数字电子技术

项目五

项目五 简易数字电压表的设计与测试 项目说明： 设计一个数字显示的简易电压表。 要求：测量范围为 0～ 2V ，一次 A/D 转换时间约占 16400 个时钟脉冲，其中积分时间约占 4000 个时钟脉冲，分辨率为 0.1mV， A/D 转换器建议选用 CM144333 。

工作任务： 完成原理图设计、元器件选择、电路逻辑功能仿真测试。

设计步骤

设计步骤

基准电源电路设计 ；

译码驱动电路设计 ；

显示控制电路设计 。

项目实现

任务引领

概述概述11

22 DAC0832 逻辑功能测试

33 ADC0809 逻辑功能测试

44 简易数字电压表设计与测试

课程内容

第七章数 / 模（ D/A ）和模 / 数（ A/D ）

转换7.1 概述7.2 数/模转换器（DAC） 7.3 模/数转换器（ADC） 7.4 简易数字电压表设计与制作

7.1 概述一、数模和模数转换的概念和作用

　　数模转换即将数字量转换为模拟电量 ( 电压或电流 ) ，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。

实现数模转换的电路称数模转换器

Digital - Analog Converter ，简称 D/A 转换器或 DAC 。

　　模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。

实现模数转换的电路称模数转换器

Analog - Digital Converter ，简称 A/D 转换器或 ADC 。

模拟量模拟量

数字量 数字量

模拟量模拟量

数字量数字量

传感器 传感器 被控对象被控对象

自然界物理量自然界物理量

为何要进行数模和模数转换？

数字数字信号信号物理量物理量 模拟信号模拟信号

压力传感器

温度传感器

流量传感器

四路模拟开关

数字控制计算机

DAC 模拟控制器

模拟控制器液位传感器

DAC

DAC…

……

…

模拟控制器

模拟控制器

生 产 控 制 对 象

DAC

ADC

二、数模和模数转换器应用举例

7.2 D/A 转换器 7.2.1 数模转换的基本原理

D/A 转换器（ DAC ）就是一种将离散的数字量转换为连续变化的模拟量的电路。 数字量是用代码按数位组合起来表示的， 每位代码都有一定的权。 为了将数字量转换为模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表每位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。这就是 D/A 转换器的基本指导思想。

D/A 转换器（ DAC ）就是一种将离散的数字量转换为连续变化的模拟量的电路。 数字量是用代码按数位组合起来表示的， 每位代码都有一定的权。 为了将数字量转换为模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表每位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。这就是 D/A 转换器的基本指导思想。

图 7.1 数模转换的示意图

Rf

uO

D/A

U REF

Dn £ 1

D n £ 2

D 0

¡ £

£«C

图 7.1 为数模转换的示意图。 D/A 转换器将输入的二进制数字量转换成相应的模拟电压，经运算放大器 A 的缓冲，输出

模拟电压 uO 。

图中 , D0~Dn-1 为输入的 n 位二进制数字量（其十进制最大

值为 2n-1 ）， D0 为最低位（ LSB ）， Dn-1 为最高位（ MSB ），

uO 为输出模拟量， UREF 为实现转换所需的参考电压（又称基准

电压）。 三者应满足下列关系式：

nREF

O

UXu

2

其中 , X=Dn-12n-1+Dn-22n-2+…+D121+D020 为二进制数字量所代表的十进制数。所以，

)2222(2

00

11

22

11 DDDD

Uu n

nn

nnREF

O

例如当 n=3 、参考电压为 10 V 时， D/A 转换器输入二进制数和转换后的输出模拟电压量如表 7.1 所示。

表 7.1

输入 000 001 010 011 100 101 110 111

uO/V 0 1.25 2.5 3.75 5 6.25 7.5 8.75

一般来说， D/A 转换器的基本组成有四部分，即电阻译码网络、 模拟开关、基准电源和求和运算放大器。

7.2.2 D/A 转换器的类型及主要参数

按工作原理分， D/A 转换器可分为两大类： 权电阻网络

D/A 转换器和 T 型电阻网络 D/A 转换器；按工作方式分有电

压相加型 D/A 转换器及电流相加型 D/A 转换器；按输出模拟

电压极性又可分为单极性 D/A 转换器和双极性 D/A 转换器。

这里介绍几种常见的 D/A 转换电路。

1. 权电阻 DAC

图 7.2 权电阻 DAC 电路原理图

R f

u O

U REF

i

I f

2 0 R

S3

S2

S1

S0

I3

I2 I

1I

0

2 1 R 2 2 R 2 3 R

D3

D2

D1

D0

£

£«C

由图 7.2 可以看出，此类 DAC 由权电阻网络、模拟开关和

运算放大器组成。 UREF 为基准电源。电阻网络的各电阻的值呈

二进制权的关系，并与输入二进制数字量对应的位权成比例关

系。

输入数字量 D3、 D2、 D1和 D0 分别控制模拟电子开关 S3、

S2、 S1和 S0 的工作状态。当 Di 为“ 1” 时，开关 Si 接通参考电

压 UREF ， 反之当 Di 为“ 0” 时，开关 Si 接地。这样流过所有电

阻的电流之和 I 就与输入的数字量成正比。 求和运算放大器总

的输入电流为 ：

3

03

33

22

11

00

3

30211203

3210

22

)22222

2222

ii

iREF

REF

REFREFREFREF

DR

U

DDDDR

U

DR

UD

R

UD

R

UD

R

U

IIIIi

（

若运算放大器的反馈电阻 Rf=R/2 ，由于运算放大器的输入

电阻无穷大，所以 If=i ，则运算放大器的输出电压为

3

04

3

03

22

222

ii

iREF

ii

iREFffO

DU

DR

URRIu

对于 n 位的权电阻 D/A 转换器，其输出电压为

1

0

22

n

ii

inREF

O DU

u

由上式可以看出，二进制权电阻 D/A 转换器的模拟输出电

压与输入的数字量成正比关系。当输入数字量全为 0 时， DAC

输出电压为 0 V ； 当输入数字量全为 1 时， DAC 输出电压为

。权电阻网络 DAC 的优点是电路结构简单， 适

用于各种权码。其主要缺点是构成网络电阻的阻值范围较宽，

品种较多。为保证 D/A 转换的精度，要求电阻的阻值就要很精

确，这给生产带来了一定的困难。因此在集成电路中很少采用

这种 DAC 。

nREFU2

11

2. 倒 T型 DAC

图 7.3为 4位 R-2R倒 T型 D/A 转换器。此 DAC 由倒

T 型电阻网络、模拟开关和运算放大器组成，其中，倒 T 型

电阻网络由 R 、 2R 两种阻值的电阻构成。输入数字量

D3、 D2、 D1和 D0 分别控制模拟电子开关 S3、 S2、 S1和

S0 的工作状态。当 Di 为“ 1” 时，开关 Si 接通右边，相应的

支路电流流入运算放大器；当 Di 为“ 0” 时，开关 Si 接通左

边，相应的支路电流流入地。

图 7.3 4位 R-2R倒 T型 D/A 转换器

R f

uO

IREF

U REF

i I f

R

2R

I3 I2 I1 I0

S3 S2 S1 S0

I3¡ä I2¡ä I1¡ä I0¡äA B C D

D 3 D 2 D 1 D 0

£

£«C

2R 2R 2R 2R

RR

根据运算放大器虚短路的概念不难看出，分别从虚线 A 、 B、 C、 D 向右看的二端网络等效电阻都是 2R ， 所以

8/2/

2/

'2

'11

'33

REF

REF

IIII

III

16/2/

,4/2/

'1

'00

'3

'22

REF

REF

IIII

IIII

其中， IREF 为基准电压 UREF 输出的总电流，即 IREF=UREF/R 。假

设所有开关都接右边，则有：

2

1

4

1

8

1

16

13210 R

UIIIIi REF

由于输入的二进制数控制模拟开关， Di=1 表示开关接通右

边，故有：

13

22

31

40

2222

DDDD

R

Ui REF

推广到 n 位，则有：

)2222(2

2222

11

22

11

00

11

22

110

nnn

REF

nnnn

REF

DDDDR

U

DK

DDD

R

Ui

若 Rf=R ，则运算放大器 C 的输出为

1

0

11

22

11

00

11

22

11

00

22

)2222(2

)2222(2

n

ii

inREF

nnn

REF

nnn

fREFfO

DU

DDDDU

DDDDR

RUiRu

倒 T型 DAC 的特点是：模拟开关不管处于什么位置，流

过各支路 2R 的电流总是接近于恒定值；该 D/A 转换器只采用

R 和 2R 两种电阻， 故在集成芯片中应用非常广泛，是目前

D/A 转换器中速度最快的一种。

图 7.4 电流激励 DAC 工作原理图

3. 电流激励 DAC

30

212

222

DDDIRu fO

£

£«C

8

I

8

I

4

I

2

I

I REF

S 2 S 1 S 0

D 2 D 1 D 0

R f

uO

4 主要参数

（ 1） . 分辨率 DAC 的最小输出电压变化量，也即 DAC 的最小输出电压值

121

FSR

LSB

nU

U分辨率

表示满度输出电压值， FSR 即 Full Scale Range

　　指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。

UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n – 1 ) ULSB

n 位均为 1

例如，一个 10 位的 DAC ，分辨率为 0.000 978 。

DAC 的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。

　　要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。

（ 3） . 转换时间

　　指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。　　转换时间越小，转换速度就越高。

（ 2） . 转换精度

　　指 DAC 实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。

　　它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。

通常要求 DAC 的误差小于 ULSB / 2 。

1 DAC0830 系列

DAC0830 系列包括 DAC0830、 DAC0831和 DAC0832 ，它是由 CMOS Cr-Si 工艺实现的 8 位乘法 DAC ，可直接与 8080、

8048 、 Z80 及其他微处理器接口。 该电路采用双缓冲寄存器，使它能方便地应用于多个 DAC同时工作的场合。数据输入能以双缓冲、 单缓冲或直接通过 3 种方式工作。 0830 系列各电路的原理、结构及功能都相同，参数指标略有不同，为叙述方便，下面以实训中所使用的 0832 为例进行说明。

7.2.3 常用集成 DAC 简介

1 ） 引脚功能

0832 的逻辑功能框图和引脚图示于图 7.6 中。它由 8 位输

入寄存器、 8位 DAC寄存器和 8 位乘法 DAC 组成。 8 位乘法

DAC 是由倒梯形电阻网络和电子开关组成， 其工作原理已在前

面的内容中讲述。 0832 采用 20只引脚双列直插封装。各引脚

的功能说明如下：

CS ：输入寄存器选通信号，低电平有效，同

WR1 组合选通 ILE 。

图 7.6 0832 的逻辑功能框图和引脚图

8 λÊäÈë

¼Ä´æÆ÷

8 λDAC¼Ä´æÆ÷

8 λ³Ë·¨

DAC

V REF (£«)

I out2

Iout1

R FB

AGND

VCC

DGND

MSB

LSB

&ILE

¡Ý1CS

WR1¡Ý1WR2

XFER

LELIDAC0832

Iout1

Iout2

R FB

UREF

ILEWR 2WR 1

1112

9

8

1918 2

LSBDI0

DI 1DI 2DI 3DI

4DI

5DI

6MSBDI 7

CSXFER

7 6 5 416151413

117

20V

CC

¡

ILE ：输入寄存器锁存信号，高电平有效（当 CS=WR1= 0

时， 只要 ILE=1 ，则 8 位输入寄存器将直通数据，即不再锁存）。

WR1 ：输入寄存器写信号，低电平有效，在 CS

和 ILE 都有效且WR1= 0 时， LI=1 ，将数据送入输入寄存器，即为“透明”状态。 当 WR1 变高或 ILE 变低时数据锁存。

XFER ：传送控制信号，低电平有效，用来控制 WR2选通DAC寄存器。

WR2 ： DAC 寄存器写信号，低电平有效，当 WR2 和XFER同时有效时， LE 为高，将输入寄存器中的数据装入 DAC

寄存器； LE负跳变锁存装入的数据。

DI0~DI7： 8 位数据输入端， DI0 为最低位， DI7 为最高位。

Iout1： DAC 电流输出 1 。

Iout2： DAC 电流输出 2。 Iout1 +Iout2 = 常数。

RFB ：反馈电阻。

UREF ： 参考电压输入，可在 +10 V~－ 10 V 之间选择。

VCC ： 电源输入端， +15 V 为最佳工作状态。

AGND ： 模拟地。

DGND ： 数字地。

2 ） 工作方式

(1) 双缓冲方式。 DAC0832包含两个数字寄存器——输入寄存器和 DAC 寄存器，因此称为双缓冲。这是不同于其他DAC 的显著特点， 即数据在进入倒梯形电阻网络之前，必须经过两个独立控制的寄存器。这对使用者是有利的。首先，在一个系统中， 任何一个 DAC 都可以同时保留两组数据；其次，双缓冲允许在系统中使用任何数目的 DAC 。

(2) 单缓冲与直通方式。在不需要双缓冲的场合，为了提高

数据通过率，可采用这两种方式。 例如， CS=WR2=XFER= 0 ，

ILE=1 ， 这 样 DAC 寄存器处于 “透明”状 态 ， 即直

通。 WR1=1 时， 数据锁存，模拟输出不变 ; WR1=0 时，模拟

输 出 更 新 。 这 称 为 单 缓 冲 工 作 方 式 。 又 如 ， 当

CS=WR2=XFER=WR1= 0， ILE=1 时， 两个寄存器都处于直通

状态，模拟输出能够快速反映输入数码的变化。实训 9 中的

0832我们就接成了直通方式，使输入它的二进制信息直接转换

为模拟输出。

　 DAC 转换器件逻辑功能测试

D0~D7

“ 1” ILE

Rb

I0

I1 U0

CSWR1

WR2XFER

-+

UrefUref

直通工作方式

D0~D7

“ 1” ILE

Rb

I0

I1 UoCS

WR1

WR2XFER

-+

UrefUref

双缓冲工作方式

地址译码

WR

D0~D7

“ 1” ILE

Rb

I0

I1U0

CS

WR1WR2

XFER

-+

UrefUref

单缓冲工作方式

地址译码

WR

(a) (b)

(c)

DAC0832 的三种工作方式

7.3 A/D 转换器

A/D 转换器（ ADC ）是一种将输入的模拟量转换为数字量的转换器。要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，通常要经过四个步骤：采样、保持、量化和编码。一般前两步由采样保持电路完成，量化和编码由 ADC 来完成。

A/D 转换器（ ADC ）是一种将输入的模拟量转换为数字量的转换器。要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，通常要经过四个步骤：采样、保持、量化和编码。一般前两步由采样保持电路完成，量化和编码由 ADC 来完成。

1 、 A /D 转换的基本原理和一般步骤1 、 A /D 转换的基本原理和一般步骤

“ [ ]” 表示取整。

基本原理

ADC

D0

D1

Dn-2

Dn-1

…

uI

模拟输模拟输入信号入信号

nn 位二进制数输出位二进制数输出DD = = DDnn-1-1 DDnn-2-2 DD11

DD0 0

可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。

　　△ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它是 ADC 的最小分辨电压。

ＩuD

采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。编码：把量化的结果用二进制代码表示。

A /D 转换的一般步骤

uI(t)

C

量化编码电路

Dn-1

D1D0

…

uI(t)S

采样保持电路

输入模拟量输入模拟量 输出数字量输出数字量

采样信号是否会丢失原信号的信息呢？

对信号进行量化会引起误差吗？

　　量化误差大小与 ADC 的位数、基准电压 VREF 和量化方法有关。

采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱

中最高频率的两倍时，采样信号可以

不失真地恢复为原模拟信号。

量化误差：因模拟电压不一定能被 ULSB 整除，

　量化时舍去余数而引起的误差。

划分量化电平的两种方法

最大量化误差 = = (1/8)V最大量化误差 = /2 = (1/15)V

1 = 1/8V

4 = 4/8V

0

(6/8)V

(7/8)V

000

001

010

011

100

101

110

111

模拟电平

二进制代码

代表的模拟电平

0 = 0V

2 = 2/8V

3 = 3/8V

5 = 5/8V

6 = 6/8V

7 = 7/8V

(5/8)V

(4/8)V

(3/8)V

(2/8)V

(1/8)V

(8/8)V

模拟电平

二进制代码

代表的模拟电平

0 = 0V

1 = 2/15V

2 = 4/15V

3 = 6/15V

4 = 8/15V

5 = 10/15V

6 = 12/15V

7 =14/15V(13/15)V

0000001

010

011

100

101

110

111

(11/15)V

(15/15)V

(9/15)V

(3/15)V

(7/15)V

(1/15)V

(5/15)V

2 、常用 ADC 的类型和主要参数 常用 ADC ADC 的类型

　　常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次

逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但

价格贵；双积分型 ADC 精度高、抗干扰能力强，但

速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，

因而被广泛采用。

一、逐次逼近式 ADC 的转换原理

D/A转换器

N位寄存器

控制逻辑

VI N

START

EOC

VNVREF

锁存缓存器

D7

D0

D3

D5

D1D2

D4

D6

OE

最高位先置最高位先置 11 ，其余全，其余全 00

VVININ与与 80H80H 对应的对应的 VVNN 比较比较

VVININ 大，本位大，本位 D7D7置置 11 ，下位置，下位置 11VVININ 小，本位小，本位 D7D7置置 00 ，下位置，下位置 11如此类推。。。。如此类推。。。。 88 位比较完，输出结果位比较完，输出结果

控制逻辑

VI N计数器

标准电压

－＋

比较器

时钟

积分器输出

t

T2

T1

T

二、双积分式 ADC 的转换原理

对对 VVININ 进行进行固定时间固定时间 TT 积分积分• VVININ 大，积分输出大，积分输出电压高电压高；；• VVININ 小，积分输出小，积分输出电压低电压低；；

然后对然后对标准电压标准电压进行反向积分进行反向积分• VVININ 大，积分时间大，积分时间长长；；• VVININ 小，积分时间小，积分时间短短；；

脉冲计数值与脉冲计数值与 VVININ 对应对应

　　指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。

三、 主要参数

2. 相对精度 ( 又称转换误差 )

　　指 ADC 输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。 1. 分辨率

例如 最大输出电压为 5V 的 8 位 ADC 的分辨率为： 5V / 28 = 19.6 mA 　　分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。

例如 转换误差不大于 1/2 LSB ，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过 1/2 LSB 。

3. 转换时间

转换速度比较：并联比较型 > 逐次逼近型 > 双积分型

数十 ns 数十 s 数十 ms

　　指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。

转换时间越小，转换速度越高。

（ 1） ADC 0809

ADC0809 是一种逐次比较型 ADC ，它是采用 CMOS 工艺

制成的 8位 8 通道 A/D 转换器，采用 28只引脚的双列直插封装，

其原理图和引脚图分别如图 7.8(a) 、 (b) 所示。

3 、常用集成 ADC 简介

图 7.8 ADC0809 原理图和引脚图(a) 原理图； (b) 引脚图

ADC0809

1

256R µç×è½×ÌÝ

¿ØÖÆʱÐò

SAR

Ê÷×´¿ª¹Ø

±È½ÏÆ÷

8 λ A/D

Æô¶¯ ʱÖÓ

8·ģÄ⿪¹Ø

µØÖ·Ëø´æÓëÒëÂë

8 Ä£Äâ

¿ª¹Ø

3λµØÖ·

µØÖ·Ëø´æÔÊÐí

ADC0809

ËøÈý ´æ̬ »ºÊä ³å³ö Æ÷

8λÊä³ö

ת»»½áÊø(ÖжÏ)

Êä³öÔÊÐíUR EF

(£ )UR EF

(£«)VCC

GND

23456789

1011121314

IN3

IN 4

IN 5IN 6

IN 7START

EOC2 £ 5

OECLOCK

V CC£«U

REFGND

2 £ 7

2827262524232221201918171615

IN2

IN 1

IN 0ADDA

2 £ 1

£ U REF2 £ 6

ADDBADDCALE

2 £ 2

2 £ 3

2 £ 4

2 £ 8

该转换器有三个主要组成部分： 256个电阻组成的电阻阶

梯及树状开关、逐次比较寄存器 SAR 和比较器。电阻阶梯和开

关树是 ADC0809 的特点。 ADC0809 与一般逐次比较 ADC 的另

一个不同点是，它含有一个 8 通道单端信号模拟开关和一个地

址译码器，地址译码器选择 8个模拟信号之一送入 ADC 进行

A/D 转换， 因此适用于数据采集系统。表 9.3 为通道选择表。

图 7.8（ b ）中各引脚功能如下：

（ 1 ） IN0~IN7是 8 路模拟输入信号；

（ 2 ） ADDA、 ADDB、 ADDC 为地址选择端；

（ 3 ） 2-1～ 2-8 为变换后的数据输出端；

（ 4 ） START（ 6脚）是启动输入端，输入启动脉冲的下降沿使 ADC 开始转换。脉冲宽度要求大于 100 ns ；

（ 5 ） ALE（ 22脚）是通道地址锁存输入端。当 ALE 上

升沿来到时，地址锁存器可对 ADDA、 ADDB、 ADDC锁定，

为了稳定锁存地址，即为了在 ADC 转换周期内使模拟多路器稳

定地接通在某一通道， ALE脉冲宽度应大于 100 ns 。下一个

ALE 上升沿允许通道地址更新。实际使用中，要求 ADC 开始转

换之前地址就应锁存，所以通常将 ALE和 START 连在一起，

使用同一个脉冲信号，上升沿锁存地址，下降沿启动转换。

（ 6 ） OE（ 9脚）为输出允许端，它控制 ADC 内部三态

输出缓冲器。当 OE= 0 时，输出端为高阻态，当 OE=1 时，允许

缓冲器中的数据输出。

（ 7 ） EOC（ 7脚）是转换结束信号，由 ADC 内部控制逻

辑电路产生。 EOC= 0 表示转换正在进行， EOC=1 表示转换已

经结束。 因此 EOC 可作为微机的中断请求信号或查询信号。显

然只有当 EOC=1 以后，才可以让 OE 为高电平，这时读出的数

据才是正确的转换结果。

3 位半双积分 A/D 转换器： 具有抗干扰性能好 转换精度高（相当于 11 位二进制数） 自动校零 自动极性输出 自动量程控制信号输出 动态字位扫描 BCD 码输出 单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。 转换速度约 1～ 10次 /秒。

在不要求高速转换的场合，如温度控制系统中，被广泛采用

（ 2 ） MC14433芯片

MC14433 的内部结构及引脚功能

CLK0

多路选择开关

控制逻辑 CMOS线性电路

DU EOC

Q0 Q3～ DS1 DS4～

123456789101112

242322212019181716151413

VAGVRVXR1

R1/C1C1C01C02DU

CLK1CLK0VEE

VDDQ3Q2Q1Q0DS1DS2DS3DS4OREOCVSS

MC14433锁存器

个 溢出

极性判别

十 百 千

1时钟

CLK1

R1 C02C01C1R1/C1

OR

VRVAGVX

转换电压量程： 199.9mV或 1.999V 。 基准电压：＋ 200mV 或＋ 2V 两种。

字位动态扫描 BCD 码输出：千、百、十、个位BCD 码轮流地在 Q0～ Q3端输出，同时在 DS1～DS4端出现同步字位选通信号。

外接器件：时钟振荡器外接电阻 RC 、外接失调补偿电容 C0 和外接积分阻容元件 R1、 C1 。

引脚功能如下： VAG ：被测电压 VX 和基准电压 VR 的接地端 VR ：外接输入基准电压（＋ 2V 或＋ 200mV） VX ：被测电压输入端。

R1、 R1/C1、 C1 量程为 2V 时， C1=0.1µF， R1=470kΩ 量程为 200mV 时， C1=0.1µF， R1=27kΩ 。 C01、 C02 ：外接失调补偿电容 C0端

C0 的典型值为 0.1µF 。

DU ：更新转换结果控制端。常与 EOC 连接 CLK1和 CLK0 ：时钟振荡器外接电阻端

RC 值为 300kΩ ，时钟频率为 147 kHz（每秒约转换 9 次）

VEE ：负电源端，接－ 5V VDD ：正电源端，接＋ 5V

VSS ：数字地。通常将 VSS接 VAG EOC ：转换周期结束标志。转换结束时输出

一个宽度为时钟周期二分之一的正脉冲

OR ：过量程标志。过量程时输出低电平。 DS1～ DS4 ：多路选通脉冲输出端。 DS1 对应千

位， DS4 对应个位。

千位 百位 十位 个位

0. 5T

18T2T

EOC

DS1

DS2

DS3

DS4

Q0 Q3～

16400T

DS1DS1 有效时有效时－－－－千位千位DS2DS2 有效时有效时－－百－－百位位DS3DS3 有效时有效时－－－－十十位位DS4DS4 有效时有效时－－－－个个位位

Q0～ Q3： BCD 码数据输出线。在 DS1 选通期间，除了表示千位的 0、 1 外，还表示转换值的正、负和欠、过量程，见下表： Q3Q3－－－－ 00、、 11

Q0Q0为为 00

Q2Q2－－－－正、负正、负

Q3Q3－－－－欠、过欠、过Q0Q0为为 11

工作原理：

MC14433 是双积分的 A/D 转换器。双积分式的特点是线路结构简单，外接元件少，抗共模干扰能力强，但转换速度较慢。

MC14433 的逻辑部分包括时钟信号发生器、 4 位十进制计数器、多路开关、逻辑控制器、极性检测器和溢出指示器等。

时钟信号发生器由芯片内部的反相器、电容以及外接电阻RC 构成。 RC 通常可取 750 kΩ、 470 kΩ、 360 kΩ 等典型值，

相应的时钟频率 f0依次为 50 kHz、 66 kHz、 100 kHz 。采用外

部时钟频率时，不得接 RC 。

计数器是 4 位十进制计数器，计数范围为 0~1999 。锁存器用来存放 A/D 转换结果。

MC14433 输出为 BCD 码， 4 位十进制数按时间顺序从Q0~Q3 输出。 DS1~DS4 是多路选择开关的选通信号，即位选通信号。 当某一个 DS信号为高电平时，相应的位被选通，此刻Q0~Q3 输出的 BCD 码与该位数据相对应。当 EOC 为正脉冲后，

选通信号就按照 DS1 （最高位，千位）→ DS2 （百位）→ DS3

（十位）→ DS4 （最低位，个位）的顺序选通。 选通信号的脉

冲宽度为 18个时钟周期（ 18TCP ），相邻的两个选通信号之间

有 2TCP 的位间消隐时间。这样在动态扫描时，每一位的显示频

率为 f1=f0/80 。若时钟频率为 66 kHz ，则 f1=800 Hz 。

实际使用 MC14433 时，一般只需外接 RC、 R1、 C1和 C0 即

可。 若采用外部时钟，就不接 RC ，外部时钟由 CP1 输入。使用

内部时钟时 RC 的选择前面已有叙述。积分电阻 R1 和积分电容 C1

的取值 和 时钟频率的 电 压 量 程 有 关 。 若 时钟频率为 66

kHz， C1=0.1μF ， 量程为 2 V 时， R1取 470 Ω ；量程为 200 mV

时， R1取 27 kΩ 。失调补偿电容 C0推荐值为 0.1μF。 DU 端一

般和 EOC 短接，保证每次转换的结果都被输出。

7.4 简易数字电压表设计与测试7.4 简易数字电压表设计与测试

1. 实训目的

（ 1 ）掌握数字电压表的设计、组装与调试方法 。

（ 2 ） 掌握数模转换的基本原理和工作过程。

（ 3 ）熟悉集成电路 MCl4433，MCl413， CD451l

和MCl403 的使用方法，并掌握其工作原理 。

2. 实训设备和器件

实训设备：万用表， 示波器， 信号源， 直流电源。

实训器件：

(1) MCl4433 1 片 (5)4 位七段显示器 1片

(2) CC4511 1 片 (6) 电位器 1 kΩ 1个

(3) TD62003AP 1 片 (7) 电容 0.1μF 2个

(4) MCl403 1 片 (8) 导线若干

(9) 电阻 100Ω * 7 470 kΩ*2

数字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——3 1／2 位 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MCl403 和共阴极 LED 发光数码管组成。 本系统是 3 1／ 2 位数字电压表， 3 1／ 2 位是指十进制数 0000～ 1999。所谓 3 位是指个位、十位、百位 , 其数字范围均为 0～ 9，而所谓半位是指千位数，它不能从 0 变化到 9 ，而只能由0 变到 l ，即二值状态，所以称为半位。

数字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——3 1／2 位 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MCl403 和共阴极 LED 发光数码管组成。 本系统是 3 1／ 2 位数字电压表， 3 1／ 2 位是指十进制数 0000～ 1999。所谓 3 位是指个位、十位、百位 , 其数字范围均为 0～ 9，而所谓半位是指千位数，它不能从 0 变化到 9 ，而只能由0 变到 l ，即二值状态，所以称为半位。

3. 设计依据3. 设计依据

各部分的功能如下： 3 （ 1／ 2 ） 位 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。

各部分的功能如下： 3 （ 1／ 2 ） 位 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。

4 、实施方案4 、实施方案

数字电压表原理框图如下 :数字电压表原理框图如下 :

基准电压

积分 RC元件

3 1／ 2位

A/D电路

字形译码驱动电路

显示电路

字位驱动电路

由数字电压表原理框图可知 ,数字电压表由五个模块构成 ,分别是基准电压模块 , 3 1／ 2位 A/D 电路模块 , 字形译码驱动电路模块 , 显示电路模块 , 字位驱动电路模块 。

由数字电压表原理框图可知 ,数字电压表由五个模块构成 ,分别是基准电压模块 , 3 1／ 2位 A/D 电路模块 , 字形译码驱动电路模块 , 显示电路模块 , 字位驱动电路模块 。