数字万用表电路的毕业设计
毕业设计说明书
数字万用表电路的设计
专业 电气工程及其自动化
年 月 日 学生姓名 班学级 号 指导教师 完成日期
数字万用表电路的设计
摘 要:数字万用表是采用数字化测量技术,把连续的模拟信号转换成不连续的、离散的数字信号并加以显示的仪表,广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域,显示出强大的生命力。本次设计的数字万用表将使用美国摩托罗拉公司生产的MC14433 A/D转换器,配合分流电阻、分压电阻、基准电阻可以测量交、直流电压,直流电流、电阻并经四位数码管显示。在测量过程中使用量程开关来选择相应的电压、电流、电阻档位进行数据采集,之后将采集的信号一律转换为0~2V 的直流电压值送到A/D转换器MC14433,转换为数字信号后,将此数字信号送至锁存-译码器,变成BCD 码,再由LED 显示器显示出来。其中,量程切换电路控制着对应小数点的明暗,从而使LED 显示器显示出不同量程的读数。由于操作过程中可能会有超量程现象,所以在设计中添加了超量程报警部分,当检测到超量程信号时, LED 显示器闪烁,以示报警。设计中采用了先进的数显技术,精度高、抗干扰能力强,可扩展性强、集成方便。
关键词:数字万用表;A/D转换器;MC14433;超量程报警
The Design of Digital Multimeter
Abstract: Digital multimeter are using digital measurement techniques, the continuous analog signal to discontinuous, discrete digital signal and to display instrumentation, widely used in electronics and electrical measurement, industrial automation instruments, automatic test systems and other intelligent measurement, shows a strong vitality. The design of the digital multimeter will use the Motorola company produces the MC14433 A/D converter, cooperate to shunt resistance, dividing resistor, benchmark resistance can measure ac voltage ,dc voltage, dc current, resistance and the four digital display. In the measurement process using the scale setting switch to choose corresponding voltage, current, resistance gear in data collection, followed by the acquisition of the signal be converted to 0 to 2V DC voltage to the A / D converter MC14433, converted to A digital signal, the digital signal sent to lock to save-decoder, become BCD, again by LED display shows out. Among them, the range switching circuit controls the brightness of the corresponding decimal point so that the LED display shows a different range of readings. Operation may be over-range phenomenon, so add in the design of the alarm portion of the over-range, when the range signal is detected, the LED display flashes to show the alarm. The design of advanced digital display technology, high precision, strong anti-jamming capability, scalability, strong, easy integration.
Key Words: Digital multimeter; A / D converter; MC14433; over range alarm
目 录
1概述 ................................................................ 1
2总体方案论证 ........................................................ 1
2.1 直流电压测量方案 .............................................. 2
2.2 交流电压测量方案 .............................................. 2
2.3 直流电流测量方案 .............................................. 3
2.4 电阻测量方案 .................................................. 3
2.5 显示电路方案 .................................................. 3
2.6 量程自动切换电路方案 .......................................... 3
3单元电路的设计 ...................................................... 3
3.1 直流电压电路的设计 ............................................ 3
3.2 交流电压转换成直流电压电路的设计 .............................. 4
3.3 直流电流转换成直流电压电路的设计 .............................. 6
3.4 电阻转换成直流电压电路的设计 .................................. 6
3.5 数字电压表电路的设计 .......................................... 8
3.5.1 A/D转换器MC14433 ....................................... 8
3.5.2 七路达林顿驱动器阵列MC1413 ............................. 12
3.5.3 七段译码驱动器CD4511 ................................... 12
3.5.4 高精度低漂移能隙基准电压源MC1403 ....................... 13
3.5.5 显示器 ................................................. 15
3.6 量程自动切换电路的设计 ....................................... 16
3.6.1 量程转换电路 ........................................... 18
3.6.2 小数点显示电路 ......................................... 19
3.6.3 超量程闪烁报警电路 ..................................... 20
3.6.4 双向移位寄存器CD40194 .................................. 20
3.6.5 四输入异或门CD4070 ..................................... 21
3.6.6 双上升沿D 触发器CD4013 ................................. 22
3.7 稳压电源的设计 ............................................... 23
4结束语 ............................................................. 23
参考文献 ............................................................ 25
致 谢 ............................................................ 26
附 录 ............................................................ 27
附录1:数字万用表电路原理图 ..................................... 28
附录2:数字万用表电路PCB 图 ..................................... 29
数字万用表电路的设计
1概 述
数字万用表是一种用途很广的数字测量仪器,能测量直流电压、交流电压、直流电流、电阻等, 涉及到模拟电子技术和数字电子技术的许多内容。本设计要求以
11MC14433 A/D转换器为核心构成3位数字电压表。其中3位是指十进制数22
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。11该设计电路主要分为3位A/D转换器、7段译码驱动器及位驱动器、3位共阴极22
LED 显示器、超量程闪烁报警电路、基准电压源、AC/DC转换器、功能及量程开关电路、自动量程电路、恒流源和±6V 稳压电源部分组成。本设计的任务是能够完成四级量程的直流电压测量,其量程范围为2V 、20V 、200V 、2000V ;完成四级量程的交流电压测量,其量程范围为2V 、20V 、200V 、2000V ;完成四级量程的直流电流测量,其量程范围为2mA 、20mA 、200mA 、2A ;完成四级量程的电阻测量,其量程范围为2K Ω、20 KΩ、200 KΩ、2M Ω;完成量程手动自动切换功能。本课题主要运用《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《电路》、《电子测量技术》等几门课程的基本理论知识,采用了先进的数显技术,把连续的模拟量转换成离散的数字量并加以显示,从而设计出准确度高、分辨力强、测量功能完善、测量速率快、显示直观、保护功能完善、耗电省、便于携带、性价比很高的数字万用表。由于数字式万用表诸多的优越性能,从而使得数字万用表正在逐步取代传统的指针式(即模拟式) 万用表,成为现代电子测量及维修工作中最常用的数字仪表。数字万用表的检测及应用技术是电子测量的基础,也是电子工作者需要掌握的基本技能。大量实践证明,数字万用表除用于常规测量之外,还可以进一步扩展其测量功能,实现“一表多用”,在一定程度上代替了多种专用电子测量仪器完成检测任务。
2总体方案论证
方案一:使用单片机AT89C51与ADC0809设计一个数字万用表,配合分流电阻、分压电阻、基准电阻测量交直流电压、直流电流、直流电阻并经四位数码管显示。
1方案二:以美国摩托罗拉公司生产的MC14433 A/D转换器为核心构成3位数2
字万用表。在此基础上,设计制作一个能测量直流电压、交流电压、直流电流和电阻的数字测量仪器。电流、电阻的测量主要是运用安培定律,将电流、电阻转化成数字万用表的核心器件A/D转换器能够测量的0~2V 的电压量,将得到的二进制数值通过BCD 七段译码器/驱动器进行编码,最后送给数码管显示出来。根据设计要求可以初步画出如图2-1所示的设计框图。
图2-1系统设计原理框图
方案一虽然电路简单,但编程复杂,不易实现。方案二虽然电路复杂,但不需要编程,功能实现简单。综合比较,本次数字万用表电路的设计使用方案二。
2.1 直流电压测量方案
为了检测大于2V 的直流电压,必须在输入端引入衰减器将电压变换成0~2V ,然后在检测显示时再放大同样的倍数。衰减器是用精密电阻构成的分压器,在图3-2所示电路中被测信号和输入到A/D电路的信号之比分别为1、10、100及1000,即被测信号在0~2V 、0~20V 、0~200V 及0~2000V 四档范围内,得到的信号均为0~2V 。
2.2 交流电压测量方案
为了实现交流电压的测量,首先必须将输入交流信号作衰减,这一点和上面的直流检测是相同的。衰减之后的交流电压还要进行精密整流变成直流电压后才能进入A/D转换器。
2.3 直流电流测量方案
为了实现电流的检测,就必须将被测电流变成0~2V 的直流电压,即实现衰减和I/V变换。使四档输入电流2mA 、20mA 、200mA 及2A 都通过一个电阻,经这取样电阻将电流变成相对应的电压值,然后通过一个比例放大器,使比例系数对应1000、100、10及1,则经比例放大后的输出电压均为2V ,以此作为A/D转换器的输入。在显示检测结果时将小数点的位置随比例系数作相应的变化。
2.4 电阻测量方案
早期数字仪表采用恒流法测量电阻,通过恒流源和精密运算放大器实现电阻/电压(Ω/V)转换,因此电路较复杂,成本高,而本次设计使用的是比例法。比例法是测量电阻的一种新方法,很容易将被测电阻值转换成输入电压,实现Ω/V转换。比例法的优点是电路简单、测量准确度高,成本低。
2.5 显示电路方案
LED 数码管是目前常用的一种数显器件。把发光二极管(LED)制成条状,再按一定方式连接,组成数字8,就构成LED 数码管。使用时让某些字段上的发光二极管发亮,即可组成0~9的一系列数字。
2.6 量程自动切换电路方案
自动量程切换电路的作用是根据MC14433提供的输入信号情况(在量程、过量程OR =0,欠量程OR =1),以及时间信号(EOC、DS 1、DS 2) 产生相应的量程信号。当被检测的信号超过当前量程时,使电路模拟开关切换位置,显示器的小数点移动位置,即量程向高位变化。欠量程则向低位变化, 而在量程则不发生变化。 3单元电路的设计
3.1 直流电压电路的设计
在基准数字电压表头前面加一级分压电路,可以扩展直流电压测量的量程。如图3-1所示,U 0为电压表头的量程,r 为其内阻,r 1、r 2为分压电阻,U i 0为扩展后的量程。
由于r>>r 2,所以分压比为:
U 0r =2 (3-1) U i 0r 1+r 2
即扩展后的量程为:
U i 0=r 1+r 2U 0 (3-2) r 2
数字电压表的直流电压档测量电路如图3-2所示,各档的分压比介绍如下:
U i
图3-1 分压电路原理 图3-2多量程直流电压测量电路
a) 2000V的分压比:
R 4=0.001 (3-3) R 1+R 2+R 3+R 4
b) 200V的分压比:
R 3+R 4=0.01 (3-4) R 1+R 2+R 3+R 4
c) 20V的分压比:
R 2+R 3+R 4=0.1 (3-5) R 1+R 2+R 3+R 4
d) 2V的分压比:
R 1+R 2+R 3+R 4=1 (3-6) R 1+R 2+R 3+R 4
然后根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻。首先先确定
R 总=20K Ω,以此类推:R 总=R 1+R 2+R 3+R 4=20M Ω,然后确定R 4=0. 001
R 3=180K Ω、R 2=1. 8M Ω、R 1=18M Ω。
3.2 交流电压转换成直流电压电路的设计
测交流电压必须在直流电压测量电路上增加AC/DC转换器。平均值响应的AC/DC转换器是由运算放大器和二极管组成的半波(或全波)线性整流电路。它具有线性度好、准确度高、电路简单、成本低廉等优点。但由于是按照正弦波平均值与有效值的关系而定义的,因此所构成的交流数字电压表只能测量正弦波电压。要想准确测量非正弦波形,须采用真有效值/直流(TRMS/DC)转换器。
平均值响应的五量程交流数字电压表电路如图3-3所示,S2a 为量程转换开关。
图3-3 交流电压测量电路
现利用低漂移单运放AR1和二极管D 15组成平均值响应的线性半波整流电路。该电路可避免二极管在小信号整流时所引起的非线性误差,使输出电压V 0(平均值) 与AC/DC转换器的输入电压V IN (有效值)呈线性关系,适合测量40~400Hz的正弦波电压,测量准确度优于±1%。
对半波整流而言,正弦波电压有效值与平均值的关系为
V RMS =2. 22V O (3-7)
这就要求电路的电压放大倍数必须大于2.22倍,才能调整的余量。电路中的R 35为AR1同相端的输入电阻。R 36与R 37是负反馈电阻,可将AR1偏置在线性放大区,并且控制运放的增益。为了提高AC/DC转换器的输入阻抗,降低输入信号的衰减,AR1接成同相放大器,其电压放大倍数由下式确定:
K =1+R 36+R 37 (3-8) R 35
现取R 36=R 37=100k Ω,R 35亦取100k Ω,代入式3-8中可得到K=3>2.22(倍)。显然符号设计要求。
尽管AR1属于低漂移运放,但考虑到AC/DC转换器的输入电压很弱,即使失调电压很低,也会造成测量误差。为此需增加隔直电容C 7、C 9,不让直流成分(包括AR1的失调电压)进入整流滤波电路。
在正半周期时D 15导通,D 14截止,AR1的输出电流途径C 9→D 15→R 38→R 40→
,并经过R 39对C 10进行充电。负半周时D 14导通,D 15截止,电RP 3→地(COM 端)
流途径地→RP 1。此时C 10缓慢地放电,放电时间常数3→R 40→D 14→C 9→AR
,故可认为C 10两τ=r IN C 10。r IN 是MC14433的输入电阻,因其阻值极高(1010Ω)
端的电压维持不变。
由R 39和C 10组成的平滑滤波器可滤除交流纹波,高频干扰信号则由R 41、C 11构成的高频滤波器滤掉,从而获得稳定的平均值电压V 0。
RP3是交流电压的校准电位器。调整RP3可使整个AC/DC转换器的电压放大系数为2.22倍,令仪表直接显示出被测电压的有效值。
D 14在电路中起保护作用。负半周时D 14为反向电流提供通路。C 6是运放的频率补偿电容。R 36和C 8还为D 13提供一个适合的偏置电压,以减小AC/DC转换器对小信号进行放大时的波形失真。
3.3 直流电流转换成直流电压电路的设计
多量程直流电流测量电路设计是根据欧姆定律,用合适的分流电阻把待测电流转换为相应的电压,再进行测量。
图3-4 电流测量原理 图3-5 多量程直流电流测量电路
原理图如图3-4所示,由于r>>R,分流电阻R 上的电压降为U i =RI i ,即被测电流I i =U i 。若数字表头的电压量程为U 0,欲使电流档量程为I 0,则该档的分流R
电阻为R =U 0。图3-5所示的为直流电流测量电路。 I 0
3.4 电阻转换成直流电压电路的设计
早期数字仪表采用恒流法测量电阻,通过恒流源和精密运算放大器实现电阻/电压(Ω/V)转换,因此电路较复杂,成本高。比例法是测量电阻的一种新方法,很容易将被测电阻R x 值转换成输入电压U IN ,实现Ω/V转换。比例法的优点是电路简单、测量准确度高,成本低。
比例法测量电阻的原理如图3-6所示。被测电阻R x 与标准电阻R 0串联后接在U REF +与IN -之间。有关系式:
U R U IN R
=X =X (3-9) U REF U R 0R 0
即
R x =
通常情况下:
U IN
R 0 (3-10) U REF
N =1000⨯
U IN R
=1000⨯x (3-11) U REF R 0
这表明显示值仅取决于R x 与R 0的比值,故称之为比例法。当R x =R 0,即
U REF +=U IN 时,仪表显示值应为1000。 当R x =0.5R 0,即U REF +=2U IN 时,仪表显示值应为500。
ZD
图3-6 比例法测量电阻原理图 图3-7多量程电阻测量电路
以200Ω电子档为例,取R 0=100Ω,代入式(3-9)中得到:
N=10R x (Ω) (3-12) 将小数点定在十位即可直接读结果。
当R 0=1⨯10n (n 为倍率,n=1,2,3,...7)时,仍可直接读结果,此时
N=R x (Ω) (3-13)
式中的R x 单位可根据n 值和小数点位置分别取Ω、k Ω、M Ω。
电阻测量电路如图3-7所示,4个电阻量程依次为2k Ω,20k Ω,200k Ω和2M Ω。 由上分析可知:
R 1=20k Ω
R 2=200k -20k =180k ΩR 3=2000k -200k =1. 8M ΩR 4=2Mk -2000k =18M Ω3.5 数字电压表电路的设计
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。系统设计原理框图如图2-1所示, 各部分的功能如下:
1
a) 3位A/D转换器:将输入的模拟信号转换成数字信号。
2
b) 7段译码驱动器及位驱动器:驱动LED 显示器显示。
1
c) 3位共阴极LED 显示器:将译码器输出的七段信号进行数字显示,读出
2
A/D转换结果。
d) 超量程闪烁报警电路:当仪表超量程时,LED 显示器以闪烁状态进行报警。 e) 基准电压源:提供精密电压,供A/D转换器作参考电压。 f) AC/DC转换器:将交流信号转换为直流信号。 g) 功能及量程开关电路:手动转换量程。 h) 自动量程电路:自动转换量程。
i) 恒流源:恒定电流通过待测电阻,从而在待测电阻两端形成电压降,将此电压降送入A/D转换器进行测量。
j) ±6V 稳压电源:为整个电路进行供电。
11
本系统是3位数字电压表,3位是指十进制数0000~1999,所谓3位是指个
22
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。 3.5.1 A/D转换器MC14433
1
MC14433是美国摩托罗拉(Motorola )公司生产的CMOS 单片3位A/D转换
2
器,也是目前国内外普遍采用的一种芯片。
MC14433型A/D转换器具有下列特点:
1
a) 采用CMOS 工艺制成的3位A/D转换器,转换准确度为±0.05%±1个字(相
2
当于11位二进制数) 。
b) 电压量程有两档:200mV 、2V 。最大显示值分别为199.9 mV和1.999V 。在满量程情况下,正、反向积分的时间相等,即T 1=T 2=4000T 0,因此,基准电压与量程之间成1:1的关系,有公式:
V REF =V M (3-14)
c) 具有自动调零和自动转换极性之功能。
d) 芯片内部设有时钟震荡器,使用时仅需外接一只振荡电阻,亦可采用外 时钟输入方式。时钟频率范围大约是48kHz ~160 kHz。
e) 有多路调制的BCD 码输出,可直接配微型计算机或打印机。 f) 能获得超量程、欠量程信号,便于实现自动转换量程。 g) 能增加读数保持功能。
h) 采用动态扫描显示方式。通常选共阴极LED 显示器,但是改变外部的段、位驱动方式后,亦可采用以驱动液晶显示器(LCD )或荧光数码管显示器(VFD )。
i) 工作电压范围是±4.5~±8V 。一般选典型值±5V ,工作电流小于2mA (不包括显示器),功耗约8mV 。
MC14433采用24脚双列直插式封装(DIP-40),管脚排列顺序如图3-8所示。各管脚的功能如下:
图3-8 MC14433引脚图
V DD —正电源端,一般接+5V。
V AG —输入信号的公共端,简称模拟地。
V SS —各输出信号(Q 0~Q 3,DS 1~DS 2,OR ,EOC ,但不包括CL 0)的公共地;此端接V AG 时输出电平变化范围是V AG ~V DD ,接V EE ~V DD 。
V EE —负电源端,通常接-5V ;V EE 主要作为内部模拟电路的负电源,其负载电流约0.8mA 。
V I —模拟电压输入端,输入电压为V IN 。 V REF —外接基准电压端。
R 1、R 1/C 1、C 1—外接积分元件端。 C 01、C 02—外接自动调零电容。
DU —实时输出控制端,亦称数据更新端。若在双积分第5阶段开始之前从DU 端输入一个正脉冲,则本次A/D转换结果就依次通过锁存器和多路选择开关输出。否则,输出端仍保持锁存器中原有数据不变。使用中若将DU 与EOC 端相连,则每次A/D转换的结果都被输出。若将DU 端接V SS ,即可实现读数保持。
CL 1、CL 0—分别为时钟脉冲输入、输出端,二者之间接上振荡电阻R C 即
可产生时钟信号。
EOC —A/D转换结束标志输出端,每个A/D转换周期结束时此端输出一个正脉冲。
。 OR —超量程信号输出端,超量程时OR =0(负逻辑)
DS 1~DS 4—多路调制位选通信号输出端,其中DS 1为千位,DS 4为个位。 Q 0~Q 3—BCD 码输出端。
数据输出
Q 0
Q 1Q 2Q 3
V EE V SS V DD
DU
EOC
R 1R 1/C 1C 2
1
C 1
C 01
C 0
C 02
图3-9 MC14433的原理框图
MC14433的原理框图如图3-9所示。主要包括模拟电路(A/D转换器)、数字电路两大部分。
a) A/D转换器工作原理
A/D转换器电路由缓冲器A 1、积分器A 2、比较器A 3、积分电阻R 1、积分电容C 1、自动调零电容C 0以及模拟开关S 1~S 4所组成。图3-10示出其等效电路,A 1是将运算放大器接成电压跟随器,以提高A/D转换器的输入阻抗。A 2与R 1、C 1构成积分器。A 3的输出还作为内部数字电路(控制逻辑)的一个控制信号。
为消除A 1~A 3产生的失调电压ΔV OS 并且提高转换准确度,还增加了自动调零电
路。其中缓冲器和积分器采用模拟调零方式,比较器则采用数字调零方式。在模拟调零阶段,将缓冲器和积分器的失调电压存放在自动调零电容C 0上。比较器的失调电压则以数字形式存放在锁存器中。这样在对输入电压进行A/D转换时,就能自动扣除失调电压,获得精确的测量结果。
去控制逻辑
V V IN
图3-10 A/D转换器的电路原理
b) 数字电路
11
MC14433的数字电路主要包括时钟振荡器、3位十进制计数器(其中位实
22
际是D 触发器,只能计0和1)、锁存器、多路选择开关、控制逻辑、极性检测器
和超量程指示器。芯片内部没有译码器,使用时必须外接段译码驱动电路,才能驱动共阴极LED 显示器。
时钟振荡电路如图3-11所示,外接电阻R 18取360k Ω,时钟频率f 0≈100kHz 。仪表测量速率MR =f 0/16400=100kHz /16400≈6次/s 。位扫描频率f 1=f 0/80≈ 1. 25kHz 。R 16、R 17均为积分电阻,C 4是积分电容,C 5为自动调零电容。现将转换周期结束标志输出端(EOC )与实时输出控制端(DU )短接,以保证A/D转换能够连续进行。
图3-11 时钟振荡电路
1
3位十进制计数器由三级十进制计数器和一个D 触发器组成。在反向积分时2
间内对时钟脉冲进行计数,计数范围是0~1999。锁存器用来存放A/D转换的结果。
控制逻辑的作用是适时发出控制信号,根据输入信号的极性来接通相应的模拟开
1
关,按照顺序来完成每次A/D转换工作,并在反向积分过程令3位十进制计数器
2
计数。
3.5.2 七路达林顿驱动器阵列MC1413
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3-12所示,它采用16引脚的双列直插式封装。
12345678
16
[1**********]09
图3-12 MC1413引脚图
3.5.3 七段译码驱动器CD4511
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。
[1**********]514
131211109
图3-13 CD4511引脚图
CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器,引脚排列如图3-13所示。
BI :4脚是消隐输入控制端,当BI=0 时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。
LT :3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0 时,译码输出全为1,不管输入 DCBA 状态如何,七段均发亮,显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。
LE :锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为BCD 码输入端。
a 、b 、c 、d 、e 、f 、g :为译码输出端,输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻,在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 3.5.4 高精度低漂移能隙基准电压源MC1403
本次设计的数字万用表的基准电源电路见图3-14所示。使用的是MC1403 能隙基准电压源,C2为输出端的消噪电容。基准电压分压器共设计了两套:由R 10~
可输出基准电压V REF =200. 0mV , RP R 12和RP R 13~1构成的分压器,1为调整电位器;
V ,RP 2亦是调整电位器。 R 15和RP 2组成的分压器能获得V REF =2. 000
MC1403是美国Motorola 公司生产的低漂移、用激光修正的能带间隙式基准电压源。该产品分3档,电压温度系数最低为10ppm/℃。国产的型号为5G1403、CH1403。
MC1403采用DIP-8封装,管脚排列如图3-15(a )所示。其输入电压范围是4.5~15V ,输出电压的典型值为2.5V 。为便于配8P 插座,MC1403上专门设置5个空脚(NC)。
图3-14基准电压源电路
1234
876
5
(a ) (b )
(a )管脚排列 (b )电路符号 (c )简化电路
图3-15 MC1403的管脚排列及电路
R R
(c )
C —比例系数;
T —热力学温度;
k —波尔兹曼常数,k=8.63×10-5eV/K; q —电子电量,q=e;
A e 1、A e 2—分别为内部晶体管T 1、T 2的发射极周长,设计的A e 2:A e 1=8:1. 选择合适的电阻比,可使式(3-15)中的第二项与第三项之和恰好等于零,实现零温漂。
实取(R 3+R 4) /R 4=2. 08,则V 0=2. 08⨯1. 205=2. 5V 。
0=+2. 5V
图3-16 MC1403的典型接法
MC1403的典型接法如图3-16所示。输出端接1kΩ电位器,用以调整输出的基准电压值。C 是消噪电容,根据情况亦可省去。实测MC1403的输入—输出特性见表3-1。由表可见,当输入电压从10V 变化到4.5V 时,MC1403的输出电压只变
-0. 0001
⨯100%=-0. 0018%
化了0.0001V ,相对变化率为
10-4. 5
3.5.5 显示器
为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据,目前广泛使用了七段字符显示器,或称作七段数码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。本次设计所采用的是4个半导体数码管。
图3-17 八段数码管引脚图
这种数码管的每个线段都是一个发光二极管(Light Emitting Diode,简称LED) ,因而也把它叫做LED 数码管或LED 七段显示器。
在一些数码管中还在右下角处增设了一个小数点,形成了所谓八段数码管,如图3-17所示。此外,为了增加使用的灵活性,同一规格的数码管一般都有共阴极和共阳极两种类型可供选用。本次设计所采用的是共阴极数码管。 3.6 量程自动切换电路的设计
+K 1
200mV 最低量程(LSD )
K 2
2V
K 3
20V
K 4
200V
K 5
1000V 最高量程(MSD )
图3-18 自动转换量程电路
图3-18是具有五个量程自动转换量程电路。其设计思想是:利用MC14433的超量程信号OR 来控制双向移位寄存器CD40194右移(升量程)或左移(降量程),移位寄存器的输出信号Q A ~Q D 再经过四异或门CD4070译码,扩展到五个量程控制信号V K 1~V K 5,最后分别通过复合管去驱动固态继电器,切换仪表输入端的电阻分压器电路。
MC14433是在位选通信号DS 1的选通期间,利用Q 0~Q 3输出最高位(千位,即1/2位)上的数据0或1来表示超量程、欠量程信号和极性信号。此时是用Q 0的电平表示量程是否合适,用Q 3的电平代表千位的数据。有以下几种情况:
a) Q 0=0,说明输入的模拟电压在正常的范围之内,即V IN =0.180~1.999V,此时OR =1。
b) Q 0=1,Q 3=0,说明V IN >1.999V,仪表超量程,此时OR =0。 c) Q 0=1,Q 3=1,说明V IN
双向移位寄存器CD40194的移位方向由OR 控制,而实现移位的时钟脉冲(简称移位脉冲,属于正向脉冲)CP 则由EOC 、DS 1、DS 2、Q 0组合而成。OR 信号和反相后得到的OR 信号,分别接CD40194的S 2、S 1端。超量程时Q 0=1,Q 3=0,
,由于控制端S 2=0,S 1=1,使CD40194可以向右移位(升量程)。OR =0(OR=1)
欠量程时Q 0=1,Q 3=1,OR =1(OR=0),由于控制端S 2=1,S 1=10,使CD40194
可以向左移位(降量程)。
移位脉冲由D 触发器CD4013和与门CD4073产生。CD4013的CP 端、R 端分别接MC14433的EOC 端和DS 2端。CD4013的Q 端以及MC14433的DS 1、Q 0端分别接与门Y 的输入端。当一次测量周期结束时,从EOC 端发出的正脉冲将触发器置1,Q=1。当选通信号DS 2来到时,其上升沿又将触发器置0,直到下一个EOC 脉冲来到为止。
EOC DS 1
DS 2Q 0
触发器Q 端
移位脉冲
图3-19 产生移位脉冲的时序波形
时序波形如图3-19所示。由图可见,在每个测量周期里,从触发器Q 端输出一个脉冲宽度与DS 1相等的正向脉冲。此信号再和DS 1、Q 0相“与”,只要V IN 超过额定的0.180~1.999V范围,与门Y 就输出一个移位脉冲,令CD40194按照OR (OR )已规定好的方向移动一位。如果移位后输入电压V IN 在正常范围内,因Q 0=0,与门就不能产生移位脉冲,尽管OR =1,也不起作用。若第一次移位之后Q 0仍为高电平,则与门Y 就输出第二个移位脉冲,继续移位。移位电路的真值表见表3-2。需要注意的是当移位寄存器已经移到最高量程(最低量程)时,即使再有移位脉冲也不能够移位了。
3.6.1 量程转换电路
本次设计量程转换电路详见附录1,电路主要包括功能选择开关S 1(S 1a ~S 1h ),交流/直流选择开关S 2(S 2a 、S 2b ),精密分压器(R 1~
R 4),分流器(R 5~R 8),8路CMOS 模拟开关,4只微型继电器(J 1c ~J 4c ,常开触点依次为J 1~J 4)。量程控制信号(A~E)使相应的模拟开关接通,选择最佳量程;另一方面还经过达林顿驱动器MC1413使微型继电器吸合,同时切换小数点的位置。由于MC14433具有两个基本量程:200mV 、2V ,因此分压电阻只需要4只。在每个分流电阻上还并有正、反向接法的二极管各一只,作过压保护。上述电路的工作原理是将被测输入电压、电流、电阻 ,一律转换为0~2V的电压信号,以满足A/D转换器的测量需要。
量程转换的功能详见表3-3~表3-5。表中的I 代表功能,当I=0(或I =1)时进入电压、电阻测量模式;I=1时转入电流测量模式。
3.6.2 小数点显示电路
根据表3-3~表3-5所列条件,推导出小数点亮、暗状态的逻辑表达式:
DP 1=E (3-16) DP 2=E +I ∙A (3-17)
DP 3=C (3-18) DP 4=B +I ∙A (3-19)
式中,当某个逻辑表达式为“1” DP DP 4为最高小数点。1对应于最低位小数点,
时,相应的小数点发光。利用CMOS 门电路能直接驱动小数点。
单位符号显示电路如图3-20所示。电路由量程开关S19、发光二极LED 1~LED 5
组成,R 27~R 31是发光二极管的限流电阻。
图3-20 单位符号显示电路
3.6.3 超量程闪烁报警电路
在测量中因为我们可能不知道所测量的大小,我们可能会出现所选量程会超出测量的范围。所以在电路设计中增加了超量程闪烁报警电路,如图3-21所示。
图3-21中利用双D 触发器CD4013的一半作二分频,另一半可用于自动转换量程电路中。OR 作触发器复零信号,EOC 作时钟脉冲。设MC14433的时钟频率f 0=50kHz ,则EOC 脉冲的频率f EO C =f 0/16400≈3Hz ,即A/D转换速率为3次/s。
当输入电压未超过量程范围时,OR =1,将触发器置零,Q =BI =1,显示器正常工作。一旦超出量程,周期T=0.67s。OR =0,f EOC 经过二分频变成f=1.5Hz的方波,
这样,BI 端就加上交替变化的高、低电平,LED 显示器以1.5Hz 的低频进行闪烁,以示报警。
需要说明的是不能把EOC 信号直接接到CD4511的BI 端,来实现上述功能,这是因为EOC 信号属于窄脉冲,其脉冲宽度t =T 0/2,占空比D =1/(16400⨯2) →0,因此不可能观察到闪烁现象。利用D 触发器可将上述窄脉冲变成方波(D=50%),并且频率降低一半(二分频),更便于观察。
图3-21 超量程闪烁报警电路
3.6.4 双向移位寄存器CD40194
移位寄存器是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。CD40194/CC40194是一个4位双向移位寄存器, 最高时钟脉冲为36MHz ,其引脚排列如图3-22所示。其中:D 0~D 3为并行输入端;Q 0~Q 3为并行输出端;S R 为右移串引输入端;S L 为左移串引输入端;D SR 、D SL 为操作模式控制端;MR 为直接无条件清零端;CP 为时钟脉冲输入端。CD40194模式控制及状态输出如表3-6所示。
图3-22 CD40194引脚图
3.6.5 四输入异或门CD4070
CD4070是一块四输入异或门集成电路,其真值表如表3-7所示,图3-23为其引脚图。
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[1**********]
图3-23 CD4070引脚图
异或门的工作原理是:当异或门A 、B 两个输入端上的信号V A 、V B 相同时,Y 端输出低电平;当A 、B 两个输入端上的信号不同时,Y 端输出高电平。 3.6.6 双上升沿D 触发器CD4013
CD4013是CMOS 双D 触发器,其管脚排列如图3-24所示,内部有两个完全相同的D 触发器FF 1和FF 2。图中,D 为数据输入端,CP 为时钟脉冲输入端,Q 和Q 为一对互补的输出端,S
为置位端,R 为复位端,V DD 和V SS 分别为电源正负端。
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[1**********]8
图3-24 CD4013顶视图
CD4013的功能如表3-8所示,由表可见,当R=S=0时,在CP 上升沿作用下,Q 端状态与D 端状态相同,即Q n +1=D,也就是将D 端数据置入触发器。当R=0,S=1时,Q=1;当R=1,S=0时,Q=0,称为直接置1和置0,无需CP 和D 配合。
CD4013有四种基本方式,即数据锁存方式,单稳态工作方式,无稳态工作方
式及双稳态工作方式。在本次设计中所采用的是数据锁存方式。
图3-25为CD4013数据锁存工作方式,也是它的基本功能。由图可见,在CP 作用后,D 端数据被锁存到Q 端。若将多个D 触发器组合可构成多位数据锁存器或寄存器。
图3-25 CD4013数据锁存工作方式
3.7 稳压电源的设计
TM
200V
~
图3-26 ±6V 稳压电源电路
稳压电源的电路如图3-26所示。为获得±6V 对称输出的两路稳压电源,现将三
端集成稳压器7806(正压输出)与7906(负压输出)搭配使用,可同时输出正压和负压,并且二者公用一套整流滤波电路。图中,TM 为220V/8V×2V 的电源变压器。全波整流桥选用PM104型(1A/50V)。C1是滤波电容,C2和C3可以进一步减小纹波,C4、C5能改善负载的瞬态响应,D 是保护二极管。
4结束语
本次设计的数字万用表电路详见附录1,电路可分为功能及量程开关电路、AC/DC转换器、A/D转换器、自动量程电路、超量程闪烁报警电路、基准电压源、段译码驱动器、位驱动器以及LED 显示器部分。功能及量程开关电路选择测量信
号相应的电压、电流、电阻量程开关(如测量交流时,则还需接入AC/DC转换器将交流信号转换为直流信号),之后将采集的信号一律转换为0~2V 的直流电压值送到A/D转换器MC14433,转换为数字信号后,将此数字信号送至段、位译码驱动器变成BCD 码,再由LED 显示器显示出来。基准电压源是提供精密电压,供A/D转换器作参考电压,自动量程电路可以自动选择相应的量程并控制着对应小数点的明暗,从而使LED 显示器显示出不同量程的读数。由于操作过程中可能会有超量程现象,所以在设计中添加了超量程报警部分,当检测到超量程信号时, LED 显示器闪烁,以示报警。
通过以上各部分电路的设计可以达到本设计所提出的要求,即以MC14433 A/D
1
转换器为核心构成的3位数字万用表,实现对直流电压0~2000V、交流电压
2
0~2000V、直流电流0~2A、电阻0~2M 的测量。
早期的万用表都是指针式的,精度低,而本次设计的万用表是直接以数字形式显示出来,精度高,其内部直接控制,不需要编程。在设计的时候考虑到在测量中有超出所选量程,故在设计的时添加了超量程报警部分,当检测到超量程信号时, LED 显示器闪烁,以示报警。这一设计不仅保证了数据的准确性,还符合了使用者读数的习惯,也保护了器件的寿命。由于布线的复杂,零件的繁多,焊接困难,故没有做出实物。
参考文献
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致 谢
时间过的好快,转眼间都到了我们离校的时刻了。随着毕业设计的完成,这也将意味着这个最美好、最快乐的大学时光也即将结束,也意味着我们将要靠我们自己的双手独自到外面的大千世界去闯荡出属于自己的一片天地。
经过几个月的努力,毕业设计也基本完成。在此我要特别感谢我们的指导老师,在做毕业设计的时候老师对我们的要求很严格,要求我们不断完善。可能一开始的时候我们有点不大习惯,但现在看来,正是因为老师对我们的严格要求,才能更好的完成我们的毕业设计。所以毕业设计的顺利完成与老师的帮助是密不可分的。 同时由于自己能力的有限,在完成过程中会遇到各种各样的问题,但在老师和同学们的帮助下,我不仅克服了各种难题,也积累了宝贵的经验。在此我要向他们致以深深的敬意和最真挚的谢意!
在此我要特别感谢母校对我四年来的教育和关心,在这里我不仅学到了丰富的专业知识,还学到了很多做人处事的道理,使我明确了以后的发展方向,树立了良好的价值观和人生观,这一切都让我受益终身。
附 录
附录1:数字万用表电路原理图 附录2:数字万用表电路PCB 图
附录1:数字万用表电路原理图
附录2:数字万用表电路PCB 图