第一章系统概述1.1 课程设计的目的与要求课程设计的主要目的，是通过电子技术的综合设计，熟悉一般电子电路综合设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。

通过设计也有助于复习、巩固以往的学习模电、数电内容，达到灵活应用的目的。

在设计完成后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强学生的动手能力。

在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计任务同时注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面：1、独立工作能力和创造力。

2、综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。

3、查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。

4、熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法。

5、工程绘图能力。

6、写技术报告和编制技术资料的能力。

题目：设计3 1/2数字万用表具体要求：（一）根据题目，利用所学知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计实现数字万用表的方案，须采用中小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计，写出已确定方案详细工作原理，计算出参数。

（二）技术指标：1、测量直流电压1999-0001V；199.9-0.1V；19.99-0.01V；1.999-0.001V；测量交流电压1999-199V。

2、交、直流电流；3、电阻、电容；4、三位半数字显示。

1.2 方案设计与论证方案一：根据系统功能实现要求，决定控制系统采用AVR单片机，A/D转换采用其内置的10位AD、四个共阴极LED数码管。

系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行数据通讯上传，存储等扩展功能。

图1.1单片机原理图方案二：采用双积分A/D转换器MC14433，七段译码驱动器CD4511，基准电源MC1403。

图1.2MC14433原理框图方案三：由ICL7106构成的3 1/2为数字万用表原理：该系统采用ICL7106、四个共阴极LED数码管，ICL7106内部包括模拟电路（即双积分A/D转换器）、数字电路两大部分。

输入电压经量程转换进入ICL7106进行A/D转换，直接在数码器上显示。

ICL7106只有液晶笔段及背电极驱动，没有小数点驱动端。

为显示小数点，需另加外围电路。

图1.3 ICL7106原理图方案论证：1、MC14433具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。

2、AVR;它的内置A/D转换的精确度较低，同时在编程及调试方面比较复杂考虑到客观条件因素，放弃使用此方案。

3、ICL7106虽外围电路简单，但亮度低，亮暗对比度小，寿命短，微功耗，无BCD码输出，不能配计算机或打印机。

综上：采用MC14433。

第二章单元电路设计2.1基本原理由MC14433A/D转换器构成的3 1/2位数字万用表原理：该系统中将待测直流电压Vx加到MC14433芯片的3脚，经MC14433完成A/D转换后，通过CD4511七段锁存/译码/驱动器送到LED显示，LED位选是由MC14433的DS4-DS1经MC1413反向后提供，MC1403为MC144433提供基准电压。

测交流时则需经AC-DC转换。

图1.1 原理框图该系统可采用MC14433 3位半A/D转换器，MC1413七路达林顿驱动阵列，CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器，基准电压MC1403和共阴极LED发光数码管组成。

该系统可采用MC14433 3位半A/D转换器，MC1413七路达林顿驱动阵列，CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器，基准电压MC1403和共阴极LED发光数码管组成。

（1）各部分功能如下：1、3 1/2A/D转换器：将输入的模拟信号转换成数字信号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BCD码转换成七段信号4、驱动器：驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，推动发光数码管进行显示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（2）工作过程如下：3 1/2数字万用表通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，其中MC14433用来实现A/D转换、计数和控制逻辑等主要功能。

由于MC14433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，就可以将转换结果一数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描。

DS1～DS4为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数位被选通，此时，该位数据在Q0～Q3端输出。

DS和EOC时序关系是在EOC脉冲结束之后，紧接着是DS1输出正脉冲，以下依次是DS2、DS3、DS4，其中DS1对应高位（MSD）DS4对应低位（LSD）。

对应位选通期间，Q0～Q3输出以BCD码形式数据，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代表千位数的数字。

若其值为1，则代表千位数的数字显示为0；反之，若其值为0，千位数的数字显示为1。

Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即Vx>0，Q2的电平为0，表示极性为负，即Vx<0。

显示数的负号（负电压）由MC1413中的一只晶体管控制，符号位“一”段的阴极与千位数的阴极接在一起，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“一”段（即g段）点亮；当输入信号Vx为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使反相器导通，电阻接地，使“一”旁路而熄灭。

小数点显示是由正电源通过限流电阻供电燃亮小数点。

若量程不通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。

当Q3=0，Q0=1时，表示Vx 处于过量程状态。

当Q3=1，Q0=1时，表示Vx 属于欠量程状态。

当/OR=0时，|Vx|>1999，则溢出；|Vx|>Vr ，则/OR 输出低电平。

当/OR=1时，表示|Vx|<Vr 。

正常时/OR 输出高电平，表示被测量在量程内。

2.2 器件介绍（一） MC14433芯片引脚及其功能.(1)MC14433的内部框图如图所示，主要包括模拟电路（A/D 转换器）、数字电路两大部分。

图2.1 MC14433结构及引脚图（2）MC1433采用24脚双列直插式封装（DIP ——40）管脚排列如下图所示:图2.2 MC14433引脚排列图一多路选择开关锁存器个十百千极性判别溢出逻辑控制模拟电路时钟1-40-3114433结构及引脚图UDD——正电源端，一般接+5V。

UAG——输入信号的公共端，简称模拟地。

USS——输入信号Q0-Q3、DS1-DS4,ORˉ、ECO(不包括CLO)的公共地；此端接UAG 时输出电压变化范围是UAG-UDD，接UEE端时是UEE-UDD。

UEE——负电源端，通常接-5V；UEE主要作为内部模拟电路的负电源，其负载电流约为0.8mA。

UI——模拟电压输入端，输入电压为UIN。

UREF——外接基准电压端。

R1、R1/C1、C1——外接积分元件端。

C01、C02——外接自动调零电容。

DU——实时输出控制端，亦称数据更新端。

若在双积分第5阶段开始之前从DU 端输入一个正脉冲，则本次A/D转换结果就依次通过锁存器和多路选择开关输出。

否则，输出端仍保持锁存中原有数据不变。

使用中若将DU端与EOC端相连，则每次A/D 的转换结果都被输出；将DU端接USS时即可实现读数保持。

CLK1、CLK2——分别为时钟脉冲输入、输出端，二者之间接上振荡电阻RC即可产生时钟信号。

EOC——A/D转换结束标志输出端，每个A/D转换周期结束时此端输出一个正脉冲。

ORˉ——量程信号输出端，超量程时ORˉ=0（负逻辑）。

DS1-DS4——多路调制位选通信号输出端，其中DS1为千位，DS4为个位。

Q0-Q3——BCD码输出端。

（二） CD4511引脚图及其功能图2.3 CD4511引脚排列图1）VDD,VSS为正负电源端,电源电压范围为3~18V通常取5V2）A,B,C,D:BCD码输入端，A为最低位。

3）a、b、c、d、e、f、g:七段译码输出（高电平有效）可驱动共阴极LED数码管。

4）LT为灯测试端，只要LT=0无论其它输入端状态如何LED显示为 8，各笔段都被点亮，由此检测数码管是否故障，正常工作时应为高电平。

5）BI为消隐功能端只要BI=0且LT=1，LED灭灯达到消隐目的，正常工作应置BI端为高电平。

另外CD4511有拒绝伪码的特点，输入数据超过十进制数9（1001）时显示字形也自行消隐。

6）LE锁存信号：当LE=1且BI=LT=1时，则锁存输出信号LED保持前一时刻. （三） MC1403的引脚及其功能Ｖ图2.3MC1403引脚图MC1403的输出电压温度系数为0，即输入电压与温度无关。

该电路的特点：（1）温度系数小；（2）噪声小；（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ΔV0<3mV；（4）输出电压准确度较高，V0值在2.475-2.525V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。

（四）MC1413反相驱动器（实验中用5个三极管搭建）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。

2.3 AC/DC转换电路交流电压测量电路如图所示：图2.5 交流电压测量电路左边IC1为精密半波整流电路，右边IC2为平均值-有效值变换电路。

IC1输入端电压是经过衰减器和电压跟随器后得到的电压，此交流电压被限制在2V 以下，经过半波整流后，变换成平均值，再经过IC2修正使之成为电压的有效值。

半波整流后的平均值与有效值之间的关系如图所示，图中的Vm 为输入端电压的峰值。

V=1/ЛVm ，V ¯=1/√2 Vm 。

IC2是平均值-有效值变换电路，其作用是将经IC1半波整流后得到的输出电压加以平滑和放大，即将V 放大到有效值V ，放大倍数Au=V/V ¯=2.22。

IC2为反相放大器。

验证电路：如输入电压有效值V~=2V,Vm=√2 X 2V=2.828V 。

IC1输出半波整流电压，其平均值V ¯=1/√2 Vm ≈0.9V 。