测控电路实验报告
测控电路实验设计报告
班级: 姓名:刘宏广学号:
04级测控一班 04170119
电压测量模块的设计
一、 实验目的
应用测量电路课程有关理论设计一个简单的电压测量模块——数字电压表。在实践中提高学生对测控电路的设计能力,掌握数字电压表的结构和原理,熟悉调试的基本方法和技能。
二、 设计要求
设计一个数字电压表,基本性能满足如下要求: 1、 输入基本量程:0―――±2Vdc, 2、 精度:0.05%FS 3、 测量速率>2次/秒 4、 具有极性显示,溢出报警 5、 显示器件可用LED数码管 6、 具有较强的常模干扰抑制能力
三、 实验步骤
1、 了解数字电压表的工作原理 2、 按要求设计电路图
3、 深入了解主芯片及所有芯片、器件的性能参数 4、 在面包板上完成电路图的设计(器件排列合理整洁) 5、 调试,故障排除(常规仪器的使用) 6、 指示考核(操作,答辩)
四、 实验原理
1 、MC14433芯片的介绍
双积分式ADC的品种很多,常用十进制码输出的,3位半ADC有
CH7106系列和MC14433,表1列出了MC14433的性能和参数。它是CMOS电路,功耗很小。
MC14433的输入为单端双极性。单端指的是输入模拟信号的一端必须为模拟地(模拟量公共点)。双极性指信号可正可负。MC14433自动调零,自动极性输出,自动量程控制信号输出,动态字位扫描BCD码输出,需外接基准电压(1v),基准电压也是单端的。 2、MC14433的工作原理和内部结构
MC14433在接好线并通电之后便不停地进行A/D转换,约每16400T完成一次A/D转换并输出转换结果。A/D转换周期共分为三个阶段,一是调零阶段,固定为To=1000T,二是输入信号积分阶段,固定为T1=4000T,其余时间为反积分阶段T2。输入信号越大则T2也越大。如图1所示。在整个A/D转换周期中锁存器不断输出数据。虽然MC14433一直在不断进行A/D转换,但并非每次转换结果都进入锁存器,只有在DU加一个正脉冲,才用刚转换完毕的结果更新锁存器的内容。因此为了使读出的总是最新结果,一般把EOC引脚和DU引脚相连。
表1
图1 双积分原理图
图2是MC14433的内部结构示意图和电原理图。图中Rr,R1,C1,C0是外接元件,其余为内部电路。
MC14433内部有时钟电路,只要外接电阻Rr,内部时钟就可正常工作。图中的线性电路包括模拟开关、极性选择、积分电路和比较器。
MC14433是三位半ADC,千位只能输出1和0,其余可输出0--9的任一个。锁存器用于锁存A/D转换结果。多路选择用分时输出四个BCD码。溢出电路用于判别是否有溢出,如有溢出则输出溢出信号。极性判别电路用于判别输入极性的正负,从而向锁存器送信号,使输出结果反映极性。
图2 MC14433的内部结构示意图和电原理图
3、 MC14433的管脚功能和排列图
图3是MC14433的管脚图。各管脚的功能和参数说明如下:
图3 MC14433的管脚图
VAG:模拟地,各电压以此为基准
VRF:基准电压输入管脚。若VRS=2V,则VFF=2V,若VFS=200mv,则
VRF=200mv。 VOD:电源正端,+5V VEE:电源负端,-5V
VSS:电源负端,应保证VDD-3≧VSS≧VEE.一般VSS与VAG相连。当
VFS为200mv时,为保证误差小,较好的值为VDD=+6V,VEE=-6V EOC:转换周期结束标志。每次转换结束,在EOC脚输出一个宽为半个
时钟周期的正脉冲 VI:模拟信号输入脚。VI的范围为0v――±VRF
OR:溢出标志,若∣VI∣>VRF,则OR=0,表示溢出。反之,OR=1 R1,R1/C1,C1:积分电阻R1和积分电容C1接线脚。R1接于引脚R1与
R1/C1间,C1接于引脚R1/C1与C1间 R1和C1的取值为R1C1≥4000︱VI︱/[fcp(VDD-VFD-0.5)]。
fcp为时钟频率。若取fcp=82KHz,VDD=5V,VFS=VRF=2V,Vi的最大值为2V,算得R1C1=0.039。若取C1=0.068uF,则R1=470K
CLKI,CLK0: 时钟输入输出端。若采用内部时钟源,在CLKI为时钟脉冲输入端,CLKI的电压基准为VEE,CLK0为时钟输出端。若采用内部,Rr与fcp间的关系可查曲线。查曲线知,若Rr=270K,则fcp=82KHz,若取Rr=200K,则fcp=147KHz
C01,C02:外接失调电容C0接线端。一般取C0=0.1Uf,以供自动调零。 DU:实时输出控制段。把一个正脉冲送至DU,则本次转换周期的转换结果可送入锁存器输出,否则锁存器保持原来的转换结果。若DU端与EOC相连,则每次转换结果都可以输出。 DS1,DS2,DS3,DS4:位输出选通信号
Q3,Q2,Q1,Q0:BCD码输出相应位,Q3为最高位,Q0为最低位,高电平为1,低电平为0
图4为MC14433输出的时序图。当在EOC脚出现一个正脉冲后便顺序从DS1---DS4出现正脉冲,在Q3—Q0出现相应的十进制位的BCD码。例如,当认为高电平时,Q3---Q0为十进制百位BCD码,以此类推。当DS2---DS4高时,Q3---Q0为相应位的BCD码。但当DS1为高时,Q3---Q0的值的不同组合有不同的含义,如表2所示。由表可见:
图4 MC14433输出的时序图
Q3:表示千位的值。若Q3=1则千位为0,反之为1
Q2:表示输入模拟电压的极性,若Q2=1,则输入为正,反之为负 Q0=1:说明被测电压在量程之外,也就是说或者过量程或者欠量程。 Q0=Q3=1说明欠量程。可用于仪表自动量程的切换。用OR=0作为过量程的指示,控制方便。
表2
4、 精密基准电源MC1403
A / D转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于 A / D转换器的精度。本实验采用MC1403集成精密稳压源作参考电压,
MC1403的输出电压为 2.5V,当输入电压在4.5~15V 范围内变化时,输出电压的变化不超过3mV,一般只有0.6mV左右,输出最大电流为10mA。
MC1403引脚排列见图5。
图5 MC1403引脚排列图
5、 七路达林顿晶体管列阵MC1413
MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构,因此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电路结构和引脚排列如图6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6 MC1413电路结构和引脚排列图
6、 CMOS BCD七段译码/驱动器MC4511
本实验采用MC4511驱动共阴极LED数码管,其电路结构和引脚排列如图7所示。
图7 MC4511电路结构和引脚排列图
A、B、C、D — BCD码输入端
a、b、c、d、e、f、g — 译码输出端,输出“1”有效,用来驱动共阴极LED数码
管。
LT — 测试输入端,LT=“0”时,译码输出全为“1”
BI — 消隐输入端,BI=“0”时,译码输出全为“0”
LE — 锁定端,LE=“1”时译码器处于锁定(保持)状态,译码输出保持在LE=0时的数值,LE=0为正常译码。
五、实验内容
电路连接图按图8所示组装并调试好一台三位半直流数字电压表,实验时应一步步地进行。
(1)将5只数码管插入面包板上,将后4个数码管同名笔划段与显示译码的相应输出端连在一起,其中最高位只要将b、c二笔划段接入电路,左边第五个数码管显示极性,只要g笔划段与三极管相连,但暂不插所有的芯片,用芯片插座定位,按图8接好连线。
(2) 插好芯片MC4511,MC1413和MC14433,注意芯片的开口与连线的对应关系。
(3) 调节电源使电源输出为5V,接通+5V,-5V电源(先接好地线),用标准数字电压表检查输出是否为2.5V,然后调整20KΩ电位器,使其输出电压为2.00V左右,调整结束后去掉电源线。
(4) 将MC4511的3号端口接地,调节电源使电源输出为5V,接通+5V,-5V电源(先接好地线),观察数码显示管是否正常,若显示为“1888”,则说明数码管显示正常,可进行下一步操作。
(5) 将MC4511的3号端口重新接电源,将输入端接地,接通+5V,-5V电源和地,此时显示器将显示“0000”值,如果不是,应检测电源正负电压。用标准电压表或用数字万用表检查DS1—DS4,Q3—Q0的电压,判别故障所在。 (6) 用标准数字电压表(或用数字万用表代)测量一节干电池的电压,正向测一次,反向测一次,记录下这两个数值。
(7) 用被调电压表测量同一节干电池,也是正向测一次,反向测一次,记录下这两个数值。
(8) 第七步和第六步所得的数值不一样,则调节3296电位器,使被调电路显示的数值与标准电压表测得的数值接近,在误差允许的范围内,即相差±0.001V。记录下此时的数码管显示的数值和MC14433芯片2号端口的电压值。 (9)用被调电路测量两节干电池串联的电压,观察溢出报警。可以观察到数码管将会消隐。
至此一个测量范围在±1.999的三位半数字直流电压表调试成功。
图8 电路连接图
六、 实验数据
实验所得的数据如表3所示
表3 数据结果
七、 注意事项
1.注意合理布局器件的位置,不要将连接线跨过芯片。建议将数码管的同名端连接起来后连接到相应的驱动端,这样布线比较清楚,整洁。
2.安装芯片时,注意开口的位置,切忌不要装反,防止损坏芯片。
3.接入电源时,应先调节电源到5V后在接到电路板上,防止损坏芯片。
八、 心得体会
通过对接线图认真分析,了解各个器件的原理和结构,认真学习掌握了电压表的原理。根据事先设计的电路图的接线分析,精简合理布局和排线,尽量使面包板整齐美观。
拿到芯片后,第一次调试时心情紧张,怕由于接线错误接通电源后烧毁芯片,对接线进行再次检查,发现译码器5号引脚漏接地,确定无误后开始调试。打开电源,LED显示不正确,确定接线正确后经分析发现误看了所参考的接线图,译码器3和16脚连通接+5V电源。之后,LED显示基本符合要求但LED显示不稳定,可能是由于线路连接松动,最后调试滑动变阻器至电压表精确。
在实验中提高了我对测控电路的设计能力,基本掌握数字电压表的结构和原理,熟悉了调试的基本方法和技能。