直流数学电压表的设计与制作(C题)
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1、青海省第四届大学生电子设计竞赛设计报告编号：20130431题目：C直流数学电压表的设计与制作（C题）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。而直流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。 数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，由电阻网络（量程调整）、直流放大（运放组成）、电压极性判断、A/D转换、数码（液晶）显示等部分组成。该表由于采用了微处理器和脉冲调宽模数转换技术，自动校零，数字模拟等技术，从而赋予本表极其稳定的零位和良好的线性和抗干扰能力，采用LED显示。本设计给出基于MC14
2、433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MC14433位半AD转换器、基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管等部分组成。 直流数字电压表具有如下特点：1显示清晰直观，读数准确；2准确度高；3分辨率高；4测量范围宽；5扩展能力强；6集成度高，功耗低；7抗干扰能力强。关键词：直流数学电压表 AD转换器MC14433 MC1403 目录摘要.1关键字.11. 系统设计.31.1 设计要求.3 1.1.1基本要求.3 1.1.2发挥部分.3 1.1.3说明.31.2 总体设计思路
3、与方案选择.31.2.1设计方案及原理.3 1.2.2方案比较及可行性分析 .42. 理论分析与计算.52.1电路衰减电路.52.2 A/D电路采样速率.52.3 超限报警电路.63. 电路硬件设计.63.1 电压衰减电路模块.6 3.2 基准电压模块与稳压电源模块. 73.3 A/D电路模块.8 3.4 字形译码驱动电路模块.83.5 显示电路模块.8 3.6 超限报警模块.84. 软件设计.9 4.1软件设计与硬件设计的关系.9 4.2稳压电源模块仿真结果.94.3 超限报警电路模块仿真结果.105. 数字电压表的安装调试.105.1 数码显示部分的组装与调试.105.2 标准电压源的连接
4、和调整.10 5.3 总装测试的方法与步骤.10 5.4 超限报警功能的测试.10 5.5 测定设计制作数字电压表的误差等级.106结论.11参考文献.11附录一 元器件清单.12附录二、芯片管脚图.13附录三：完整电路结构图.14附录四：完整电路仿真图.151.系统设计1.1 设计要求1.11基本要求（1）测量范围：10mV2V（2）量程：200mV，2V（3）显示范围：十进制数01999 （4）测量分辨率：1mV（2V档）（5）测量误差：±1（6）采样速率： 2次/秒（7）输入电阻：1MW（8）自制稳压电源。1.1.2发挥部分（1）测量范围：5mV10V（2）量程：200mV，2
5、V，10V（3）测量分辨率：0.1mV（2V档）（4）测量误差：±0. 5（5）具有自动校零功能（6）超限报警功能1.1.3说明设计报告正文应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图和主要的测试结果。完整的电路原理图和完整的测试结果可用附件给出。1.2总体设计思路与方案选择1.2.1设计方案及原理方案选择：根据设计要求和功能的实现，我们考虑了如下三个方案：（1）方案一基于MC14433的数字电压表方案一框图如下：方案一基于MC14433的数字电压表此方案是对电压量进行测试并显示的数字电路。对于交流可以采用桥式整流，通过电阻分压，再用放大器放大，把平均值转换为有效值，最后输送给双积
6、分型A/D转换器MC14433 Vx测试输入端。再通过CD4511七段锁存/译码器送到LED显示，成电压的测试。MC14433基准电压VREF可由恒压源提供,芯片本身有两个量程200MV、200mA此时对应电阻为470K、27 K。（2） 方案二CC7107数字电压表方案二原理框图如下：方案二CC7107数字电压表该方案把直流电压和交流电压转换电路直接同芯片CC7107连接组成，CC7107是CMOS 3 1/2位单片双积分式A/D转换器，它有极大的优点，它将模拟部分的如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字部分如振荡器、计数器、锁存器、译码器、驱动器、和控制器、逻辑电
7、路全部集成在一个芯片上。使用时只需接少量的电阻、电容和显示器件，就可以完成模拟量到数字量的转换。 （3）方案三MSC7106 TST106方案三原理框图如下：方案三MSC7106 TST106采用MSC7106型单片3 1/2位AC/DC转换器，配字高12、5mm（折合0.5英寸）LED显示器；通过TST106双积分A/D转换器驱动3位半LCD显示器做动态扫描显示。1.2.2方案比较及可行性分析方案一主要采用MC14433、CD4511作为显示部分，而且外围器件比较简单，只需电阻和电容即可。另外MC14433的抗干扰能力较强，需只在输入端增加一级RC高频滤波器，由R1、R2、C构成T型滤波器，
8、有两个作用：消除外界噪声干扰，提高仪表的信噪比；通过R1、R2起到限流作用，防止因输入信号电流过大而损坏芯片。MC14433本身功耗就很低，而且采用动态扫描每一刻只有一个数码管在亮这又省四分之一的电。采用本电路接线简单原理易明白，只需按原理把硬件电路接好就可以实现数字万用表的功能，无需软件上的编程，技术上易懂，即使是非专业人员也可以进行安装、调试、检修，而且器件价格合适，采购方便，为专业制作万用表的芯片。成本低，推广起来易实施。方案二主要采用CC7107，本芯片简单易实施，而且集A/D转换器、译码器、锁存器于一身，只需把个接线接到对应的接口就可以实现数字的显示，不过它采用全程扫描不是很省电。并
9、且本芯片可以组成数字称、狮子温度计、数字压力计、数字式水平仪等具有体积小、重量轻等数字仪表上。另外CC7107配有专门的小数点驱动信号，也可以显示负号、工作电压过低等信号。采用本方案接线简单，但所需接线5数量较多，因为它是对数码管的每一根脚进行控制，不过本芯片价格稍贵点，但只需一个芯片。方案三电路整体简单，能达到设计测量电压的目的，但与方案一和方案二相比所用器件较贵，性价比降低且电路稳定性差。MC14433与CC7107的区别比较见下表：项目MC14433CC7107转换速率310次/s0.115次/s输入阻抗1000M10000M基准电压2000V（200mV量程）1000V（100mV量程
10、）2000V（2V量程）1000V（1V量程）封装形式DIP-24DIP-40电源电压双电源供电，电源电压范围是+4.5V+8V。一般取典型值+5V单电源供电，电源电压范围是715V，典型值为9V显示器共阴极LED显示器LCD显示器显示方式动态扫描方式，驱动线少静态显示，驱动线多显示特点亮度高，亮暗对比度大，显示清晰，色彩绚丽，寿命长，功耗高亮度低，亮暗对比度小，寿命短，微功耗输出功能具有BCD码输出，可配计算机进行数据处理，自动控制自动打印结果无BCD码输出，不能配计算机或打印机外围电路需配基准电源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂外围电路简单，只需5个电阻和5个电容经过方案比较之后，由于
11、MC14433具有功耗低，外接元件少，输入阻抗高，电源电压范围宽，可测量正负电压值，精度高，调试简单等特点，且具有自动调零和自动极性转换功能。我们决定采用方案一。2.理论分析与计算2.1电路衰减电路要使量程为200mv，2v，10v,采用三个电阻串联分压设计，总电阻值为100K，当开关S1闭合时，为最小量程200MV；当开关S2闭合时，其量程为2V ,则(R2+R3)/100K=0.2/2；当开关S3闭合时，其量程为10V ,则R3/100K=0.2/1O，两式联理解得R2=8K,R3=2K,总电阻为100K,从而算出R1=90K。 2.2 A/D电路采样速率MC14433是双斜率双积分A/D
