一、课程设计要求；采用中小规模集成电路、MC14433A/D转换器等电路进行设计三位半数字电压表。

要求如下：1、直流电压测量范围 1999—0001V；199.9—0.1V；19.99—0.01V；1.999—0.001V；2、交流电压测量范围 1999—199V；3、3位半数码显示。

二、方案设计及论证；方案设计一：本设计实际上是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示，主要由以下几部分构成：量程转换电路、AC-DC转换电路、3位半A/D转换单元电路、基准电源单元电路、译码驱动单元以及数码管显示单元。

其中A/D转换器选用三位半MC14433，基准电源选用MC1403，译码驱动器则CD4511，另加四个共阴极LED发光数码管。

原理框图如下：方案设计二：根据系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89C52单片机，A/D 转换采用ADC0809、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8路其他A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。

原理框图如下：方案设计三：根据系统功能实现要求，决定控制系统采用ICL7106、四个共阴极LED数码管。

原理框图如下：方案比较：①色彩绚丽，寿命长，功耗高寿命短，微功耗输出功能具有BCD码输出，可配计算机进行数据处理，自动控制自动打印结果无BCD码输出，不能配计算机或打印机外围电路需配基准电源，短译码驱动器和位驱动器，电路较复杂外围电路简单，只需5个电阻和5个电容②由于3位半双积分式A/D转换器MC14433可以满足设计要求，其转换精度为读数的±0.05%±1字，并能很方便地判断出是否超欠量程，以便于量程的自动切换功能的实现，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

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，另外价格只有10元多点，是较好的选择， 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因此选择方案一。

三、详细设计；1、单元电路设计与分析；㈠MC14433⑴MC14433型3 ½位A／D转换器具有以下特点：①工作电压范围是±4.5V~8V。

典型值为±5V，功耗约8mW。

②A／D转换精度：±0.05％±1个字（½位十进制相当于11位二进制），转换速率为3~10次／秒。

③具有自动调零和自动转换极性之功能。

④有多路调制的BCD码输出，可以方便的与微机相连，或打印记录。

⑤能获得超量程（OR）和欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。

⑥具有读数保持功能。

⑦采用共阴极LED动态扫描显示方式，不仅降低了显示功耗，还使外部接线大为简化。

⑵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。

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）。

CO1（7脚）、CO2（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。

CP1~CP0端外接电阻R9＝330 kΩ时，fo≈60Hz，采样速率约为4次／s。

外接电阻变成165kΩ，此时fo≈120kHz，采样速率提高到8次／s。

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。

OR（15脚）：过量程标志输出端，当｜VX｜＞VR 时，OR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。

⑶工作原理：三位半数字电压表通过位选信号DS1~DS4进行动态扫描显示，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，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。

DS1~DS4输出多路调制脉冲信号。

DS选通脉冲高电平，则表示对应的数位被选通，此时该数据在Q0~Q3端输出。

每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期。

两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。

DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。

以下依次为DS2、DS3和DS4。

其中DS1对应最高位（MSB），DS4则对应最低位（LSB）。

在对应DS2、DS3和DS4选通期间，Q0~Q3输出BCD码全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0~9。

在DS1选通期间，Q0~Q3输出千位的半位数。

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。

㈡精密基准电源MC1403A / 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。

㈢七路达林顿晶体管列阵MC1413MC1413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。

㈣过载闪烁报警电路MC4013现利用双D触发器CD4013的一半作二分频器。

作触发器复位信号EOC作时钟脉冲。

常态下，OR’＝1→ Q’＝1→ BI’＝1，能正常显示；一旦发生超量程， OR’＝0，EOC信号经二分频后加至CD45511的端，令显示器低频闪烁。

1/2CD4013有两个作用：第一，将EOC窄脉冲变成方波；第二，对fEOC进行二分频，降低闪烁频率以取得最佳报警效果。

例如，当f0＝50kHz时，fEOC＝f0/16400≈3Hz，经二分频后f＝1.5Hz方波，周期T＝0.67s。

这样，端就加上交替变化的高、低电平，强迫LED显示器以1.5Hz的低频进行闪烁，以示超量程报警。

㈤显示及小数点控制电路；从MC14433输出的BCD码经过CD4511译码后，连接到四个七段数码管，其中千位只连接b,c和g端，使其只显示1和负号。

当Vx＞2V时，OR端呈低电平，MC4013分频使段译码驱动器CD4511的消隐控制端以0、1循环显示，使强迫共阴极显示器低频进行闪烁。

位选通信号经过反相器分别接4只数码管的公共阴极，在DS1～DS4位选通信号的控制下进行动态扫描显示。

反相器有两个作用：第一，将DS1～DS4反相成低电平有效，以便接LED数码管的公共阴极；第二，增加驱动能力。

利用MC1403向MC14433提供2V的基准电压，RP为精密多圈电位器。

实选R2＝470kΩ时f0≈50kHz。

排阻为笔段限流电阻。

负极性显示的原理是，当DS＝1（正好扫到千位）且Vx＜0时，从Q2端输出负极性信号（低电平），加至MC1413的第5脚。

因MC1413属于集电极开路输出（OC门），故第12脚无输出，相当于开路。

＋5V电压就经过限流电阻接千位LED的g段，由于此时千位已被选中并且该位公共阴极接低电平，故g段发光，显示负极性符号。

㈥读数保持电路；在EOC端与DU端串入100kΩ电阻。

当开关S断开时能正常进行A/D转换，显示值被不断地刷新；闭合S时DU＝0，A/D 转换结果就长期保持下来，此时A/D 处于锁存状态。

保持时间即开关闭合时间。

㈦量程选择及电压跟随器；Vx 是输入的测量电压。

量程的转换由一个电阻分压网络实现，各档输出电压和输入的测量电压分压比为分别为 1 ： 1 ， 1 ： 10 ， 1 ： 100，1：1000。

档位分四档，各档测量电压范围为：1、直流电压测量范围 1999—0001V；199.9—0.1V；19.99—0.01V；1.999—0.001V；2、交流电压测量范围 1999—199V档位切换由一组拨码开关实现。

取的电阻值越大，电路的输入电阻越大，性能越好。

电压跟随器的作用是保护电路，使其具有很好的安全性。

㈧AC-DC转换电路；交流电压测量电路如图所示。

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。