數字直流電壓表的設計制作

濮 霞，胡亞剛，李 楠，陶炳坤

（軍械工程學院 河北 石家莊 050003）

數字直流電壓表的設計制作

濮 霞，胡亞剛，李 楠，陶炳坤

（軍械工程學院 河北 石家莊 050003）

給出了數字直流電壓表設計的具體電路，該電路采用純硬件實現，覆蓋內容廣泛、涉及知識點較多、難易適中，將其列入自主實驗內容，充分調動了學生學習的積極性，對提高學生工程設計能力、綜合運用各種知識分析問題、解決實際問題的能力等方面效果顯著。

數字直流電壓表；電路設計；自主實驗

高校實驗教學的主要目標是培養學生應用能力和創新能力。電類實踐課程中增加自主性實驗對培養學生綜合能力起到了重要作用[1-2]。數字電壓表設計與制作是《實驗電子學》的自主實驗之一，采用純硬件實現，涉及內容較廣，包括了A/D轉換電路、數碼管顯示電路、組合邏輯電路和時序邏輯電路以及電源電路等內容。通過設計數字直流電壓表，學生會進一步了解數字電壓表的原理和集成電路的使用方法，加深掌握模數轉換原理、邏輯電路的原理和使用方法以及數碼管顯示方法等。從而培養學生工程設計能力、自主學習能力以及解決實際問題的能力。

1 數字直流電壓表的設計指標

數字電壓表的設計采用MC14433作為A/D轉換器，直流電壓測量范圍（0～200）V，共分 4 擋即 200 mV 擋（-199～199 mV）、2 V 擋（-1.999～1.999 V）、20 V 擋（-19.99～19.99 V）、200 V 擋（-199.9～199.9 V）；具有正負電壓極性顯示，小數點顯示，實現自動量程轉換功能。

2 數字直流電壓表組成部分

數字直流電壓表是將被測模擬量轉換為數字量，并進行實時數字顯示的數字系統[3-4]。該系統由輸入電壓變換電路、A/D轉換電路、量程轉換電路、數碼管顯示電路及電源電路組成，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 數字直流電壓表組成框圖Fig.1 Schematic diagram of digital DC voltage meter

2.1 輸入電壓變換電路

輸入電壓變換電路由雙向模擬開關CD4052、運算放大器LM324等組成，如圖2所示。

圖2 輸入電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of input circuit

2.2 A/D轉換及數碼管顯示電路

本設計選用MCl4433作為A/D轉換器，MCl4433有多路調制的BCD碼輸出端和超量程信號輸出端、便于實現自動控制。Q3～Q0為轉換結果BCD碼輸出端，而輸出的數據屬于哪一位則由DS1～DS4輸出的位選通信號來選通，當某一位選通信號為高電平時，相應的位即被選通，此時該位的數據從Q3～Q0輸出；OR為超量程信號輸出端，OR=0表示被測電壓超出當前量程。當DS1輸出正脈沖時，Q3、Q2和Q0輸出的最高位（半位）數據0或1用來表示超量程、欠量程和極性標志等等。當Q3=1，Q0=1時，表示欠量程，此時OR輸出為0；當Q3=0，Q0=1時，表示超量程；Q2表示被測電壓極性，即Q2=1極性為正，Q2=0極性為負[5]。

被測直流電壓經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MC1413分別控制著千位、百位、十位和個位上的四只LED數碼管的共陰極。數字信號經七段譯碼器CD4511譯碼后，驅動LED數碼管的各段陽極。這樣就把A/D轉換器按時間順序輸出的數據以動態掃描形式在4只數碼管上依次顯示出來，另一只數碼管用來顯示負號。具體電路如圖3所示。

圖3 A/D轉換及數碼顯示電路Fig.3 A/D transformation and digital display circuit

2.3 自動量程轉換電路

根據A/D轉換器的超量程和欠量程信號控制計數器來控制CD4052從而實現模擬電壓通道的選通。控制電路可由門電路和一片雙時鐘加/減計數器CD40193構成。其作用是按輸入條件信號（過量程信號OR，欠量程信號UR，原量程信號An、Bn和換程脈沖信號CP）進行組合，產生滿足要求的量程信號 An+1、Bn+1，An+1、Bn+1必須滿足以下要求：1） 有幾檔量程就有幾種對應的不同的量程信號。在任何時刻都不允許有1個以上量程同時有效；2）過量程時量程信號應由高向低變化，已在最低量程時仍過量程，則維持最低量程不變；3）欠量程時量程信號應由低向高改變；已在最高量程時仍欠量程，則維持最高量程不變；4）量程合適時，維持原量程不變；5）每檔量程都能達到并保持[6]。

利用D觸發器CD4013提供量程切換脈沖CP，D觸發器CD4013在每次A/D轉換結束時，利用從EOC端發出的正脈沖將觸發器的Q端置1，進行量程切換。當選通信號DS2來到時，其上升沿又將觸發器置0，關閉量程切換開關，直到下一個EOC脈沖來到為止。這樣可保證每個測量周期內，只產生一次切換[7]。控制電路如圖4所示。

自動轉換量程時還要同步進行小數點切換。模擬電子開關CD4052的一半用于量程切換，另一半可用來進行小數點切換。這樣可以實現小數點切換與量程切換的同步，從而達到數字直讀的目的[8]。

圖4 自動量程轉換電路Fig.4 Automatic range-changing ciruit

2.4 電源部分

MC14433A/D轉換電路采用正負雙電源供電方式，為了實現整個電路+5 V單電源供電，可以采用ICL7660將+5 V變換-5 V，變換電路如圖5所示。

3 實踐效果及分析

圖5 +5V變換-5V電路Fig.5 Converter circuit of+5V to-5V

學生可以采用萬能板焊接完成數字直流電壓表的制作，也可以繪制PCB電路圖采用熱轉印的方法自制PCB電路板完成該電路的制作。實驗過程中，學生表現出了濃厚的興趣，紛紛表示獲益匪淺。數字直流電壓表的設計制作還可以作一些擴展實驗，例如數字交流電壓表的設計、數字電子稱的設計、電容測試儀的設計等。數字直流電壓表的設計目標明確，難度適中，實驗力求綜合所學過的知識和查閱相關文獻資料，具有較強的可操作性，經過學生自身的努力，實現了設計目標，加深了理論知識的學習，培養學生的電子線路設計與調試能力，而且還大大地激發了學生的學習熱情。

4 結束語

文中介紹了自主實驗數字直流電壓表的設計方法和詳細的設計電路，實踐證明該實驗充分發揮了自主實驗的作用，培養了學生獨立思考、獨立操作、綜合運用各種知識分析問題、解決實際問題的能力，為日后的實踐或科研工作打下了堅實的基礎。通過實踐我們深刻認識到，學生動手能力的培養只有結合實際“真刀真槍”進行，才能得到扎實的工程實踐訓練[9]。

[1]彭鵬菲，任熊偉，肖石金.實行自主研究實驗教學 培養創新型人才[J].實驗室研究與探索，2011，30（5）：107-109.

PENG Peng-fei，REN Xiong-wei，XIAO Shi-jin.Carrying out autonomousresearch experimentalteaching to cultivate innovative talents[J].Research and Exploration in Laboratory，2011，30（5）：107-109.

[2]沈忠悅，商亮節，潘小青，等.精心設計綜合性實驗 培養學時創新能力[J].實驗室研究與探索，2012，31（5）：92-94.

SHEN Zhong-yue，SHANG Liang-jie，PAN Xiao-qing，et al.Cultivating students’innovative ability by comprehensive designative experiments[J].Research and Exploration in Laboratory，2012，31（5）：92-94.

[3]謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].2版.武漢：華中理工大學出版社，2000.

[4]高吉祥.電子技術基礎實驗與課程設計[M].北京：電子工業出版社，2002.

[5]張一哲，楊曉晴.MC14433在數字溫度表中的應用[J].河北建筑工程學院學報，2002，20（3）：66-68.

ZHANG Yi-zhe，YANG Xiao-qing.The application of MC14433 in the digital temperature meter[J].Journal of Hebei Institute of Architectural Engineering，2002，20（3）：66-68.

[6]閻石.數字電子技術基礎[M].4版.北京：高等教育出版社.2001.

[7]黃利君.自動量程轉換電路設計[J].西安石油學院學報：自然科學版，2003，18（2）：63-66.

HUANG Li-jun.Automatic range-changing of digital DC voltage meter[J].Journal of Xi’an Petroleum Institute，2003，18（2）：63-66.

[8]呂向陽.數字電壓表量程的自動切換[J].實驗室研究與探索，1997（1）：66-68.

LV Xiang-yang.Automatic range-changing of digital DC voltage meter[J].Research and Exploration in Laboratory，1997（1）：66-68.

[9]文哲雄.設計性、綜合性實驗的實踐與教學方法研究[J].中國教育技術裝備，2007（7）：15-16.

WEN Zhe-xiong.Study on teaching practice and method of designed an comprehensive experiment[J].China Educational Technique&Equipment，2007（7）：15-16.

Designing and making of digital DC voltage meter

PU Xia， HU Ya-gang， LI Nan， TAO Bing-kun
（Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）

Given the specific circui of the digital DC voltage meter design，the circuit uses pure hardware implementation，It Overlay content extensive， involving knowledge more， and moderate difficulty.It is included in the independent experimental content，can arouse the students’ learning enthusiasm，improve the students’ ability of engineering design， the integrated use of various knowledge to analyze problems，and solve the actual problem ability

digital DC voltage meter； circuit design； independent experimental

TP391.9

A

1674－6236（2013）04-0113-03

2012-10-10稿件編號201210052

濮 霞（1977—），女，新疆沙灣人，碩士，講師。研究方向：電工電子實踐教學。