课程设计
简易直流数字电压表
设计题目： 简易直流数字电压表 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 08级 学 号： ************ * *： ***
目 录
引言·······························································1 1 设计目的和要求···············································3
1.1 设计目的························································3 1.2 设计内容及要求··················································3
2 数字电压表的基本原理·········································3
2.1 数字电压表组成电路··············································3 2.2 系统功能························································4
3 元器件的介绍··················································5
13.1 3A/D转换器MC14433的介绍·····································5
23.2 MC14433引脚功能说明···········································8 3.3 七段锁存—译码—驱动器MC4511的介绍···························10 3.4 七路达林顿驱动器阵列MC1413的介绍·····························12 3.5 高精度低漂移能隙基准电源MC1403的介绍························12
4 课程设计调试的要点··········································12
4.1 电路调试·······················································12 4.2 功能调试·······················································13
5 课程设计器材和供参考选择的元器件··························13 6 课程设计报告结论············································13 6.1 按设计内容要求整理实验数据及调试中的波形·······················14
6.2 画出设计内容中的电路图、接线图·································15 6.3 总结设计数字电压表的体会·······································15
引言
传统的模拟式（即指针式）电压表已有100多年的发展史，虽然不断改进与完善，仍无法满足现代电子测量的需要，数字电压表自1952年问世以来，显示强大的生命力，现已成为在电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。
数字电压表简称DVM（Digital Voltmeter），它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。智能化数字电压表则是最大规模集成电路（LSI）、数显技术、计算机技术、自动测试技术（ATE）的结晶。一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、A/D转换器、控制逻辑电路、计数器（或寄存器）、显示器，以及电源电路等级部分组成，如下图1-1所示：
图1-1 直流数字电压表的基本方框图
其中A/D转换器是数字电压表的核心，ux表示其输入。它的数字输出可由打印机记录，也可以送入计算机进行数据处理。数字电压表与指针式电压表相比具有以下特点：
（1）显示清晰、直观、读数准确
传统的模拟式电压表必须借助指针和刻度盘进行读数。在读书过程中不可避 免地会引入人为的测量误差（例如视差），并且还容易造成视觉疲劳，数字电压表则采用了先进的数显技术，使显示结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的，不仅保证了读书的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读书和记录的时间。 （2） 显示位数多
位数是表征数字电压表性能的一个最基本的参量。数字电压表显示位数通常1111231为2位~8位。具体讲，有2位、3位、3位、3位、3位、4位、4位、
22234221111315位、5位、6位、6位、7位、8位共14种。国外最近还推出8位和10222242位数字仪表。
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（3）准确度高
数字电压表的准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它便是测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小，一般讲准确度愈高，测量误差愈小，反之亦然。
数字电压表的准确度远优于模拟式电压表，后者的准确度只有7个等级：0.1、
10.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。而普通的3位数字电压表的准确度就可已达到0.1%。
2（4）分辨率高
分辨率是数字电压表能够显示的被测电压的最小变化值，也就是使显示器末
1位跳一个字所需的输入电压值，通常用百分数表示。3位DVM的分辨率为
210.05%，这是符合要求的准确度。 1999（5）测量范围宽
多量程数字电压比通常可测0~1000V的直流电压，配上高压探头还可以测量几千伏乃至上万伏的高压。 （6）扩展能力强
在数字电压表的基础上，还可以扩展成各种专用及通用数字仪表、数字多用表。
（7）测量速度快
数字电压表在每秒内对被测量电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。
1它主要取决于A/D转换器的转换速率。3位DVM的测量速度一般在10次/S以
2下。目前，数字电压表的最高测量速率已达到10万次/S。 （8）输入阻抗高
数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10M~10000M，最高可到
104M。这样在测量时从北测量点路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源
的工作状态，由此可减小由信号源内阻带来的附加误差。 （9）集成度高，微功耗
新型的数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。 （10）抗干扰能力强
数字电压表的内部干扰有漂移及噪声，外部干扰有串模干扰及共模干扰。经过数字滤波和浮地保护等技术，数字电压表具有很高的抗干扰能力。
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1. 设计目的和要求
数字电压表的基本原理，是对直流电压进行模数转换，其结果用数字直接显示出来，按其基本工作原理可以分为积分式和比较式两大类。 1.1 设计目的
（1）掌握数字电压表的设计、组装与调试方法。
（2）熟悉集成电路MC14433、MC1413、MC4511和MC1403的使用方法，
并掌握其工作原理。
1.2 设计内容及要求
（1）设计数字电压表电路。
（2）测量范围：直流电压0V~1.999V，0V~19.99V，0V~199.9V，0V~1999V。
1（3）组装调试3位数字电压表。
2（4）画出数字电压表电路原理图，写出总结报告。 （5） 选作内容：自动切换量程。
2. 数字电压表的基本原理
2.1 数字电压表组成电路
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的数学系
1统。该系统（如图1-2所示）可由MC14433—3位A/D转换器、MC1413七路
2达林顿驱动器阵列、MC4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。
1图1-2 3位数字电压表图
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2.2 系统功能
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
22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。
各部分的功能如下：
1（1）3A/D转换器：将输入的模拟量信号转换成数字信号
2（2）基准电源：提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。 （3）译码器：将二-十进制（BCD）码转换成七段信号。
（4）驱动器：驱动显示的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，推动发光数
码器（LED）进行显示。 （5） 显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。
工作过程如下： 13数字电压表通过位选信号DS1~DS4进行动态扫描显示，由于MC14433 2电路的A/D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换的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输出多路调制选通脉冲信号，DS选通脉冲为高电平，则表示对应的数
位被选通，此时该位数据在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（MSD），DS4则对应最高位（LSD）。在对应DS2，
DS3和DS4选通期间，Q0~Q3输出BCD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0或1及过量程、欠量程和极性标志信号。
在位选信号DS1选通期间Q0~Q3的输出内容如下：
Q3表示千位数，Q3=“0”代表千位数的数字显示为1，Q3=“1”代表千位
数的数字显示为0。Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为“1”，表示极性为正，即VX0，Q2的电平为“0”表示极性为负，即VX0。显示数的负号（负电压）由MC1413中的一只晶体管控制，符号位的“—”阴极与千位数阴极接在一起，当输入信号VX为负电压时，Q2端输出置“0”，Q2负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻RM使显示器的“—”（即g段）点亮；当输入信号VX为正电压时,Q24
端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“—”旁路而熄灭。
小数点显示的是由正电源通过限流电阻RDP供点燃亮小数点。若量程不同则选通对应的小数点。
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。
Q3\"0\"当时，表示VX处于过量程状态。 Q0\"1\"Q3\"1\"当时，表示VX处于欠量程状态。
Q\"1\"0当OR=0时，VX1999，则溢出。VXVR，则OR输出低电平。 当OR=1时，表示VXVR。平时OR为高电平，表示被测量在量程内。 MC14433的OR端与MC4511的消隐端BI直接相连，当VX超出量程范围时，则OR输出低电平，即OR=0BI=0，MC4511译码器输出全为0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。
3. 元器件的介绍
3.1 3A/D转换器—MC14433的介绍
1在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗3双积分式A/D转换器。
2MC14433电路总框图如图1-3所示。由图1-2可知，MC1433A/D转化器主要由模
1拟部分和数字部分组成。使用时主要外接两个电阻和两个电容就能执行3位的
2A/D转换器。
（1） 模拟部分：图1-4为MC14433内部模拟电路的工作原理示意图。其
12中共有3个运算放大器A1，A2，A3和10多个电子模拟开关，A1接成电压跟随器，以提高A/D转换器的输入阻抗，由于A1采用CMOS电路，因此输入阻抗可达100M以上。A2和外接的R1、C1构成一个积分放大器，完成V/T即电压-时间的转换。A3接成电压比较器，主要功能是完成“0”电平检出，由输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定输出是“1”还是“0”。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号。电容器C0为自动调零失调补偿电容。
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图1-3 MC14433电路总框图
图1-4 模拟电路工作原理示意图
（2） 数字部分：包括图1-3中除“模拟部分”以外的部分。其中四位十进
1制计数器为3位BCD码计数器，对反积分时间进行计数（0~1999），并送到数
21据寄存器；数据寄存器为3位十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数
2信号（DU）作用下，锁定和存储A/D转换结果；多路选择开关，从高位到低位逐位输出多路调制BCD码Q0~Q3，并输出相应位的多路宣统脉冲标志信号
DS1~DS4；控制逻辑，这是A/D转换的指挥中心，统一控制各部分电路的工作，
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它是根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换6个阶段的开关转换和定时转换信号，以及过量程等功能标志信号，在对基准电压VR进行积分时，令4位计数器开始计数，完成A/D转换，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈R-C多谢振荡器，一般外接电阻为360k时，振荡频率则为100kHz，当外接电阻为470k时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750k时，振荡频率则为50kHz。若采用外时钟频率，则不要外接电阻，外部时钟频率信号从CLKI（○10）端输入，时钟脉冲CP信号可从CLKO（○11）获得；极性检测，显示输入电压VX的正负极性；过载指示（溢出），当输入电压VX超出量程范围时，输出过量程标志OR。
MC14433A/D转换器是双斜积分，采用电压-时间间隔（V/T）方式，通过先后对被测电压模拟量VX和基准电压VR两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔内的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。
双积分过程可以由下面的式子表示： V01VX1t2VdtT1 （1） Xt1R1C1R1C1VR1t3V02VdtTX （2） RR1C1t2R1C1因V01V02，故有：
VXTXVR（3） T1
式中，T14000TCP。T1是定时间，TX为变时间，由R1、C1确定斜率，若用时钟脉冲N来表示时间TX，则被测电压就换成了相应的脉冲数，实现了A/D转换。
那么如何选择积分回路元件R1、C1的参数值呢？
积分电阻电容的选择应根据实际条件而定，若时钟频率为66kHz，C1一般取0.1F ，R1的选取与量程有关，量程为2V时，取R1＝470k；量程为200mV时，取R1＝27k。
选取R1和C1的计算公式如下：
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R1VX(max)T （4）
C1VC式中，VC 为积分电容上充电电压幅度，
VC＝VDD－
VX(max)－V
1fCLKV0.5V T4000×
例如，假定C1=0.1F，VDD5V，fCLK=66kHz。当VXmax2V时，代入式（4），
1可得R1480K，取R1470k。3A/D转换器设计了自动调零线路，其中缓
2冲期和积分器采用模拟调零方式。而比较器采用数字调零方式。在自动调零时，
把缓冲期和积分器的失调电压存放在一个失调补偿电容C0上，而比较器的失调电压用数字形式存放在内部的寄存器中，A/D转换系统自动扣除电容上和寄存器中的失调电压，就可得到精确地转换结果。
A/D转换器周期约需16000个时钟脉冲，若时钟频率为48kHz，则每秒可转换3次，若时钟频率为86kHz，则每秒可转换4次。
3.2 MC14433引脚功能说明
MC14433采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图1-5所示，各引脚功能说明如下：
图1-5 MC14433引脚图
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○1端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压VX和基准电压VR的
接入地。
○2端：VR，基准电压端，是外接基准电压输入端，若此端加一个大于5个
时钟周期的负脉冲（VEE电平），则系统复位到转换周期的起点。
○3端：VX，是被测电压输入端。 ○4端：R1，外接积分电阻端。
○5端：R1C1，外接积分元件电阻和电容的接点。 ○6端：C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。
○7端和○8端：C01和C02，外接失调补偿电容端。推荐该两端外接失调补偿电
容C0取0.1F。
○9端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电
周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果，若该端通过一电阻和EOC短接，则每次转换的结果都将被输出。
10端：CLKI，时钟信号输入端。 ○
11端：CLKO，时钟信号输出端。 ○
12端：VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分○
的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。
13端：VSS，负电源端。 ○
14端：EOC，转换周期结束标志输出端，每一A/D转换周期结束，EOC端○
输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的1/2。 15端：OR，过量程标志输出端，当VXVR时，OR输出低电平，正常量程○
内OR为高电平。
16端～○○19端：对应为DS4~DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、
百位和千位输出端。当SD端输出高电平时，表示此刻Q0~Q3输出的BCD代码是该对应位上的数据。
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20端～○○23端：对应为Q0~Q3，分别是A/D转换结果数据输出BCD代码的对
低位（LSD），次低位，次高位和最高位输出端。
24端：VDD，整个电路的正电源端。 ○
3.3 七段锁存—译码—驱动器MC4511的介绍
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，它由四位闩锁（锁存器）、七段译码器电路和驱动器三部分组成，如图1-6所示：
图1-6 MC4511功能图
（1）四位闩锁（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LATCH ENABLE）控制下起闩锁电路的功能作用。
当LE=“1”时，闩锁器处于锁存状态，四位闩锁封锁输入，此时它的输出为 前一次LE=“0”时输入的BCD码；当LE=“0”时，闩锁处于选通状态，输出即为输入的代码。
由此可见，利用LE端的控制作用可以讲某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。
（2）七段译码电路：将来自四位闩锁输出的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。
1LT（LAMPTEST）灯测试端。当LT=“0”时，七段译码器输出全为“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。
2BI（BLANKING）消隐端。当BI=“0”时，控制译码器为全“0”输出，○
发光数码管各段全亮显示；当BI=“1”时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。
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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。
MC4511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。
MC4511采用16引线双列直插式封装.
其真值表见2-1所示：
表2-1 MC4511真值表
注明：“*”表示取决于原来LE=0时的BCD码
使用MC4511时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需要外接限流电阻。
3.4 七路达林顿驱动器阵列MC1413的介绍
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1-8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。
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图1-8 MC1413引脚和电路内部结构图 图1-9 MC1403引脚图
3.5 高精度低漂移能隙基准电源MC1403的介绍
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躁声小；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V03mV；④输出电压值准确度较高，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采用8引线双列直插标准封装，如上图1-9所示。
4. 课程设计调试的要点
4.1 电路调试
（1）在电路上加电源电压。VDD＝+5V，VEE＝-5V。
（2）用示波器观察MC14433的11 脚fCLK时钟频率。调整电阻R2使其等于
66kHz。
（3）采用稳压电源，调整其输出电压为1.999V或199mV，以此作为模拟量输入信号VX，此值需用标准数字电压表监视，然后调整基准电压VR的电位器，使LED显示量为1.999V或199 mV，此时将电位器值固定好。
（4）观察MC14433第6脚处的积分波形。调整电阻R1值使VX为1.999V或199 mV时，积分器输出既不饱和，又能得到最大不失真的摆幅。 4.2 功能调试
（1）检查自动调零功能。当MC14433的端口VX与VAG短路或VX端没有信号输入时，LED显示器应显示0000。
（2）检查超量程溢出功能。调节VX值，当VX为2V（或VX＞VR）时，观
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察LED发光数码管是否有闪烁显示告警作用，此时OR端应为低电平。
（3）检查自动极性转换功能。将+1.990V和-1.990V先后加到VX端，两次读数之差为翻转误差，根据MOTOROLA公司规定，正负极性转换时允许个位有±1个字的误差。
（4）测试线性度误差。将输入信号VX从0V增大到1.999V，输出几个采样值，其VX值用标准数字电压表监视。然后与LED显示数值相比较，其最大偏差为线性误差。
（5）将信号电压VX极性变反，重复步骤（4）。
（6）当MC14433的9脚与14脚直接相连时，观察是否有EOC信号。当DU端置0时，观察LED显示数字是否锁存。
（7）调试分压器，检查各量程是否准确。
____5. 课程设计器材和供参考选择的元器件
表2-2 元器件 元器件的名称 数目 1套 1块 1套 各1把 1片 1片 1片 1片 1片 1片 1片 4片 数字电压表组装套件一套 万用表一块 焊接工具 无感起子、十字起子 MC14433 CD4511 MC1403 CC4051 74LS194 LM324 LM324 七段显示器 电阻、电容、导线等 若干
6. 课程设计报告结论
6.1 按设计内容要求整理实验数据及调试中的波形
1MC14433是3位的双积分式 A/D转换器，转换速度每秒1～10次，量程
2为1.999V或199.9mV，以 BCD码的形式输出，其中，DS1~DS4多路选通脉冲
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输出，DS1为千位，DS4为个位，其输出选通脉冲时序图如下图1-10：
图1-10 MC14433输出选通脉冲时序图
在控制逻辑电路的控制下，实现一次转换的过程如下，如图1-11所示：
图1-11 双斜积分式A/D转换
6.2 画出设计内容中的电路图，接线图
在Multisim平台上对该电路进行仿真时，发现该软件不完美，找不到所需要的元件，如MC14433。这里展示的一份由 ICL7106 A/D 转换电路组成的数字电压表(数字面板表)电路，如图1-12所示
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图1-12 ICL7106 A/D 转换电路组成的数字电压表电路
6.3 总结设计数字电压表的体会
（1）数字电压表的具体应用电路是有很多种的，只要掌握了一些最基本的应用，就可以举一反三地、越来越熟练地按照自己的构思，得心应手地设计好数字电压表电路。
（2）尽管数字电压表的输入阻抗可以达到上1000兆欧姆，但是，这个阻抗仅仅是对输入信号而言的，与通常电力系统泛称的“绝缘电阻”有着天壤之别。因此，千万不能把高于芯片供电电压的任何电压输入到电路中，以免造成损失或者危险。
（3）数字电压表属于一种测量工具，其本身的好坏直接影响到测量结果，因此，上面所有例子中，其使用的电阻要求精度均不能低于1%，在分流、分压和标准电阻链中，最好能够使用0.5%或者0.1%精度的电阻。
（4）不要在电路没有加上工作电源之前就加上信号，这很容易损坏芯片。断掉工作电源前也必须先把信号撤掉。
（5）数字电压表(数字面板表)的使用和扩展应用，还必须很好阅读产品供货商提供的说明书，千万不要急于送电使用它。
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