數(shù)字直流電壓表的設(shè)計制作

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)計的具體電路，該電路采用純硬件實現(xiàn)，覆蓋內(nèi)容廣泛、涉及知識點較多、難易適中，將其列入自主實驗內(nèi)容，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，對提高學(xué)生工程設(shè)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(shù)字直流電壓表；電路設(shè)計；自主實驗

高校實驗教學(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。電類實踐課程中增加自主性實驗對培養(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)計與制作是《實驗電子學(xué)》的自主實驗之一，采用純硬件實現(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、組合邏輯電路和時序邏輯電路以及電源電路等內(nèi)容。通過設(shè)計數(shù)字直流電壓表，學(xué)生會進一步了解數(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)計能力、自主學(xué)習(xí)能力以及解決實際問題的能力。

1 數(shù)字直流電壓表的設(shè)計指標(biāo)

數(shù)字電壓表的設(shè)計采用MC14433作為A/D轉(zhuǎn)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(fù)電壓極性顯示，小數(shù)點顯示，實現(xiàn)自動量程轉(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模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進行實時數(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關(guān)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(zhuǎn)換及數(shù)碼管顯示電路

本設(shè)計選用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輸出端、便于實現(xiàn)自動控制。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輸出的位選通信號來選通，當(dāng)某一位選通信號為高電平時，相應(yīng)的位即被選通，此時該位的數(shù)據(jù)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(dāng)前量程。當(dāng)DS1輸出正脈沖時，Q3、Q2和Q0輸出的最高位（半位）數(shù)據(jù)0或1用來表示超量程、欠量程和極性標(biāo)志等等。當(dāng)Q3=1，Q0=1時，表示欠量程，此時OR輸出為0；當(dāng)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(fù)[5]。

被測直流電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以動態(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（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(guān)MC1413分別控制著千位、百位、十位和個位上的四只LED數(shù)碼管的共陰極。數(shù)字信號經(jīng)七段譯碼器CD4511譯碼后，驅(qū)動LED數(shù)碼管的各段陽極。這樣就把A/D轉(zhuǎn)換器按時間順序輸出的數(shù)據(jù)以動態(tài)掃描形式在4只數(shù)碼管上依次顯示出來，另一只數(shù)碼管用來顯示負(fù)號。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控制計數(shù)器來控制CD4052從而實現(xiàn)模擬電壓通道的選通?？刂齐娐房捎砷T電路和一片雙時鐘加/減計數(shù)器CD40193構(gòu)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(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，利用從EOC端發(fā)出的正脈沖將觸發(fā)器的Q端置1，進行量程切換。當(dāng)選通信號DS2來到時，其上升沿又將觸發(fā)器置0，關(guān)閉量程切換開關(guān)，直到下一個EOC脈沖來到為止。這樣可保證每個測量周期內(nèi)，只產(chǎn)生一次切換[7]。控制電路如圖4所示。

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

圖4 自動量程轉(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，為了實現(xiàn)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(xué)生可以采用萬能板焊接完成數(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。實驗過程中，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)計制作還可以作一些擴展實驗，例如數(shù)字交流電壓表的設(shè)計、數(shù)字電子稱的設(shè)計、電容測試儀的設(shè)計等。數(shù)字直流電壓表的設(shè)計目標(biāo)明確，難度適中，實驗力求綜合所學(xué)過的知識和查閱相關(guān)文獻資料，具有較強的可操作性，經(jīng)過學(xué)生自身的努力，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，加深了理論知識的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的電子線路設(shè)計與調(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

文中介紹了自主實驗數(shù)字直流電壓表的設(shè)計方法和詳細(xì)的設(shè)計電路，實踐證明該實驗充分發(fā)揮了自主實驗的作用，培養(yǎng)了學(xué)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(chǔ)。通過實踐我們深刻認(rèn)識到，學(xué)生動手能力的培養(yǎng)只有結(jié)合實際“真刀真槍”進行，才能得到扎實的工程實踐訓(xùn)練[9]。

[1]彭鵬菲，任熊偉，肖石金.實行自主研究實驗教學(xué) 培養(yǎng)創(chuàng)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(jié)，潘小青，等.精心設(shè)計綜合性實驗 培養(yǎng)學(xué)時創(chuàng)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(shè)計·實驗·測試[M].2版.武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000.

[4]高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[5]張一哲，楊曉晴.MC14433在數(shù)字溫度表中的應(yīng)用[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)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(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社.2001.

[7]黃利君.自動量程轉(zhuǎn)換電路設(shè)計[J].西安石油學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)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(shù)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(shè)計性、綜合性實驗的實踐與教學(xué)方法研究[J].中國教育技術(shù)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(xué)。