数字直流电压表的设计制作

濮 霞，胡亚刚，李 楠，陶炳坤

（军械工程学院 河北 石家庄 050003）

数字直流电压表的设计制作

濮 霞，胡亚刚，李 楠，陶炳坤

（军械工程学院 河北 石家庄 050003）

给出了数字直流电压表设计的具体电路，该电路采用纯硬件实现，覆盖内容广泛、涉及知识点较多、难易适中，将其列入自主实验内容，充分调动了学生学习的积极性，对提高学生工程设计能力、综合运用各种知识分析问题、解决实际问题的能力等方面效果显著。

数字直流电压表；电路设计；自主实验

高校实验教学的主要目标是培养学生应用能力和创新能力。电类实践课程中增加自主性实验对培养学生综合能力起到了重要作用[1-2]。数字电压表设计与制作是《实验电子学》的自主实验之一，采用纯硬件实现，涉及内容较广，包括了A/D转换电路、数码管显示电路、组合逻辑电路和时序逻辑电路以及电源电路等内容。通过设计数字直流电压表，学生会进一步了解数字电压表的原理和集成电路的使用方法，加深掌握模数转换原理、逻辑电路的原理和使用方法以及数码管显示方法等。从而培养学生工程设计能力、自主学习能力以及解决实际问题的能力。

1 数字直流电压表的设计指标

数字电压表的设计采用MC14433作为A/D转换器，直流电压测量范围（0～200）V，共分 4 挡即 200 mV 挡（-199～199 mV）、2 V 挡（-1.999～1.999 V）、20 V 挡（-19.99～19.99 V）、200 V 挡（-199.9～199.9 V）；具有正负电压极性显示，小数点显示，实现自动量程转换功能。

2 数字直流电压表组成部分

数字直流电压表是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示的数字系统[3-4]。该系统由输入电压变换电路、A/D转换电路、量程转换电路、数码管显示电路及电源电路组成，系统总体框图如图1所示。

图1 数字直流电压表组成框图Fig.1 Schematic diagram of digital DC voltage meter

2.1 输入电压变换电路

输入电压变换电路由双向模拟开关CD4052、运算放大器LM324等组成，如图2所示。

图2 输入电路原理图Fig.2 Schematic diagram of input circuit

2.2 A/D转换及数码管显示电路

本设计选用MCl4433作为A/D转换器，MCl4433有多路调制的BCD码输出端和超量程信号输出端、便于实现自动控制。Q3～Q0为转换结果BCD码输出端，而输出的数据属于哪一位则由DS1～DS4输出的位选通信号来选通，当某一位选通信号为高电平时，相应的位即被选通，此时该位的数据从Q3～Q0输出；OR为超量程信号输出端，OR=0表示被测电压超出当前量程。当DS1输出正脉冲时，Q3、Q2和Q0输出的最高位（半位）数据0或1用来表示超量程、欠量程和极性标志等等。当Q3=1，Q0=1时，表示欠量程，此时OR输出为0；当Q3=0，Q0=1时，表示超量程；Q2表示被测电压极性，即Q2=1极性为正，Q2=0极性为负[5]。

被测直流电压经A/D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端 Q0、Q1、Q2、Q3 上的数字信号（8421 码）按照时间先后顺序输出。位选信号DS1、DS2、DS3、DS4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的共阴极。数字信号经七段译码器CD4511译码后，驱动LED数码管的各段阳极。这样就把A/D转换器按时间顺序输出的数据以动态扫描形式在4只数码管上依次显示出来，另一只数码管用来显示负号。具体电路如图3所示。

图3 A/D转换及数码显示电路Fig.3 A/D transformation and digital display circuit

2.3 自动量程转换电路

根据A/D转换器的超量程和欠量程信号控制计数器来控制CD4052从而实现模拟电压通道的选通。控制电路可由门电路和一片双时钟加/减计数器CD40193构成。其作用是按输入条件信号（过量程信号OR，欠量程信号UR，原量程信号An、Bn和换程脉冲信号CP）进行组合，产生满足要求的量程信号 An+1、Bn+1，An+1、Bn+1必须满足以下要求：1） 有几档量程就有几种对应的不同的量程信号。在任何时刻都不允许有1个以上量程同时有效；2）过量程时量程信号应由高向低变化，已在最低量程时仍过量程，则维持最低量程不变；3）欠量程时量程信号应由低向高改变；已在最高量程时仍欠量程，则维持最高量程不变；4）量程合适时，维持原量程不变；5）每档量程都能达到并保持[6]。

利用D触发器CD4013提供量程切换脉冲CP，D触发器CD4013在每次A/D转换结束时，利用从EOC端发出的正脉冲将触发器的Q端置1，进行量程切换。当选通信号DS2来到时，其上升沿又将触发器置0，关闭量程切换开关，直到下一个EOC脉冲来到为止。这样可保证每个测量周期内，只产生一次切换[7]。控制电路如图4所示。

自动转换量程时还要同步进行小数点切换。模拟电子开关CD4052的一半用于量程切换，另一半可用来进行小数点切换。这样可以实现小数点切换与量程切换的同步，从而达到数字直读的目的[8]。

图4 自动量程转换电路Fig.4 Automatic range-changing ciruit

2.4 电源部分

MC14433A/D转换电路采用正负双电源供电方式，为了实现整个电路+5 V单电源供电，可以采用ICL7660将+5 V变换-5 V，变换电路如图5所示。

3 实践效果及分析

图5 +5V变换-5V电路Fig.5 Converter circuit of+5V to-5V

学生可以采用万能板焊接完成数字直流电压表的制作，也可以绘制PCB电路图采用热转印的方法自制PCB电路板完成该电路的制作。实验过程中，学生表现出了浓厚的兴趣，纷纷表示获益匪浅。数字直流电压表的设计制作还可以作一些扩展实验，例如数字交流电压表的设计、数字电子称的设计、电容测试仪的设计等。数字直流电压表的设计目标明确，难度适中，实验力求综合所学过的知识和查阅相关文献资料，具有较强的可操作性，经过学生自身的努力，实现了设计目标，加深了理论知识的学习，培养学生的电子线路设计与调试能力，而且还大大地激发了学生的学习热情。

4 结束语

文中介绍了自主实验数字直流电压表的设计方法和详细的设计电路，实践证明该实验充分发挥了自主实验的作用，培养了学生独立思考、独立操作、综合运用各种知识分析问题、解决实际问题的能力，为日后的实践或科研工作打下了坚实的基础。通过实践我们深刻认识到，学生动手能力的培养只有结合实际“真刀真枪”进行，才能得到扎实的工程实践训练[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稿件编号201210052

濮 霞（1977—），女，新疆沙湾人，硕士，讲师。研究方向：电工电子实践教学。