1. 學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經驗，掌握數字電路系統設計的基本方法、設計步驟，進一步熟悉和掌握常用數字電路元器件的應用。

2. 學習和練習在面包板上接線的方法、技術和注意事項。

3. 學習數字電路實物制作、調試、測試、故障查找和排除的方法、技巧。

4. 培養細致、認真做實驗的習慣。

5. 培養實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。

1. 說明電路的工作原理；

2. 主要單元電路和元器件參數計算、選擇、使用方法及功能；

3. 畫出總體電路圖；

4.上交完整的實習報告；

1. 基準電源：提供A/D轉換參考電壓，基準電壓的精度和穩定性是影響轉換精度的主要因素。

2. A/D電路：A/D轉換器是數字電壓表的核心部件，由它完成模擬量轉換為數字量的任務。

3. 譯碼驅動電路：將二--十進制（BCD）碼轉換成七段供LED發光管顯示信號。

4. 顯示電路：將譯碼器輸出的七段信號進行數字顯示，即A/D轉換結果。

5. 積分RC元件：通過對RC元件的選取，控制測量量程。

6. 字位驅動電路：根據A/D器上DS4～DS1端的位選信號，控制顯示部分個、十、百、千位哪一位上進行顯示。

通過A/D轉換器將輸入的模擬信號轉換成數字信號，然后進行處理。為了達到這一目的，本設計選用了具有自動調零，自動極性轉換等功能，可測量正或負的電壓值，使用調試簡單，能與微處理機或其他數字系統兼容的三位半A/D轉換器MC14433芯片。

圖4-1-1(a) 14433引腳排列

               圖4-1-1（b）MC14433原理框圖

    EOC（14腳）：轉換周期結束標記輸出端，每一次A / D轉換周期結束，                 EOC 輸出一個正脈沖，寬度為時鐘周期的二分之一。

本課程設計中采用的是MC14433芯片（如圖4-1-1（a）），它是將構成數字和模擬電路的約7700多個MOS晶體管集成在一個硅芯片上，芯片有24只引腳，采用雙列直插式。被測直流電壓V1經A/D轉換后以動態掃描形式輸出，數字量輸出端Q0、Q1、Q2、Q3上的數字信號（8421）碼按照時間先后順序輸出。位選信號DS1、DS2、DS3、DS4通過位選開關分別控制著千位、百位、十位和個位上的四只LED數碼管的公共陰極。

MC14433 A/D 電路的三位半被測數字信號都從Q0～Q3輸出，數據為BCD碼，而輸出的數據究竟是屬于哪一位則由DS1～DS4輸出，因而適合于動態掃描顯示，即以Q0～Q3作字形代碼，以DS1～DS4作字位代碼。

MC14433在每次A/D轉換結束時，在芯片的EOC端輸出一個正脈沖，并在DS1～DS4端輸出字位信號。首先在DS1端輸出字位正脈沖，而此時數據端Q0～Q3輸出最高位（半位）數據，使最高位的0或1在數字表的最高位顯示。同時輸出過量程、欠量程和極性標志信號。即Q3為0時最高位顯示1，Q3為1時最高位顯示0；Q2為1時表示被測電壓為正，反之為負。過量程標志由端輸出，為低電平表示被測電壓超出目前的量程范圍，即|VX|>VREF,而為1時，|VX|<VREF.

在DS1輸出字位正脈沖后，一次使DS2、DS3和DS4輸出正脈沖，而Q0～Q3輸出相應位的BCD碼數據。

MC14433內部具有時鐘震蕩電路，改變外接R2的大小可改變時鐘頻率，如R2取360KΩ,f=100kHz；R2為470KΩ時，f=66kHz。每個A/D轉換周期需16×103個時鐘脈沖。時鐘頻率66kHz時，每秒鐘作4次A/D變換。

電路積分元件的選取依應用條件而定，量程為2V時，R1取470KΩ；量程為200mV時，R1取27KΩ。當時鐘頻率為66kHz時，一般取C1為0.1μF。按下面的公式進行計算

R1=TVI(MAX)／△VCC1

其中，△VC=VDD-VI(MAX)-0.5V

      T=4000／f CLK

比如，當C1取0.1μF，VDD為5V，f CLK為66kHz，VI(MAX)為2V時，算得R1為480KΩ，取R1為標準值470KΩ，C0為0.1μF。

A/D轉換需要外接標準電壓源作參考電壓，標準電壓源的精度應當高于A/D轉換器的精度。本設計中采用MC1403(如圖4-2)集成精密穩壓源作為參考電壓，MC1403的輸出電壓為2.5V，當輸入電壓在4.5～15V范圍變化時，輸出電壓的變化不超過3mV，一般只有0.6mV左右，輸出最大電流為10mA。

本設計采用七路達林頓晶體管列陣MC1413（如圖4-3）來進行數碼顯示。MC1413采用NPN達林頓復合晶體管的結構，因此有很高的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成電路的輸出信號，并把電壓信號轉換成足夠大的電流信號驅動各種負載。該電路內含有7個集電極開路反相器（也稱OC門）。每一個驅動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的抑制二極管。數字信號經七段譯碼器MC4511譯碼后，驅動四只LED數碼管的各段陽極，這樣就把A/D轉換器按照是將順序輸出的數據以掃描形式在四只數碼管上一次顯示出來，由于選通重復頻率較高，工作時從高位到低位以每秒約300μS的速率循環顯示。即一個4位數的顯示周期是1.2mS，所以人的肉眼就能清晰地看到四位數碼管同時顯示三位半十進制數字量。

在A/D轉換器與數碼顯示部分還應有一個驅動電路來驅動數碼管顯示和BCD碼所對應的十進制數。本設計選用了驅動性較強的BCD-七段譯碼驅動器CC4511芯片來實現此功能。

圖4-4-1 CD4511引腳

—  測試輸入端，＝“0”時，譯碼輸出全為“1”。

              —  消隱輸入端，＝“0”時，譯碼輸出全為“0”。

LE —  鎖定端，LE＝“1”時譯碼器處于鎖定（保持）狀態，譯碼輸出保持在LE＝0時的數值，LE＝0為正常譯碼。

本設計采用CD4511BCD-7段譯碼驅動器（如圖4-4-1），有較強的驅動能力，，每筆段最大的輸出電流可達25mA。DCBA為BCD碼輸入端，輸入不同的BCD碼時，經內部譯碼，相位的筆段輸出為高電平，驅動數碼管顯示與BCD碼所對應的十進制數數字。例如DCBA=0011，則筆段a、b、c、d、g輸出為高電平，驅動數碼管顯示數字“3”。若果DCBA≥1010，所有筆段輸出為“0”電平，數碼管不顯示，為熄滅狀態。

另外3個輸入端是：,燈測試，=0時不論DCBA為何值，顯示為“8”，用于測試數碼管好壞；，消隱輸入，=0，數碼管不顯示，為熄滅狀態；LE，鎖存輸入，LE=1，鎖存上升沿時刻的狀態。

圖4-5即為數字電壓表完整的設計電路圖。

1. 將4只數碼管插入40P集成電路插座上，將4個數碼管同名筆劃段與顯示譯碼的相應輸出端連在一起，其中最高位只要將b、c、g三筆劃段接入電路。

2. 插好芯片MC4511和MC1413，并將輸入端A、B、C、D接至撥碼開關對應的A、B、C、D四個插口處；將MC1413的1、2、3、4腳接至邏輯開關輸出插口上。

3. 將MC1413的2腳置1，1、3、4腳置0，接通電源，撥動碼盤自0～9變化，檢查數碼管是否按碼盤的指示值變化。

4. 分別將MC1413的1、3、4腳單獨置1，重復（3）的內容。

插上MC1403基準電源，用標準數字電壓表檢查輸出是否為2.5V，然后調整10K電位器，使其輸出電壓為2.00V。

1. 插好芯片，結好電路。

2. 將輸入端接地，接通+5V，-5V電源（先結好地線），此時顯示器將顯示“000”值，如果不是，應檢測電源正負電壓。

3. 用電阻、電位器構成一個簡單的輸入電壓調節電路，調節電位器，4位數碼管將相應變化，然后進入下一步精調。

4. 用標準數字電壓表測量輸入電壓，調節電位器，使輸入電壓為1.000V，這時被調電路的電壓指示值不一定顯示“1.000”，應調整基準電壓源，使指示值與標準電壓表誤差個位數在8之內。

5. 改變輸入電壓極性，時其為負值，檢查“-”是否顯示，并按（4）方法校準顯示值。

6. 在+1.999V～0～-1.999V量程內再一次仔細調整使全部量程內的誤差均不超過個位數在8之內。

1.用上述方法將電路調試好

2.在A/D轉換器的VX端輸入被測電壓，并用標準電壓表監視輸入信號，讀出相應的顯示數據。

線性誤差的計算：

W=|V測-V實|／V實×100%

W1=|1.503-1.500|／1.500×100%=0.2%

W2=|0.500-0.502|／1.500×100%=0.133%

W3=|1.200-1.203|／1.500×100%=0.2%

W=(W1+W2+W3) ／3=0.178%

由于基準電壓本身也有一定的誤差，但是又因其能提供較準的2V電壓所以電壓表的誤差較小。還有其它原因，譬如電容的選擇，電阻的選擇都能影響到其性能。

首先感謝學校能為我們提供這樣一個鍛煉自己實踐設計與操作能力的機會，讓我們從中受益匪淺，受益終生。

電子技術課程設計是一次實踐性的學習，是對我們電子技術的綜合性訓練，通過進行對數字電壓表的設計、安裝和調試，我對數字電子又有了更進一步的了解，通過指導老師的指導，也解決了一些實踐操作過程中遇到的困難。通過查閱手冊和文獻資料，培養了自己獨立分析和解決實際問題的能力。

此次我們設計的數字電壓表是一個相當有實用價值的。其中也涉及到了很多芯片和電子器件，數模（A/D）轉換器MC14433，本次設計中的一個中心芯片，也是數字電壓表的核心部件，被測電壓正是通過此芯片然后轉換成數字信號,然后在加上譯碼驅動才得以在顯示電路顯示。芯片的正確選擇直接影響到設計的精確度，譬如此次我們選擇基準電壓源MC1403，由于A/D芯片的基準電壓為2.5V，而當MC1403的輸入電壓從4.5V到15V變換時，輸出電壓在2.475V到2.525V之間變換，所以可以為A/D芯片提供精準電壓，從而大大降低了誤差。

總的來說，此次數字電子課程設計還是比較成功的，收獲也比較多，通過這次數字電子課程設計鍛煉了動手能力，面對各種突發問題的應對能力，自己解決困難的能力，總之自己各方面能力都有所提高，是一筆不小的財富。

單片機數字電壓表課程設計.doc (428.5 KB, 下載次數: 107)

2018-5-9 08:30 上傳

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