数字电压表

实验十 位直流数字电压表 一、实验目的 　　1、了解双积分式A / D转换器的工作原理 　　2、熟悉 位A / D转换器CC14433的性能及其引脚功能 3、掌握用CC14433构成直流数字电压表的方法 二、实验原理 直流数字电压表的核心器件是一个间接型A / D转换器，它首先将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。 1、V－T变换型双积分A / D转换器 图10－1是双积分ADC 的控制逻辑框图。它由积分器（包括运算放大器A1 和RC积分网络）、过零比较器A2，N位二进制计数器，开关控制电路，门控电路，参考电压VR与时钟脉冲源CP组成。 图10－1 双积分ADC原理框图 转换开始前，先将计数器清零，并通过控制电路使开关 SO接通，将电容C充分放电。由于计数器进位输出QC＝0，控制电路使开关S接通vi ，模拟电压与积分器接通，同时，门G被封锁，计数器不工作。积分器输出vA线性下降，经零值比较器A2 获得一方波vC，打开门G，计数器开始计数，当输入2n 个时钟脉冲后t＝T1，各触发器输出端Dn-1～DO 由111…1回到000…0，其进位输出QC＝1，作为定时控制信号，通过控制电路将开关S转换至基准电压源－VR，积分器向相反方向积分，vA开始线性上升，计数器重新从0开始计数，直到t＝T2，vA下降到0，比较器输出的正方波结束，此时计数器中暂存二进制数字就是vi 相对应的二进制数码。 　　2、 位双积分A / D转换器CC14433的性能特点 CC14433是CMOS双积分式 位A / D转换器，它是将构成数字和模拟电路的约7700多个MOS晶体管集成在一个硅芯片上，芯片有24只引脚，采用双列直插式，其引脚排列与功能如图10－2所示。 图10－2 CC14433引脚排列 引脚功能说明： VAG（1脚）：被测电压VX和基准电压VR的参考地 VR（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（聚酯薄膜电容器），R1＝470KΩ（2V量程）； R1＝27KΩ（200mV量程）。 C01（7脚）、C02（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）、CPo （11脚）：时钟振荡外接电阻端，典型值为470KΩ。 ， VEE （12脚）：电路的电源最负端，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。 （15脚）：过量程标志输出端，当｜VX｜＞VR 时， 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。 CC14433具有自动调零，自动极性转换等功能。可测量正或负的电压值。当CP1 、CP0 端接入470KΩ 电阻时，时钟频率≈66KHz，每秒钟可进行4次A / D转换。它的使用调试简便，能与微处理机或其它数字系统兼容，广泛用于数字面板表，数字万用表，数字温度计，数字量具及遥测、遥控系统。 3、 位直流数字电压表的组成（实验线路） 线路结构如图10－3所示。 （1）​ 被测直流电压VX经A / D转换后以动态扫描形式输出，数字量输 出端Q0 Q1 Q2 Q3 上的数字信号(8421码)按照时间先后顺序输出。位选信号DS1 DS2，DS3，DS4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的公共阴极。数字信号经七段译码器CC4511译码后，驱动 四只LED数码管的各段阳极。这样就把A / D转换器按时间顺序输出的数据以 扫描形式在四只数码管上依次显示出来，由于选通重复频率较高，工作时从高位到低位以每位每次约300μS的速率循环显示。即一个4位数的显示周期是1.2ms，所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。 （2）​ 当参考电压VR＝2V 时，满量程显示1.999V；VR＝200mV时，满量 程为199.9mV。可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。 （3）​ 最高位（千位）显示时只有b、c二根线与LED数码管的b、c脚 相接，所以千位只显示1或不显示，用千位的g笔段来显示模拟量的负值（正值不显示），即由CC14433的Q2 端通过NPN晶体管9013来控制g段。 （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18－4。 （5）​ 实验中使用CMOS BCD七段译码／驱动器CC4511，参考实验六有关部分。 （6）​ 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18－5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18－4 MC1403引脚排列 图18－5 MC1413引脚排列 和电路结构图 三、实验设备及器件 　　1、 ±5V直流电源 2、 双踪示波器 3、 直流数字电压表 4、 按线路图18－3要求自拟元、器件清单 　 　四、实验内容 本实验要求按图18－3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、 数码显示部分的组装与调试 (1) 建议将4只数码管插入40P集成电路插座上，将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、g三笔划段接入电路，按图18－3接好连线，但暂不插所有的芯片，待用。 (2) 插好芯片CC4511与MC1413，并将CC4511的输入端A、B、C、D接至拨码开关对应的A、B、C、D四个插口处；将MC1413的1、2、3、4脚接至逻辑开关输出插口上。 (3) 将MC1413的2脚置“1”，1、3、4脚置“0”，接通电源，拨动码盘（按“＋”或“－”键）自0～9变化，检查数码管是否按码盘的指示值变化。 (4) 按实验原理说明3(5)项的要求，检查译码显示是否正常。 (5) 分别将MC1413的3、4、1脚单独置“1”，重复(3)的内容。 如果所有4位数码管显示正常，则去掉数字译码显示部分的电源，备用。 2、 标准电压源的连接和调整 插上MC1403基准电源，用标准数字电压表检查输出是否为2.5V，然后调整10KΩ电位器，使其输出电压为2.00V，调整结束后去掉电源线，供总装时备用。 3、 总装总调 (1) 插好芯片MC14433，接图18－3接好全部线路。 (2) 将输入端接地，接通+5V，－5V电源（先接好地线），此时显示器将显示“000”值，如果不是，应检测电源正负电压。用示波器测量、观察DS1～DS4 ，Q0～Q3 波形，判别故障所在。 (3) 用电阻、电位器构成一个简单的输入电压VX 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) 用标准数字电压表（或用数字万用表代）测量输入电压，调节电位器，使VX＝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VX极性，使Vi＝－1.000V，检查“－”是否显示，并按(4)方法校准显示值。 (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。 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。 4、 记录输入电压为±1.999，±1.500，±1.000，±0.500，0.000时（标准数字电压表的读数）被调数字电压表的显示值，列表记录之。 5、 用自制数字电压表测量正、负电源电压。如何测量，试设计扩程测量电路。 *6、若积分电容C1、C02(0.1μF)换用普通金属化纸介电容时，观察测量精度的变化。 五、实验预习要求 1、 本实验是一个综合性实验，应作好充分准备。 2、 仔细分析图18－3各部分电路的连接及其工作原理。 3、 参考电压VR 上升，显示值增大还是减少？ 4、 要使显示值保持某一时刻的读数，电路应如何改动？ 六、实验报告 1、 绘出三位半直流数字电压表的电路接线图 2、 阐明组装、调试步骤 3、 说明调试过程中遇到的问题和解决的方法 4、 组装、调试数字电压表的