數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)制作

濮 霞，胡亞剛，李 楠，陶炳坤

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003）

數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)制作

濮 霞，胡亞剛，李 楠，陶炳坤

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003）

給出了數(shù)字直流電壓表設(shè)計(jì)的具體電路，該電路采用純硬件實(shí)現(xiàn)，覆蓋內(nèi)容廣泛、涉及知識(shí)點(diǎn)較多、難易適中，將其列入自主實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，對(duì)提高學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力、綜合運(yùn)用各種知識(shí)分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力等方面效果顯著。

數(shù)字直流電壓表；電路設(shè)計(jì)；自主實(shí)驗(yàn)

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。電類實(shí)踐課程中增加自主性實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力起到了重要作用[1-2]。數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)與制作是《實(shí)驗(yàn)電子學(xué)》的自主實(shí)驗(yàn)之一，采用純硬件實(shí)現(xiàn)，涉及內(nèi)容較廣，包括了A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路、組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路以及電源電路等內(nèi)容。通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)字直流電壓表，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步了解數(shù)字電壓表的原理和集成電路的使用方法，加深掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換原理、邏輯電路的原理和使用方法以及數(shù)碼管顯示方法等。從而培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力、自主學(xué)習(xí)能力以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)指標(biāo)

數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)采用MC14433作為A/D轉(zhuǎn)換器，直流電壓測(cè)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(fù)電壓極性顯示，小數(shù)點(diǎn)顯示，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。

2 數(shù)字直流電壓表組成部分

數(shù)字直流電壓表是將被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字顯示的數(shù)字系統(tǒng)[3-4]。該系統(tǒng)由輸入電壓變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、量程轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路及電源電路組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)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(kāi)關(guān)CD4052、運(yùn)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(zhuǎn)換及數(shù)碼管顯示電路

本設(shè)計(jì)選用MCl4433作為A/D轉(zhuǎn)換器，MCl4433有多路調(diào)制的BCD碼輸出端和超量程信號(hào)輸出端、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。Q3～Q0為轉(zhuǎn)換結(jié)果BCD碼輸出端，而輸出的數(shù)據(jù)屬于哪一位則由DS1～DS4輸出的位選通信號(hào)來(lái)選通，當(dāng)某一位選通信號(hào)為高電平時(shí)，相應(yīng)的位即被選通，此時(shí)該位的數(shù)據(jù)從Q3～Q0輸出；OR為超量程信號(hào)輸出端，OR=0表示被測(cè)電壓超出當(dāng)前量程。當(dāng)DS1輸出正脈沖時(shí)，Q3、Q2和Q0輸出的最高位（半位）數(shù)據(jù)0或1用來(lái)表示超量程、欠量程和極性標(biāo)志等等。當(dāng)Q3=1，Q0=1時(shí)，表示欠量程，此時(shí)OR輸出為0；當(dāng)Q3=0，Q0=1時(shí)，表示超量程；Q2表示被測(cè)電壓極性，即Q2=1極性為正，Q2=0極性為負(fù)[5]。

被測(cè)直流電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以動(dòng)態(tài)掃描形式輸出，數(shù)字量輸出端 Q0、Q1、Q2、Q3 上的數(shù)字信號(hào)（8421 碼）按照時(shí)間先后順序輸出。位選信號(hào)DS1、DS2、DS3、DS4通過(guò)位選開(kāi)關(guān)MC1413分別控制著千位、百位、十位和個(gè)位上的四只LED數(shù)碼管的共陰極。數(shù)字信號(hào)經(jīng)七段譯碼器CD4511譯碼后，驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的各段陽(yáng)極。這樣就把A/D轉(zhuǎn)換器按時(shí)間順序輸出的數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)掃描形式在4只數(shù)碼管上依次顯示出來(lái)，另一只數(shù)碼管用來(lái)顯示負(fù)號(hào)。具體電路如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)碼顯示電路Fig.3 A/D transformation and digital display circuit

2.3 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的超量程和欠量程信號(hào)控制計(jì)數(shù)器來(lái)控制CD4052從而實(shí)現(xiàn)模擬電壓通道的選通。控制電路可由門電路和一片雙時(shí)鐘加/減計(jì)數(shù)器CD40193構(gòu)成。其作用是按輸入條件信號(hào)（過(guò)量程信號(hào)OR，欠量程信號(hào)UR，原量程信號(hào)An、Bn和換程脈沖信號(hào)CP）進(jìn)行組合，產(chǎn)生滿足要求的量程信號(hào) 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(duì)應(yīng)的不同的量程信號(hào)。在任何時(shí)刻都不允許有1個(gè)以上量程同時(shí)有效；2）過(guò)量程時(shí)量程信號(hào)應(yīng)由高向低變化，已在最低量程時(shí)仍過(guò)量程，則維持最低量程不變；3）欠量程時(shí)量程信號(hào)應(yīng)由低向高改變；已在最高量程時(shí)仍欠量程，則維持最高量程不變；4）量程合適時(shí)，維持原量程不變；5）每檔量程都能達(dá)到并保持[6]。

利用D觸發(fā)器CD4013提供量程切換脈沖CP，D觸發(fā)器CD4013在每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，利用從EOC端發(fā)出的正脈沖將觸發(fā)器的Q端置1，進(jìn)行量程切換。當(dāng)選通信號(hào)DS2來(lái)到時(shí)，其上升沿又將觸發(fā)器置0，關(guān)閉量程切換開(kāi)關(guān)，直到下一個(gè)EOC脈沖來(lái)到為止。這樣可保證每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，只產(chǎn)生一次切換[7]。控制電路如圖4所示。

自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程時(shí)還要同步進(jìn)行小數(shù)點(diǎn)切換。模擬電子開(kāi)關(guān)CD4052的一半用于量程切換，另一半可用來(lái)進(jìn)行小數(shù)點(diǎn)切換。這樣可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)切換與量程切換的同步，從而達(dá)到數(shù)字直讀的目的[8]。

圖4 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Automatic range-changing ciruit

2.4 電源部分

MC14433A/D轉(zhuǎn)換電路采用正負(fù)雙電源供電方式，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(shí)踐效果及分析

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

學(xué)生可以采用萬(wàn)能板焊接完成數(shù)字直流電壓表的制作，也可以繪制PCB電路圖采用熱轉(zhuǎn)印的方法自制PCB電路板完成該電路的制作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生表現(xiàn)出了濃厚的興趣，紛紛表示獲益匪淺。數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)制作還可以作一些擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，例如數(shù)字交流電壓表的設(shè)計(jì)、數(shù)字電子稱的設(shè)計(jì)、電容測(cè)試儀的設(shè)計(jì)等。數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)目標(biāo)明確，難度適中，實(shí)驗(yàn)力求綜合所學(xué)過(guò)的知識(shí)和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，具有較強(qiáng)的可操作性，經(jīng)過(guò)學(xué)生自身的努力，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，加深了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的電子線路設(shè)計(jì)與調(diào)試能力，而且還大大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了自主實(shí)驗(yàn)數(shù)字直流電壓表的設(shè)計(jì)方法和詳細(xì)的設(shè)計(jì)電路，實(shí)踐證明該實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮了自主實(shí)驗(yàn)的作用，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立操作、綜合運(yùn)用各種知識(shí)分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為日后的實(shí)踐或科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)踐我們深刻認(rèn)識(shí)到，學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)只有結(jié)合實(shí)際“真刀真槍”進(jìn)行，才能得到扎實(shí)的工程實(shí)踐訓(xùn)練[9]。

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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(hào)201210052

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