简易数字电压表课程设计

《数字逻辑》课程设计报告题目简易数字电压表学院（部）信息工程学院专业计算机科学与技术班级学生姓名学号6 月18日至6 月21 日共 1 周指导教师（签字）前言关于数字式简易电压测试仪的设计，我们提出了三种设计方法和思路，分别是ADC0809的A/D转换电路、LM331V/F转换电路、555定时器的V/F转换电路。

在具体操作中，经过对资料的收集、分析，研究与对比，最终选择了简单易懂，而且精度较高的方法，即LM331压频转换法。

本方法的基本理论是LM331的输入电压幅值与输出脉冲的频率成正比，再通过一系列的控制，计数，锁存，显示电路实现了对电压的一般测试与数字显示。

每学期的课程设计是综合检验我们所学知识的时候，在这期间我们需要将自己所学的知识进行综合，然后运用到我们所要完成的任务中。

此次课程设计我们完成的任务是制作简易数字电压表，我们在拿到这个题目时是没有一点思路的，在仔细研究和向老师请教后终于有了一点头绪，在小组两外两个成员杨羽丰和侯理想的共同努力下，我们初步实现了数字电压表的制作的方案制作，但是由于仿真软件中缺少我们所需元件的原因，我们的方案没能进行模拟仿真，这是此次课程设计的遗憾之处。

我们现在正在试图用另外的仿真软件进行此方案的仿真。

在本次课程设计过程中得到了各方面的支持和帮助，在此特别向数子电子技术老师表示由衷的感谢。

由于设计时间和水平的限制，如有不足之处，敬请指正！目录前言 (1)报告正文 (3)第一章：系统概述............................................................................错误!未定义书签。

1.1 设计目的 (4)1.2 数字电压表简介 (4)1.3方案分析 (4)1.4 V/F转换电路方案比较与论证 (4)1.4.1 采用ADC0809的A/D转换电路 (4)1.4.2 采用LM331V/F转换电路..................................................错误!未定义书签。

1.4.3 采用555定时器的V/F转换电路 (6)1.4.4 可行性分析 (6)第二章：单元电路设计...................................................................错误!未定义书签。

2.1 分压电路、输入保护及缓冲电路 ........................................错误!未定义书签。

2.2 交、直流转换电路 (7)2.3 压频转换电路 (8)2.4 脉冲产生电路 (9)2.5 计数、译码、显示电路 (10)第三章：系统综述 (10)第四章：结束语 (11)4.1 个人总结 (11)4.2 存在的问题 (11)第五章：附录 (13)5.1 参考文献 (13)5.2 鸣谢 (13)5.3 元器件明细表，附图 (13)简易数字电压表摘要本文介绍了一种简易的数字式显示电压测试仪的设计思路及硬件结构。

该测量仪的基本工作原理是：把电压量通过单稳态触发器转化成时间脉冲量，然后在这个时间脉冲内进行计数，再锁存计数值，最终通过数码显示译码器驱动数码管进行显示。

可由555集成定时器构成多谐振荡器产生计数脉冲和对单稳态进行触发，555构成的单稳态触发器电路来控制计数器清零与锁存器锁存，四片74LS160构成计数电路，四片74LS373N构成锁存电路，四片DCD_HEX数码管构成四位译码显示电路，通过计算与分析把各电路连接起来，最终实现对电压（0V—9.99V）的简易测量与数字显示。

关键词数字电压表、压频转换、LM331、多谐振荡、单稳态、缓冲级、交直流转换、计数器。

技术要求1、利用压-频转换原理实现对一个正电压的测量，测量值用数码管直接显示。

2、被测电压为正值，测量电压范围为0～9.99V。

3、对输入的0～9.99V正电压用三位数码管显示0.00～9.99。

4、数码管每4秒刷新一次，读数停顿3秒。

一、系统概述1.1 设计目的（1）掌握简易数字式电容测试仪的设计、组装与调试方法；（2）熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理；（3）学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法、设计步骤；（4）进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用；（5）学习数字电路仿真、调试、测试、故障查找和排除的方法、技巧；（6）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

1.2数字电压表简介数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术设计的电压表。

数字电压表自1952年问世以来，已有50多年的发展史，大致经历了五代产品。

第一代产品是20世纪50年代问世的电子管数字电压表，第二代产品属于20世纪60年代出现的晶体管数字电压表，第三代产品为20世纪70年代研制的中、小规模集成电路的DVM。

近年来，国内外相继推出由大规模集成电路（LSI）或超大规模集成电路（VLSI）构成的数字电压表、智能数字电压表，分别属于第四代、第五代产品。

它们不仅开创了电子测量的先河，更以其高准确度、高可靠性、高分辨力、高性价比等优良特性而受到人们的青睐。

1.3 方案分析此设计主要利用压频转换实现对电压的测量。

输入信号的电压幅值经过555定时器构成的压频转换电路对应于输出信号的频率，即输入幅值与输出频率存在线性对应关系V=f（U），对输出信号在1秒内的电平进行计数，通过译码锁存再输出，就能显示电压的幅值。

1.4 V/F转换电路方案比较与论证设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。

又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压作分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。

下面介绍三种数字电压表的设计方案。

1.4.1 采用ADC0809的A/D转换电路ADC0809是AD公司采用CMOS工艺生产的一种8位逐次比较型A/D转换器。

用ADC0809和AT89S52用程序查询方式来采集被测的输入模拟信号。

采集数据时首先单片机执行一传送指令，在该指令执行过程中单片机在控制总线中产生写些信号，其低电平品信号启动A/D转换工作，ADC0809经100us后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，EOC新好景反相器产生中断请求信号INTR,通知单片机取数。

当单片机响应中断请求转入数据采集子程序后，立即执行输入指令，指令产生读信号给ADC0809，将数据取出并存入存储器中。

整个数据采集过程中，由单片机有序地执行若干指令完成。

ADC0809内部逻辑图如图 1-4-1所示。

图 1-4-1 ADC0809内部逻辑图图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。

1.4.2 采用LM331V/F转换电路V/F 转换方式是把电压模拟量转换成脉冲频率信号，由单片机对脉冲频率信号进行计数来实现A/D 转换功能的。

LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。

只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路，并且容易保证转换精度。

LM331的内部电路组成及其与外部器件构成的V/F转换电路如图1-4-2 所示。

图 1-4-2 LM331内部结构及V/F转换电路图1.4.3 采用555定时器的V/F转换电路图1-4-3是由555芯片组成的输出脉冲为0-10KHz的V/F转换电路原理。

图 1-4-3 555定时器的V/F转换电路图它是一种高精度电荷平衡式V/F转换电路，线性精度优于0.02%，输入电压为0-10V，输出频率为0-10KHz。

前级运放741构成电荷积分器，555芯片构成单稳态电路。

1.4.4 可行性分析以上三种方案对转换10V内的电压信号都是可以实现的，但方案一电路中ADC 0809管脚较多，另外还需接锁存器电路，所需的元器件较多，成本较大；方案三的555定时器在设计过程中电路连接虽然简单，但是其线性度不高，存在较大的误差；而LM331是一个简单的、廉价的电压/频率变换电路，非常适合用作模/数转换，有极高的转换精度，且十分适用于低电压，低功耗的数字电路，十分适合用作光电隔离，有良好的共模抑制能力；并且V/F型A/D转换器多采用电压反馈形式，它除有较好的抗干扰能力外，还引入电位差计的方法，提高了准确度和输入阻抗，因而常被采用。

综合考虑，我们采用方案二，用LM331进行压频转换。

二、单元电路设计2.1 分压电路、输入保护及缓冲电路该电路采用SW开关进行量程选择，开关在上是2V档，同时第四位数码管后的小数点亮，开关在下是20V 档，同时第三位数码管后小数点亮。

为满足要求，用ΩM 10电阻进行分压。

用两个反并联的二极管作为输入保护，防止输入电压过大烧毁后续电路。

为使电压表获得较高的输入阻抗，以提高测量准确度，采用了输入阻抗较高的集成运放TLC2252。

将运放接成电压跟随器以获取并输出被测电压，起到缓冲作用。

如图2-1-1.图2-2-1 分压、保护及缓冲电路2.2 交、直流转换电路如图2-2-1.该电路能够实现对小信号进行绝对值运算。

电路中选择75R R =R R ==6Ω=k 20,Ω==k R R 1028，R n R R n R 219118,==。

当输入电压i U >0时，二极管D2导通， D1截止，第一个运放的输出电压i O U R R U 571-=。

故i o i o U n U R R U R R U 11819619=-=-。

当i U <0时，二极管D2截止，D1导通，1o U =0，故i i O U n U R R U 1619-==。

由上述可知输出形成全波整流。

对于交流信号，全波整流后需要进行滤波以减小纹波电压，故在19R 两端并联电容6C 。

开关SW 在上是交流档，在下是直流档。

经过理论计算并运行调试选取电阻6C =1uF ，19R Ω=k 4.22, 18R Ω=k 3.20。

图2-2-1 交直流转换电路2.3 压频转换电路图2-3-1是LM331组成的V/F 变换器。

图中3R 和7C 组成输入滤波环节。

电路左下角为调零电位器，右下角4V R 为转换增益调节，取为Ωk 5，在9C 上产生串联24R 产生一个附加的滞后效应，改善线性度。