三位半数字万用表课程设计

课程设计报告

课程名称：题目名称: 3学 院：专 业：班 级：学 号：学生姓名：指导教师：职 称：成 绩:

2015

电子技术综合课程设计 位半数字万用表设计 电气工程学院 电子信息工程 电子 131 ********** *** 高级实验师

年7 月 12日

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前言

本次课程设计主要是通过自己的努力，独自完成一个三位半数字万用表的设

计。这次课程设计通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法，对模拟电路和数字电路的复习巩固和应用实践，以达到灵活应用的目的。

学生需要通过图书馆查阅资料和图书或上网查询资料，认识和了解三位半数字万用表的工作原理和构造，并自己完成三种不同的方案的设计，来实现三位半数字万用表功能。然后将一种设计的电路进行安装、调试，实现并完成自己的设计方案。

通过方案设计和实验过程，使学生通过查阅文献资料，提高分析，解决问题的能力。提高学生电子电路技能及仪器的使用能力、撰写课程设计总结报告的能力。

培养学生的创新能力和思维能力，了解电子产品的研制开发过程，掌握电子电路的安装和调试方法和故障排除方法。

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目录

第一章：系统概述 -----------------------------------------------------------------------------1 1.1 主要内容-------------------------------------------------------------------------1 1.2方案设计与论证-----------------------------------------------------------------2 第二章：单元电路设计于分析----------------------------------------------------------------4 2.1 器件-------------------------------------------------------------------------------4 2.2单元电路--------------------------------------------------------------------------4 2.2.1 MC14433-------------------------------------------------------------------4 2.2.2 CD4511---------------------------------------------------------------------7 2.2.3 MC1413--------------------------------------------------------------------8 2.2.4 MC1403--------------------------------------------------------------------9 2.2.5 量程选择电路------------------------------------------------------------9 2.2.6 单相桥式整流滤波电路----------------------------------------------10 第三章：电路的安装与调试介绍 ---------------------------------------------------------11 3.1 数码显示部位的组装与调试-------------------------------------------------11 3.2电路连接及测试-----------------------------------------------------------------11 第四章：结束语---------------------------------------------------------------------------------12 附录一：元件表- -------------------------------------------------------------------------------13 附录二：电路图--------------------------------------------------------------------------------16 附录三：参考文献 ----------------------------------------------------------------------------17

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三位半数字万用表

第一章 系统概述

1.1主要内容

1、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字万用表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能框图，描述其功能。

说明：采用原理、方案、方法不限，可以自行设计。

2、其中对将要实验方案3位半位数字万用表方案 ，须采用中、小规模集成电路、MC 14433A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工作原理，计算出参数，设计出电原理图。

3、技术指标：

（1）测量直流电压200mv；2V；20V；200V;1000V； 测量交流电压2V；20V；200V;750V （2）测量直流电流2MA；20MA；200MA；20A； 测量交流电流2MA；20MA；200MA；20A； （3）电阻：200 、2K、20K、200K、2M、20M （4）电容；200nF、20nF、2nF 20μF、2μF （5）三位半数字显示。

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1.2 方案设计与论证

方案一：采用双积分A/D转换器MC14433，七段译码驱动器CD4511，基准电源MC1403，反向驱动器,4只LED数码管。

图1.1 方案一

方案二：根据系统功能实现要求，决定控制系统采用AVR单片机，A/D转换采用其内置的10位AD、四个共阴极LED数码管。系统除能确保实现要求的功能外，

还可以方便地进行数据通讯上传，存储等扩展功能。原理框图如下：

基准电压 AVR单片机最小系统 七段数码管显示 量程转换 AC-DC 转换 图1.2 方案二

方案三：采用逐次逼近型A/D转换器。

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A/D转换器 基准电压输入 比较器 逐次逼近寄存器 输出 逻辑控制 时钟

方案论证：

1、MC14433具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，

2、AVR;它的内置A/D转换的精确度较低，同时在编程及调试方面比较复杂考虑到客观条件因素，放弃使用此方案。

3、逐次渐进型A/D转换器具有转换速度快，功耗低准确度高等特点。在低分辨率时价格便宜。但高于12位时价格很高，逐次渐进型A/D转换器的转换时间取决于位数，与输入信号无关，但抗干扰能力差。

综上采用 mc14433方案

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图1.3 方案三 第二章 单元电路设计与分析

2.1、器件

三位半A/D转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。 基准电压（MC1403）：提供精密电压，供A/D转换器做参考电压。 译码器（MC4511）：将二—十进制（BCD）码转换成七段信号。

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。

七段显示器：将译码输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。 七段锁存-译码-驱动器CD4511。 电阻、三极管、电容、导线等。

2.2 单元电路

2.2.1.MC14433

MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

1.精度：读数的±0.05%±1字

2.模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档 3.转换速率：2-25次/s 4.输入阻抗：大于1000MΩ

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5.输入阻抗：大于1000MΩ

6.功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值） 7.功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值）

MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。

（1）引脚功能说明：

VAG（1脚）：被测电压VX和基准电压VR的参考地。 VREF（2脚）：外接基准电压（2V或200mV）输入端 VX（3脚）：被测电压输入端

R1（4脚）、R1 ／C1（5脚）、C1（6脚）：外接积分阻容元件端

C1＝0.1μf，R1＝470KΩ；

CO1（7脚）、CO2（8脚）：外接失调补偿电容端，典型值0.1μf。

DU（9脚）：实时显示控制输入端。若与EOC（14脚）端连接，则每次A / D转换均显示。

CP1 （10脚）、CP0 （11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为470KΩ。CP1~CP0端外接电阻R9＝330 kΩ，采样速率约为4次／s。

VEE（12脚）：电路的电源负端，接－5V。

VSS（13脚）：除CP外所有输入端的低电平基准（通常与1脚连接）。 EOC（14脚）：转换周期结束标记输出端，每一次A/D转换周期结束，EOC 输出一个正脉冲，宽度为时钟周期的二分之一。

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图2.1 mc14433引脚图 OR（15脚）：过量程标志输出端，当｜VX｜＞VR 时，OR输出为低电平。 DS4～DS1 （16～19脚）：多路选通脉冲输入端，DS1对应于千位，DS2 对应于百位，DS3 对应于十位，DS4对应于个位。

Q0～Q3 （20～23脚）：BCD码数据输出端，DS2、DS3、DS4选通脉冲期间，输出三位完整的十进制数，在DS1选通脉冲期间，输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。

（2）工作原理：

三位半数字电压表通过位选信号DS1~DS4进行动态扫描显示，由MC14433电路的A/D转换结果采用BCD码多路调制方法输出，通过译码器译码，将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。DS1~DS4输出多路调制脉冲信号。DS选通脉冲高电平，则表示对应的数位被选通，此时该数据在Q0~Q3端输出。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和DS4。其中DS1对应最高位，DS4则对应最低位。在对应DS2、DS3和DS4选通期间，Q0~Q3输出BCD码全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0~9。在DS1选通期间，Q0~Q3输出千位的半位数。或1及过量程、欠量程和极性标志信号。

过量程是当输入电压Vx超过量程范围时，输出过量程标志信号/OR。 当Q3=0，Q0=1时，表示Vx处于过量程状态。 当Q3=1，Q0=1时，表示Vx属于欠量程状态。

当OR=0时，|Vx|>1999，则溢出；|Vx|>Vr，则OR输出低电平。

当OR=1时，表示|Vx|- 6 -

2.2.2七段锁存-译码-驱动器CD4511

CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。

(1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。

当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；

当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。

由此可见，利用LE 端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。

(2) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端：

① LT (LAMP TEST)灯测试端。当LT = 0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT = 1时，译码器输出状态由BI端控制。

② BI (BLANKING)消隐端。当BI = 0时，控制译码器为全0输出，发光数码管各段熄灭。BI = 1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。

上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。

(3) 驱动器：利用内部设置的NPN 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。

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图2.2 cd4511引脚图 CD4511电源电压VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配见右图，真值表参见下图。 使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。

输入 LE X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 BI’ LT’ X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 D X X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 X X C X X 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 X B X X 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 X A X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 X a 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 b 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 c 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 d 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 锁存 输出 e 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 f 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 g 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 显示字形 8 消隐 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 锁存

2.2.3．七路达林顿驱动器阵列MC1413

图 2.3 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

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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OC0门)。MC1413电路结构和引脚如图3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续流二极管。

本电路采用三极管代替七路达林顿驱动器阵列MC1413。 2.2.4．高精度低漂移能隙基准电源MC1403 MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关．该电路的特点是：

① 温度系数小； ② 噪声小；

③ 输入电压范围大，稳定性能好,当输入电压从 +4．5V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；

④输出电压值准确度较高，y。值在2.475V～2.525V 以内； ⑤ 压差小，适用于低压电源；

⑥ 负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。 MC1403用引线双列直插标准封装，如右图所示。 2.2.5．量程选择电路

如左图中四个电阻串联分压设计，总电阻值为10MΩ，当开关S1闭合时，为最小量程2V；当开关S2闭合时，衰减10倍，其量程为20V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V；当开关S3闭合时，衰减100倍，其量程为200V。

图2.5 量程选择电路 图 2.4 mc1403 通过电阻对不通电压进行不同的分压，从而得到固定范围内

的相对较小的电压输入至MC14433进行模数转换，输出至数字显示器上。

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2.2.6.单相桥式整流滤波电路

电路为单向桥式整流电路，适用于大电压的整流。电路TR为电流变压器，它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的电压V2=Sinwt，四支整流二极管D1~D4接成电桥的形式。

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图2.6 单相桥式整流滤波电路 第三章 电路的安装与调试介绍

3.1、 数码显示部分的组装与调试；

(1) 实际实验中采用4个8段数码管，将千位数码管bc并联作为千位1，g作为符号显示。Mc1413用NPN三极管与电阻搭接的反相器替代。

(2) 先将4个数码管插入试验箱IC座，插好芯片MC4511与三极管反相器，将输入端与逻辑电平试验箱相连。

(3) 调节实验箱逻辑电平高低检查译码显示是否正常。如果所有4位数码管显示正常，则说明显示部分工作正常。

3.2电路连接及测试

(1) 插好芯片MC14433，接电路全图接好全部线路。

(2) 将输入端接地，接通电源，此时显示器将显示000，如果不是，应检测电源正负电压。用示波器测量DS1～DS4 ，Q0～Q3的波形，判别MC14433是否工作。

(3) 用电阻、电位器构成一个简单的输入电压调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。

(4) 用实验台数字电压表测量输入电压，调节电位器，使输入电压为1.000V，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。

(5) 改变输入电压，使其为－1.000V，检查“－”是否显示。

(6) 在+1.999V～0～－1.999V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。

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第四章 结束语

通过为期两个星期的课程设计，我受益匪浅。

当老师布置好任务并让我们完成时，我认为这是一个不可能完成的任务。我对这个实验毫无头绪，甚至对一些元器件都不了解，不知道要去做什么。但通过查询资料和老师的帮助，我对这些元器件有了一定的认识。了解了三位半数字万用表的工作原理和电路，并通过查询资料完成了三个方案的设计。最终通过实验，实现并完成了设计。

这次课程设计让我认识到了自己的很多不足，我们不仅要通过课本学习知识，还要学习课本之外的知识，学习掌握各种技能和知识。

学会了如何分析问题、解决问题。比如上网查询资料和对word的使用和熟悉。学无止境，我们要无止境的学习，对学过的知识加强认识，才能更熟练的运用。加强理论与实践的结合，才能更好的运用知识，增加自己的动手能力。多对自己学习的知识进行总结和积累，不断提高自己的知识水平和能力。

这次课程设计让我深深地体会到了我的不足之处和应该努力的方向。知道了我应该做什么和应该怎么做。

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附录一

序号 名称 三位半A/D转换器 型号 MC14433 参数 数量 1 备注 将输入的模拟信号转换成数字信号。 基准电压 MC1403 1 提供精密电压，供A/D转换器做参考电压。 译码器 MC4511 1 将二—十进制（BCD）码转换成七段信号。 驱动器 MC1413 1 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。 器 七段显示 4 将译码输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结- 13 -

果 七段锁存-译码-驱动器

CD4511 1 555 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 - 14 -

1Ω 90Ω 100Ω 900Ω 9k 2k 10k 900k 90k 9k 1k 1.2k 2.2k 2.7k 47k 22k 100k 220k 2 2 1 10 1 1 5 4 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 器 器 器 器 器

电阻 电阻 电阻 电阻 二极管 电容 电容 电容 电容 单刀开关 三极管 滑动变阻 470k 1m 2M 750 0.1μv 47μ 100μ 104μ 200 2 2 1 1 4 4 1 4 1 9 5 1 滑动变阻 1k 1 滑动变阻 10k 2 滑动变阻 100k 1 滑动变阻 1m 1 - 15 -

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参考文献

（1）阎石. 数字电子技术基础, 第三版. 北京: 高等教育出版社, 1998, 347-351 （2）电子电路设计与实践 山东：山东科学技术出版社， 2001 （3） 康华光主编. 电子技术基础数字部分, 第四版. 北京. 高等教育出版社,1998. 371-377

（4）施金鸿.电子技术基础实验与实验教程.北京航空航天大学出版社，2007. 132-197 （5）吴政江.电子测量仪器及其应用.武汉理工大学出版社，2003. 66-95 （6） 谢自美. 电子线路设计、实验、测试, 第二版. 武汉. 华中科技大学出版社,2000. 51-56

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