基准电压由MC1403提供。其输出电压为2.5V，由电阻分压提供2V的基准电压）

MC14433电路的引脚说明：

1) (VAG)—模拟地，被测电压和基准电压的接入地。 2) (VR)—基准电压。

3) (Vx)—被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系： 4)

，满量程的Vx=VR。当满量程选为1.999V。

5) 4-6(R1/C1，C1)—外接积分元件端。次三个引脚外接积分电阻和电容元件 6) 7、8(C01、C02)—外接失调补偿电容端。

7) 9(DU)—A\\D转换结果显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，将DU端与EOC

引脚直接短接即可。

8) 10、11(CLK1、CLK0)—时钟外接元件端，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300kΩ即可。 9) 12(VEE—负电源端。VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的

电源供给电流要求不高。 10) 13(Vss)—输出信号接地端。

11) 14(EOC)—转换周期结束标志端。每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。15（OR非）—过量程标志位，当|Vx|>VREF

时， 输出为低电平。

12) 16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)—多路选通脉冲输出端。DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选

通信号。

13) 20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)—BCD码数据输出端。 14) 24(VDD)—正电源电压端。 3）数码显示电路：

设计中采用MC14543显示译码驱动电路，MC1413七路达林顿晶体管列阵MC1413，数码管采用4个LED共阳极数码管。MC1413管脚图见图5。

图5 MC1413管脚图和电路结构图

数码显示电路仿真见图6（由于Multisim8.0版中没有MC14543以及MC1413，用其他器件代替。）

图6 数码显示线路

四、画出完整的电路图，并说明电路工作原理：

1）完整电路图：

图7 直流数字电压表电路图

2）工作原理：

数字电压表将被测模拟量转化为数字量，并进行实时数字显示。该系统由MC144333位半A\\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、MC4543BCD七段锁存-译码-驱动器、基准电源MC1403和共阳极LED发光数码管组成。

各部分的功能如下：

1）3位半A\\D转换器（MC14433）：将输入的模拟信号转化成数字信号。 2）基准电源（MC1403）：提供精密电压，供A\\D转换器作参考电压。 3)译码器（MC4543）：将二-十进制（BCD）码转换成七段信号。

4）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。

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。

集成双积分模数转换器MC14433原理电路和引脚图如图4所示。器件的输入电压范围是0V~Vref，Vref是基准电压。输出数字量是4为8421BCD码，经多路复用器从Q3Q2Q1Q0输出，位数指示信号是DS1（千位）、DS2（百位）、DS3（十位）、DS4（个位）。MC14433自带时钟、极性检测和逻辑控制电路等，实现双积分模数转换电路。

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，DS4。其中DS1对应最高位,DS4对应最低位。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。

双积分模数转换器工作原理：

双积分模数转换器（ADC）是间接型ADC。它将取样电压转换为与之成正比的时间宽度，在此期间允许计数器对周期脉冲进行计数。计数器的二进制数就是取样电压对应的数字量。

图8是双积分ADC的电路原理图。电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS=0时，积分器对取样电压vI(nTS)做定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压-VREF做定压积分。vI(nTS)与-VREF电压极性相反，这里设取样电压vI(nTS)为正，则-VREF为负。

S LSB D0 D1 Dn-1MSB CP & QS Q0 Q1 …Qn-1 C CP n位二进制 R 计数器 J Q C1 K R t O QS S1选vI S1选-VREF t O S S2 vO T2 T1 t vI(nTS) -VREF S1 R A + C vO C + vC O vC O 进位回0时刻 计数 t 图8 双积分ADC电路原理图

图9双积分ADC工作波形

1．定时积分

在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分。

启动信号S输入负窄脉冲（S=0），使计数器、JK触发器QS清零，开关S1选择取样电压作积分器输入。同时开关S2闭合，使积分电容放电，，开关S2断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降，vO0，比较器输出逻辑1。允许n位二进制计数vO=0。负脉冲消失后（S=1）

器对周期脉冲CP计数。当进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS=1，定时积分结束，定压积分开始。 取启动信号S的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CP的周期为TCP。则对取样电压的积分时间T1为

n

T1=2TCP

是确定不变的。积分器输出电压为

1vI(nTS)vO(t)v(nT)dv(0)t ISORCRC0t积分器输出电压与时间成线性关系，其斜率是负的，与取样电压vI(nTS)和积分器的时间常数RC有关。vI(nTS)越大，负斜率也越大。定时积分的工作波形如图9所示，图中绘出了2个取样电压的情况。

定时积分结束时的积分器输出电压为

vI(nTS)2nTCPvO(T1)T1vI(nTS)

RCRC与取样电压成正比。

2．定压积分

在定时积分期间，当计数器的进位C=1时，下一个CP脉冲使计数器复零和JK触发器QS=1，开关S1选择基准电压-VREF，积分器开始对基准电压-VREF做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从0继续计数。与此同时，积分器输出电压上升

1VREF2nTCPvO(t)(VREF)dvO(T1)RC(tT1)RCvI(nTS) RCT1积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。定压积分的工作波形如图11.3.9所示。当vO(t)0时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果B （通常为自然二进制数）。从定压积分开始到计数器刚停止计数（vO(t)0）Z的时间T2为

tT2BZTCP

并且，在计数器停止计数时刻，积分器输出电压为0，即

VREF2nTCPvO(T1T2)T2vI(nTS)0

RCRC

所以

2nTCPT2vI(nTS)

VREF定压积分时间T2与取样电压成正比。在此期间，计数器从0开始对周期脉冲CP计数，直到停止并保持计数值BZ。所以

T22nBZvI(nTS)

TCPVREF计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步，导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为

2nBZ1vI(nTS)

VREF双积分ADC的单位模拟电压LSB为

LSBVREF 2n

五、总结：

电路的优点：该电路较为简洁，而数字电压表具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点。

电路的缺点：由于电路中所使用的MC14433、MC14543以及MC1413在Multisim8.0仿真中没有元器件，在电路设计出来后不利于仿真来验证电路是否正确。

核心价值：数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表，数字化测量仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的。通过对设计的要求和学习，让学生跟上时代的脚步，了解最新的电子技术状况。

意见及展望：希望今后的仿真软件如Mulitisim能够及时更新新的元器件，这样更加有利于新事物的产生。同时我也希望自己掌握更多的知识原理和设计动手能力以及其他仿真软件的运用。数字化的生活已经逐渐走入人们的学习、生活以及工作当中，让数字化产物的飞速发展，革新电子测量中的繁琐和陈旧方式。

六：列出所需元器件：

器件名 电容 规格（型号） 0.1μF 50μF 100Ω 150Ω 200Ω 1KΩ 9KΩ 20KΩ 电阻 51KΩ 90KΩ 300KΩ 900KΩ R1 MC1413 MC1403 集成芯片 MC14433 MC14543 MC14013 导线 开关 晶体管 MPS-A12 数量 7 1 1 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 若干 4 5 4 5 2 备注 等于27k时对应2v量程，等于470k时对应200mv量程 LED共阳极数MRF9013 码显示器 单滞比较器 与门 COMPARATOR_VIRTUAL 74S09

七、参考文献：

1) 《中国集成电路大全》编写委员会编，中国集成电路大全TTL集成电路。北京：国防工业出版社，1985。 2) 【美】D.H.Sheinggold编著，模数转换技术，南京：江苏科学出版社，1982. 3) 彭介华编著， 电子技术课程设计指导，北京:高等教育出版社 ， 1996 年 。 4) 高吉祥主编，电子技术基础实验与课程设计，北京：电子工业出版社，2005年。 5) 阎石. 数字电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998. 6) 康华光. 电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998. 7) 古天祥，王厚军. 电子测量原理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

八、收获、体会：

我通过对直流数字电压表的模拟、数字电路的综合设计，了解了一般数字电路综合设计的过程，设计要求以及应完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往对数字电子技术的学习，并达到灵活运用的目的。在设计完成后还要将设计的电路安装，调试以加强动手能力，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

在设计中，对芯片MC14433的掌握感觉比较难，还需要继续学习。不管结果怎么样，我享受的是做事的过程，和团队的合作。在不懂的时候和同学讨论或咨询唐老师，通过唐老师的提示和讲解才逐渐懂得如何运用。与此同时明白了要多花时间去熟悉理论知识，多参考一些相关的文献让自己的思维发展，并且应该加强自己的动手能力。

这次设计唯一遗憾的是没有做出完整的仿真图，没有进行电路的安装调试。 在完成设计任务的同时，我也注重下面几点能力的培养和提高： 1） 团队工作分工明细，提高效率，同时也培养独立工作能力和创造力； 2） 综合运用专业以及基础知识，解决实际设计技术问题的能力； 3） 查阅图书资料，产品手册的能力； 4） 写电子技术设计报告的能力。

附：部分电路仿真图（由于mulitisim8.0中没有MC14433以及替代全器件，仿真图只做出了测量电路、数码显示电路和量程转换电路）