一、摘要 [size=10.5000pt]
本文介绍了基于MC14433的三位半数字万用表的设计。该设计主要由三个模块组成：A/D转换模块、数据处理模块和显示模块，A/D转换主要由芯片MC14433来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再发送到数据处理模块。数据处理则有芯片CD4511来完成，它会把MC14433传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外，它还控制着MC14433芯片工作。
该系统的数字万用表电路比较简单，所用的元件较少，成本较低，但精度和可靠性都很强。
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二、关键字 [size=10.5000pt]
MC14433、MC1413、CD4511、A/D转换、位选、数字万用表
三、题目及设计目的 1、题目：三位半数字万用表
2、设计目的：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、应完成的工作内容和具体的设计方法，同时复习、巩固以往学习模电、数电的内容，达到灵活应用的目的。
四、设计要求 1、利用所学过知识，通过上网或到图书馆查阅资料，设计出2-3个实现数字万用表的方案；只要求写出实现工作原理，画出电原理功能图，描述其功能。
2、对将要实验方案3位半数字万用表方案，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，设计出电原理图。
3、技术指标：
（1）测量直流电压200mv；2V；20V；200V;1000V；
测量交流电压2V；20V；200V;750V
（2）测量直流电流2MA；20MA；200MA；20A；
测量交流电流2MA；20MA；200MA；20A；
（3）电阻：200 file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB65C.tmp.png、2K、20K、200K、2M、20M
（4）电容；200nF、20nF、2nF 20μF、2μF
（5）三位半数字显示。
五、方案设计与论证
方案一：采用双积分A/D转换器MC14433，七段译码驱动器CD4511，基准电源MC1403，反向驱动器,4只LED数码管。
方案二: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[size=10.5000pt]。
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方案三：由ICL7106构成三位半数字万用表。该系统采用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行ICL7106A/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。
根据课程设计要求，我们选择方案一。
六、设计原理、电路图及各部分功能简介
（1） 各方案的原理图如下：
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图 6.1 方案一 原理图
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file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB66E.tmp.png[size=10.5000pt] file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB66F.tmp.png 图 6.2 方案二 原理图
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB670.tmp.jpg[size=12.0000pt]
图 6.3 方案三 原理图
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鉴于选用方案一，数字显示电压表将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示。该系统（如图1 所示）可采用MC14433—三位半A/D 转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。
（2）各部分的功能如下：
三位半A/D转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。
基准电源(MC1403)：提供精密电压，供A/D 转换器作参考电压。
译码器(MC4511)：将二—十进制(BCD)码转换成七段信号。
驱动器(MC1413)：驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管(LED)进行显示。
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。
（3）各部分简介：
1）MC14433：
1.MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，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，其主要功能特性如下：
1.精度：读数的±0.05%±1字
2.模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档
3.转换速率：2-25次/s
4.输入阻抗：大于1000MΩ
[size=10.5000pt] 5.输入阻抗：大于1000MΩ
6.功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值）
7.功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值）
MC14433最主要的用途是数字万用表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。
2.引脚功能简介： [size=10.5000pt]
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB681.tmp.png
图 6.4 MC14433引脚图
VAG（1脚）：被测电压VX和基准电压VR的参考地。
VREF（2脚）：外接基准电压（2V或200mV）输入端
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，R1＝470KΩ；
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）、CP0 （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，采样速率约为4次／s。VEE （12脚）：电路的电源负端，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。
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file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB682.tmp.jpg[size=10.5000pt]
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图 6.5 MC14433 连接图
2）MC1413：
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图 6.6 MC1413内部原理图
（1） MC1413，由七个硅NPN[size=12.0000pt]达林顿管组成。MC1413的每一对达林顿管都串联一个2.7K的[size=12.0000pt]基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和[size=12.0000pt]CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。MC1413工作电压高，工作电流大，[size=12.0000pt]灌电流可以达到500mA,并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高[size=12.0000pt]负载电流并行运行。
（2）
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB693.tmp.jpg
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB6A4.tmp.jpg[size=12.0000pt]
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图 6.7 MC1413连接图
3）七段锁存-译码-驱动器CD4511：
CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。
(1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。
当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；
当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。[size=10.5000pt]
由此可见，利用LE 端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。
(2) 七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端：
①LT(LAMP TEST)灯测试端。当LT = 0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT = 1时，译码器输出状态由BI端控制。
② BI (BLANKING)消隐端。当BI = 0时，控制译码器为全0输出，发光数码管各段熄灭。BI = 1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。
上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。
(3) 驱动器：利用内部设置的NPN 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。
CD4511电源电压VDD的范围为5V-15V，它可与NMOS电路或[size=12.0000pt]TTL电路兼容工作。
CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见图2。
使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB6B6.tmp.png4）显示及小数点控制电路[size=10.5000pt]：file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB6B7.tmp.png
[size=10.5000pt]图 6.8 小数点显示电路 [size=10.5000pt]
5）量程转换开关：
数字万用表的设计要求量程为：
[size=10.5000pt] 0.001～1.999V,0.01～19.99V,0.1～199.9V,0～1999V选MC14433的基准电压为2V,则其量程为0.001～1.999V , 所以其他量程分别×10 ×100 ×1000档位。
电路如图用4个电阻串联进行分压，使进入MC14433的电压均小于2V。
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB6C7.tmp.jpg
[size=10.5000pt]图 6.9 “桥式整流”电路 从MC14433输出的BCD码经过CD4511译码后，连接到三个七段数码管。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。排阻为限流电阻。负极性显示的原理是，当DS＝2，从Q4端输出高电平，加至MC1413的第A4脚。Y4脚输出低电平。数码管百位被选中点亮。
20(R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4) =2
200(R3+R4)/ (R1+R2+R3+R4)=2
2000R4/ (R1+R2+R3+R4)=2
取R4=10KΩ 则R1=9MΩ R2=900KΩ R3=90KΩ
电压输入电路量程设计：
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB6C8.tmp.jpg
图 6.10 电压测量电路
电流输入电路量程设计：
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB6D9.tmp.jpg
图 6.11 电流测量电路
电阻输入电路量程设计：
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB6DA.tmp.jpg
图 6.12 电阻测量电路
七、电路的安装与调试
1、 数码显示部分的组装与调试
(1) 实际实验中采用4个8段数码管，将千位数码管bc并联作为千位1，g作为符号显示。
Mc1413用NPN三极管与电阻搭接的反相器替代。
(2) 先将4个数码管插入试验箱IC座，插好芯片MC4511与三极管反相器，将输入端与逻辑电平试验箱相连。
(3) 调节实验箱逻辑电平高低检查译码显示是否正常。如果所有4位数码管显示正常，则说明显示部分工作正常。
2、 标准电压源的连接和调整；
实验中利用实验台的电压源，数字万用表与实验箱上的可变电阻搭接成为标准电压源替代MC1403。
3、 核心电压表部分；
(1) 插好芯片MC14433，接电路全图接好全部线路。
(2) 将输入端接地，接通电源，此时显示器将显示000，如果不是，应检测电源正负电压。用示波器测量DS1～DS4 ，Q0～Q3的波形，判别MC14433是否工作。
(3) 用电阻、电位器构成一个简单的输入电压调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。
(4) 用实验台数字万用表测量输入电压，调节电位器，使输入电压为1.000V，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。
(5) 改变输入电压，使其为－1.000V，检查“－”是否显示。
(6) 在+1.999V～0～－1.999V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。
至此一个测量范围在±1.999的三位半数字直流电压表调试成功。
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八、设计心得与体会 [size=10.5000pt]
本次课程设计，真可谓是困难重重。原本以为会非常轻松，然而试过之后才真正明白了这个道理：大学不是用来混的，如果所有的东西都是我们想象中的那么容易的话，那么要老师干嘛呢？
刚开始时，我和其他的几位同学一起去图书馆，经过半天的筛选，最终选定了几本自认为有借鉴意义的书。于是我们开始钻研起来，不过这一切似乎没有那么简单，书上的知识非常有限，我们能拿过来直接用的非常之少，对于一个电路系统来说，显得杯水车薪。因此我们又开始寻求网络的帮助，在搜索尽了所熟知的网站之后，只查到了一份关于基于MC14433的三位半数字万用表的资料，然而却并没有什么用，因为上面的原理图根本就不完整。对于根本就没有什么设计经验的我来说，没有原理图，就等于什么都不会。我尝试解读MC14433、MC1413、CD4511的原理及功能，好吧，我承认，即使我弄明白了这些，依旧设计不出完整的电路图来。
周五晚上，我们几个人聚集在一起讨论如何设计的事宜。我们各自发表了意见，把所有的想法综合到一起，终于有了一些眉目，然而这距离完整的设计思路还差得很多。虽然没有什么灵感，但时间不会停滞，距离上台操作的时间越来越紧迫。终于，在第二周的周二，谢意龙同学带来了福音，他给我们每个组一份完整的电路图，我终于可以放下心中的包袱了。
转眼，实操开始了，在领到全部零件后，我们开动起来。其实，本来电路图没多少导线，然而真正开始动手才知道：真不好连接啊！在几个人共同努力、分工合作下，我们最终将所有的线连接完毕。开始一系列测试，但刚把电源打开，数码管显示的数字就不完整，我们陷入了危机。开始逐一排查，一根一根地仔细查完后，发现没有错误，各芯片也没有什么毛病，于是我们开始将导线拔掉再重新连，第二遍完成后，还是和第一次一样，数字显示不全。拔掉，第三遍，还是不行。我们索性换台操作台，拼完后发现还没有以前的好呢，欲哭无泪！眨眼中午到了，吃完饭又回到实验室开始新一轮的拼接，结果可想而知：数码管显示的数字更加不全了，真心想哭啊！最后在老师的见证下，确实不是我们的错误，在回答完老师的问题后，终于解脱了！
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通过这次的课程实验设计，锻炼了我们独立学习的能力。在这个过程中，与同学分工合作、相互探讨、相互学习，我学会了理解、宽容、为人处世之道；体会了学以致用，从中发现自己平时学习的不足与薄弱之处，进而加以弥补。课程设计是对我们学习的一种检验，是我们迈向社会、步入职场必不可少的重要一环。我相信：今天的认真对待，必将成就明日的辉煌！
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九、附图 [size=10.5000pt]
[size=10.5000pt]附图一：
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[size=10.5000pt]附图二：
file:///C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB6EA.tmp.jpg[size=10.5000pt]
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参考文献 （1）高吉祥▪《电子技术基础 实验与课程设计》▪电子工业出版社▪2002年2月
（2）黄永定▪《电子线路试验与课程设计》▪机械工业出版社▪2005年8月
（3）彭启棕、李玉柏▪《DSP技术》▪电子科技大学出版社▪1997 年
（4）李广弟、朱月秀、冷祖祁▪《单片机基础》第三版▪北京航天航空大学出版社▪2007年6月
（5）阎石▪《数字电子技术基础》▪第五版▪高等教育出版社▪2006年5月
（6）康华光·《电子技术基础》模拟部分·第五版·高等教育出版社·2006年1月
(7)杨刚、周群·《电子系统设计与实验》·电子工业出版社·2004年1月
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