例1电压表的设计—A/D转换器的应用
一、数字电压表的基本组成
数字电压表的基本组成如图9.4.1所示。它由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器A、A／D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码
器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A／D转换器是数字电压表的核心部件，它将输入的模拟量转换成数字量。由图9.4.1可见，模拟电路与数字电路是互相联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A／D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A／D转换正常进行。A／D转换结果通过计数译码电路变换成笔段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。
二、数字电压表的主要技术指标
●测量范围 数字电压表的测量范围通常以基本量程为基础，借助于衰减器扩展量程。
●输入阻抗 由于集成电路本身的输入阻抗很高，所以数字电压表的输入阻抗主要由衰减器的阻抗决定。
●显示位数 数字电压表的位数是指完整显示位，即能够显示0～9十个数字的那些位。例如，3½位(读作三位半)的数字电压表，只有3位完整显示位；因其最高位只能显示0或1，故称为半位。
●测量速度 测量速度是指每秒钟对被测电压的测量次数，或一次测量全过程所需的时间，它主要取决于A／D变换器的转换速率。
●分辨率 分辨率是数字电压表能够显示被测电压的最小变化值，即显示器末位跳一个字所需的最小输入电压值。例如，最小量程为199.9mV，末位变化为0.1mV，则这台表的分辨率为0.1mV。
三、方案比较
3½位数字电压表最常用的芯片有CC7106和MC14433两种。
1．双积分式A/D转换器CC7106
⑴双积分A／D转换的基本原理
所谓双积分就是在一个测量周期内要进行两次积分：首先，对被测电压Vx进行定时积分，然后对基准电压VREF进行定值积分。通过两次积分比较，将Vx变换成与之成正比的时间间隔；然后，在这个时间间隔内对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果正比于被测电压的数字量。双积分式A／D转换器的组成框图和积分电路的波形，如图9.4.2所示。两次积分的工作过程如下：
1）对被测电压定时积分
设t = t1时，开关S1接通被测电压-Vx，积分器A1对-Vx进行正向积分，其输出电压Vo线性上升，一旦Vo≥0，则过零比较器A2翻转，输出从低电平跳到高电平，打开闸门，时钟脉冲进入计数器计数，经过预定时间T1或计数器预置的数N1后，在计数器溢出(即t= t2)时，产生溢出脉冲，该溢出脉冲通过逻辑控制电路使开关S1接通基准电压VREF，则定时积分阶段结束。定时积分结束时积分器的输出电压
(9.4.1)
式中，fo为计数脉冲的频率：N1为计数器的预置数。
2）对基准电压定值积分
设t= t2时，开关S1接通基准电压VREF ，积分器A1对VREF作反向积分，其输出电压Vo线性下降。当Vo下降到Vo≤0(即t= t2)时，过零比较器A2再次翻转，输出从高电平跳到低电平，闸门关闭，停止计数，逻辑控制电路使开关S2闭合，积分电容C快速放电，积分器恢复到零状态，则定值积分阶段结束。定值积分结束时积分器的输出电压为
(9.4.2)
式中，t2为定值积分的时间，可以通过计数器累计的时钟脉冲N2来计算，即
T2 = N2／fo (9.4.3)
将其代入式(9.4.2)得
(9.4.4)
由式(9.4.1)和(9.4.4)得
(9.4.5)
可见，只要适当选择VREF／N1的比值，被测电压Vx的值就可直接以计数值N2来显示。
⑵CC7106芯片内部结构及引脚功能
CC7106是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟与数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，所以只需外接少量元件就可组成一个3½位数字电压表。若接上各种转换器就可构成各种数字式测量仪表。
驱动电路由多个门构成，可直接驱动液晶显示器；a1-g1、a2-g2、a3-g3分别为个位、十位和百位的笔段驱动端；bc4接千位“1”字的b、c段；PM为负极性指示输出，接千位的“g”段，当PM为负值时，显示负号；BP端输出50Hz方波信号，驱动液晶显示器背面的公共电极；VREF+、VREF-为基准电压端；CREF为基准电容端；COM为模拟信号公共端；INT为积分输出端，接积分电容;BUF为缓冲器输出端，接积分电阻；AZ为积分器和比较器的反向输入端，接自校零电容；TEST为数字逻辑地端，此外，还用来测试显示器的笔段。VDD，VEE为电源正、负极，单电源供电，通常接+9V。IN+、IN-为模拟信号输入端。OSC1～OSC3为时钟振荡器的引出端，主振频率fOSC由外接R1C1的值决定，即，
fosc = 0.45／R1C1 (9.4.6)
CC7106计数器的时钟脉冲fcp是主振频率fosc经÷4分频后得到的，由式(9.4.6)可得
(9.4.7)
设CC7106一次A／D转换所需时钟脉冲的总数为N，则一次转换所需时间
T = N／fCP= 4N / fosc (9.4.8)
2．双积分A/D转换器MC14433
与CC7106相比较，MC14433采用动态扫描显示，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。MCl4433只有24个引脚，其原理框图与引脚功能如图9.4.4所示。图中，VDD和VEE分别接+5V和-5V；VAG为输入模拟电压和基准电压的地端；VSS为各输出信号的地端；Vi为被测电压输入端；VREF端外接基准电压；Co1、Co2外接自动调零电容Co，以补偿输入失调电压的影响。EOC为A／D转换结束信号输出端，每次A／D转换结束时，此端输出一个正脉冲；DU为转换结果的输出控制端，若DU与EOC相连，则每次A／D转换结果都被送入锁存器，再经多路选择输出，若将DU端接VSS，即可实现读数保持：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-Qo输出，其中，DS1选通千位，DS4选通个位：
为超量程信号输出端，=0表示被测电压超出当前量程；CPo、CP1为时钟脉冲输入、输出端；Rl、R1/C1、Cl为外接积分元件端。
对以上两种电路进行比较，CC7106已集成了电压表的全部基本功能及译码、驱动功能，只需配上少数元件便可组成一个液晶显示的电压表。由于液晶显示耗电很小，所以作为便携式仪表更有使用寿命长的优点。MC14433组装的电压表还需配套设计译码、驱动等电路。由于采用了数码管，具有亮度高，显示醒目的优点。由于需要双电源供电，在单电源供电的情况下，需增加电源变换电路。其缺点是耗电量大，不适用于便携式仪表中。因此选择CC7106来设计电压表。
四．液晶显示电压表的电路设计
主要技术指标要求
测量范围分5档200mV、2V、20V、200V、1000V。其中，基本量程为200mV；测量速率2.5次/s；输入阻抗Ri = 10MΩ；显示位数3½位。
1. 液晶显示3½位数字电压表电路如图9.4.5所示。其中，R10、Rl1、Rl2与异或门、开关S2等组成的电路用来驱动和控制小数点；R5～R9组成的电阻衰减网络及开关S1实现量程的手动转换，各档量程分别为200mV、2V、20V、200V和1000V，其中200mV为基本量程，该表的输入阻抗Ri = R5+R6+R7+R8+R9 = 10 MΩ，各档衰减后的电压Vx与输入电压Vi的关系式为Vx= Vi（Rx／Ri），式中，Rx为开关S1的动端对地电阻；R3为限流电阻。熔断丝起过载保护作用。两只二极管与电容C3起过压保护作用。
设CC7106一次A／D转换所需时钟脉冲总数N为4000，而一次转换所需时间T = 1／2.5次= 0.4s，则时钟脉冲频率fCP由式(9.4.8)可得
fCP = N／T ≈ 10kHz
由式(9.4.7)得主振频率
fosc= 4fCP = 40kHz，
再由式(9.4.6)可计算出R1、C1的值。若取C1 = 100PF，则
R1 = (0.45／C1)focs≈112.5kΩ 取标称值120kΩ
积分元件R4、C5及自动调零电容C4的取值分别为R4 = 56kΩ，C5 = 0.22μF，C4 = 0.47μF。R2和RP组成基准电压的分压电路。其中，RP一般采用精密多圈电位器。改变RP的值可以调节基准电压VREF的值。R3、C3为输入滤波电路。电源电压取+9V、C2取0.1μF。
2． 自动量程转换电路设计
自动量程转换就是根据被测电压的大小，自动选择合适的量程，以得到最佳测量精度。
⑴量程转换信号产生电路
①升量程信号的获取。3½位数字电压表的最大显示值为1999，再增加一个字就产生溢出，只在千位上显示“1”，其余位全部消隐。此溢出信号可作为升量程信号。
②降量程信号的获取。CC7106A／D转换器是以静态方式驱动LCD显示器，无BCD码输出端，因此不能直接获得降量程信号，但可利用其它信号来获得。例如，当干位消隐，而百位为0时就需要降量程。由于LCD显示器只有在笔段输出信号为高电平时，相应的笔段才发光，所以通过分析7段显示器的字形结构可以发现，当百位显示0时，一定满足条件b3=f3=1，且
=1(即g3=0，百位的g段消隐)，千位为0时，
=1(即bc4=0)。
图9.4.6是一种获得升量程和降量程信号的电路。图中，升量程信号
，当UR=1时，应升高量程。降量程信号
，当OR=1时，应降低量程。UR和OR信号由各段输出信号与BP端信号异或后，通过组合逻辑电路得到。
⑵利用移位寄存器自动转换量程
如图9.4.6所示的升量程信号UR和降量程信号OR分别送至双向移位寄存器CC40194的控制端So和S1，控制CC40194，以实现右移(升量程)或左移(降量程)．移位寄存器的输出Q0～Q3，经异或门CC4070译码后，得到量程控制信号A、B、C、D、E。量程控制信号用来控制量程转换电路，以转换量程开关位置和显示器上小数点位置。量程开关可采用无触点模拟开关或继电器等。
CC40194的CP脉冲，可用时基电路555产生，其振荡频率约1Hz左右。
五．元器件选择
显示屏应选用与CC7106配套的液晶屏，所有电阻的功率均采用⅛W金属膜电阻;R5～R9应选用五色环精密电阻，其余电阻选用四色环电阻。S1-S2为双刀五掷旋转开关，作量程选择之用，若采用了自动量程转换电路则可采用无触点模拟开关。所有电容可选用涤纶电容或瓷片电容。RP选用精密多圈电位器。
六．电路调试
按照图9.4.5所示电路安装好以后，接入正、负电源，先调节电位器RP使基本量程为200mV时的基准电压VREF= 100mV，然后在电压表输入端Vx接入被测直流电压199.9mV或1.999V，这时在显示器上应分别显示199.9或1.999。调试时应注意小数点的定位开关S2与量程开关S1要分别对应。电路调试完成后，还应检查电压表的其它功能，其检查步骤如下：
①零电压测量。将正输入端Vi+与负输入端Vi-短接，仪表读数应显示“0000”。
②基准电压测量。将Vi+与VREF+短接，读数应为100.0±1。
③显示器笔段全亮的测试。将TEST端(第37脚)与VDD短接，读数应为“1888”。
④负号与溢出功能检查。将Vi+与VEE短接，应显示“-”号(千位g段亮)。当Vi超过仪表量程后即溢出，千位应显示“1”(千位的b、c段亮)，而百位、十位、个位均不亮。
例2. 射频监视切换器
一．任务与要求
在部分电视中继站中，由于经费有限，难以给每套节目配置一套监视设备，因此考虑用一套监视设备来轮流监视多套节目，则需设计一台射频监视切换器。
要求：能轮流监视多套节目，每套节的监视时长为5秒钟左右，巡回时间为30秒，监视6套节目。
在必要时可选择固定监视某一套节目，并可随时返回到巡回方式。
二．方案比较
方案一采用单片机控制，如图9.4.7。它主要由单片机主机(CPU)和2×4键盘电路、输出驱动电路、数码显示电路、时钟发生电路及电源组成。系统工作时，在没有任何按键按动的情况下，由软件控制每隔一定时间（可由软件设定）循环选通6路射频开关，同时由数码电路显示相应的通道号，周而复始一直到有按键（1～6）操作时，可打断此
循环而固定选通某一路射频开关，同时由数码显示电路相应的通道号，直到按下复位按键为止重新开始循环。
方案二采用数字集成电路来设计，其框图如9.4.8。在巡回工作状态下，由定时电路产生一个约5秒钟的脉冲信号，送至计数分频电路，由分频电路的输出端分别选通射频转换控制开关。
在需要固定监视某套节目时，由相应的选通开关选定该路后，令振荡定时电路停振，计数分频电路得不到CP脉冲，但选通节目保持不变。
由于在电视中继站处电磁干扰较强，干扰脉冲往往会造成单片机程序“跑飞”。所以还需设置相应的保护电路。
而这个电路本身并不复杂，同时数字集成电路的工作电压较高，抗干扰能力较强，所以此处采用方案二。
三．单元电路设计
1. 5秒脉冲信号发生器
5秒脉冲信号发生器由一块CMOS十四级二进制计数器/振荡器集成电路CC4060B为主构成，其电路见图9.4.9。它由R1、R2、C1与11、10、9脚相连，组成自激振荡器，产当计数脉冲，其振荡周期为T=2.2R1C1。该计数脉冲被送入十四级二进制计数器中，经213次分频后(约5秒钟)，在Q14端(3脚)输出一高电平，经微分电路C3、R4微分后产生一个触发脉冲，送至计数分配电路CPE端。同时这一高电平经积分电路R3、C2延时后产生一个复位电平作用在R端，使计数电路复位，从而进入下一个5秒定时。
2.巡回/固定监视控制电路
巡回/固定监视控制电路电原理图见图9.4.10。它主要由2部分组成：一部分是由两个或非门G1、G2组成的多谐振荡器。另一部分是由两个或非门G3、G4组成的双稳态触发器。在接通电源的那一瞬间，电源通过电容C5在S端加一高电平，使双稳态电路复位。同时高电平加在多谐振荡器的控制端A，使多谐振荡器停振，多谐振荡器输出高电平被送至计数分配电路的CP端。此时计数分配电路处以巡回监视状态。当需要固定监视某一回路时，只需按下该回路的按键开关（K2～K7）。如果该回路目前处于未被选中状态，则该回路输出端处于低电平。首先，该低电平通过该开关加在G5的输入端B，G5输出端为高电平，该高电平使双稳态触发器复位，
输出高电平，。该高电平通过二极管加在5秒定时器的复位端，使5秒定时器被复位，并使5秒定时器的振荡器停振。其次该低电平使二极管D1导通，多谐振荡器的控制端A处于低电平，多谐振荡器振荡。由于该多谐振荡器振荡频率比较高(约为450Hz)，产生的脉冲被送入计数分配电路的CP端，使计数加快。当被选中的输出端为高电平时，使该路的三极管导通，射频开关被接通。同时这个高电平使二极管D1截止，多谐振荡器的控制端A处于高电平，振荡器停振。此时即使放开按键开关，由于双稳态电路处于复位状态，电路处于固定监视状态。当需要重新进入巡回监视状态时，可按下按键开关K1，使得双稳态电路被重新置位，二极管D2截止，5秒定时器的复位端重新变回低电平，5秒定时器重新开始工作，电路重新恢复到巡回监视状态。
3.计数分配及射频开关电路
计数分配及射频开关电路见图9.4.11。六位计数分配电路由CC4017来组成。将Q6（5脚）的输出接至复位端R（15脚），便成为六进制计输电路。此时G1、G2组成的多谐振荡器停荡，其输出端为高电平，使IC4的CP端（14脚）为高电平，CPE（13脚）为脉冲输入端，5秒定时器产生的5秒周期脉冲经C3、R4微分后送入CPE，使计数分配电路每5秒发生一次翻转，Q0～Q5依次输出高电平，使对应的射频开关电路接通，该路的射频信号经相应的继电器触点接入解调电路。电路以5秒为间隔轮流切换射频输入信号。此时即为巡回监视状态。
当需要固定监视某一回路时，只需按下该回路的按键开关，若该回路此时为低电平，该低电平将使巡回/固定监视控制电路中的双稳态触发器复位，并使5秒定时器的振荡器停振，IC4的CPE（13脚）为低电平，CP端（14脚）成为脉冲输入端。同时G1、G2组成的多谐振荡器振荡，它产生的脉冲串大约在0.1秒左右既可使选定的回路输出变为高电平，该高电平使多谐振荡器停荡，电路处于固定监视状态。
4.译码显示电路
译码显示电路见图9.4.12。由IC4输出的高电平信号经D9～D17组成的编码电路编码后，送至IC5进行译码驱动，使得LED数码管显示出所选定的输入通道号。
5．工作电源
电源电路见图9.4.13。考虑到中继站均采用24V工作电源及后备不间断电源，因此供电电源直接取自24V工作电源，避免因交流停电而无法工作。由于射频监视切换器得工作电源电压为12V，因此需使用一块稳压集成电路7812来进行电压变换。为防止稳压集成电路上的功耗太大，在稳压集成电路的前面还接了一个降压电阻R28。C6 、C7起到滤波作用。
四．元器件选择
IC1～5选用4000系列集成电路，分别是CC4060、CC4001、CC4069、CC4017、CC4513；IC6为稳压集成电路，选用固定三端稳压集成电路W7812；R1～R27可选用1/8 W四色环碳膜（或金属氧化膜）电阻，R28选用2W四色环金属氧化膜电阻；C1～C5 、C7选用涤纶（或瓷片）电容，C6选用铝质电解电容；按键开关K1 ～K7均选用常开型按钮开关；所有二极管均选用硅开关二极管1N4148；数码管选用七段共阴数码管；晶体三极管BG1～BG6选用NPN型低频功率管9013；继电器选用线圈电压为12V的高灵敏电磁继电器。
五．参数计算
5秒脉冲信号发生器的自激振荡器其振荡周期为T=2.2R1C1，若R1的单位为MΩ，C1的单位为μF，则振荡周期的单位为秒。该计数脉冲被送入十四级二进制计数器中，经213=8192次分频后，在Q14端(3脚)输出一高电平，因此其定时时间为
t=8192·2.2·R1C1
当要求定时时间为5秒时，若C1的值选定为0.01μ，则R1的值为27.7KΩ。考虑到对5秒定时时间的要求并不严格，电容的容量也有一定的误差，所以R1选用标称值为27KΩ的电阻。
巡回/固定监视控制电路的多谐振荡器其振荡周期为T=2.2R7C4，若C4选用标称值为0.01μF，R7选用标称值为100KΩ，则其振荡周期
T=2.2R7C4=0.022ms
在电源电路中，为了防止稳压集成电路过热，在输入电源与稳压集成电路之间串联了一个降压电阻，由于7812输入与输出之间的电压差∆U≥3V，此处∆U取4V。由于七段数码管的每段电流取10mA，最大为70mA；高灵敏电磁继电器的工作电流约为30mA；其他电路消耗的电流大约在20～30mA左右，因此整机总电流为130 mA左右。在24 V工作电压下，需用降压电阻降掉8 V，所以R28=8/0.13=61.5Ω，取标称值为62Ω的电阻。
六．总体电路图
图9.4.14是除电源电路以外的总体电路图。
