1、数字化测量技术实验指导书沙占友 睢丙东 编河北科技大学信息学院电子信息工程系2006.11 修改2实验一 动态扫描与无效零自动消隐电路设计一、实验目的目前，动态扫描及无效零自动消隐技术已被广泛用于新型数字仪表、智能仪器和微机系统中。1. 动态扫描显示所谓动态扫描显示，就是让各位数码管按照一定的顺序轮流显示，其显示效果和常规的静态驱动相同。与静态驱动相比，动态扫描显示具有以下优点：第一，能显著降低显示器的功耗，这对于采用电池供电的便携式数字仪表尤为重要；第二，能大大减少显示器的外部引线，给印刷电路板的设计和安装带来方便；第三，能采用 BCD 码多路输出的方式，不仅使译码、驱动电路大为简化，还可以
2、与微机相连；第四，只要位扫描信号频率足够高，由于人眼的“视觉暂留”现象，就观察不到闪烁现象。正是由于动态扫描显示具有上述优点，许多专用大规模集成电路（例如ICM7216、MC14433 ）都采用了这种工作方式。实现动态扫描的方案很多，大体上可以分成两类：第一类是利用位选通信号直接驱动各位 LED 显示器（必要时中间可加达林顿驱动器）；第二类是把位选通信号加至译码驱动器的消隐控制端，间接的控制 LED 显示器的亮灭。本实验选择第二类方案（第一类方案将在实验四中介绍）。2. 无效零自动消隐所谓无效零，包括下述两种情况：第一种：整数前面的零均属于无效零（亦称前导零）；第二种：小数点后面的无效零。如果
3、显示出无效零，既不符合人们的读数习惯，也给观察和记录带来不便，还增加了显示功耗。近年来，新型数字 IC 的问世，为设计自动消隐无效零的电路提供了便利条件。本实验目的：（1）通过实验，了解动态扫描显示及无效零自动消隐的特点，设计方案及应用。（2）通过实验，掌握利用译码驱动器 14513 和节拍发生器 4017 实现动态扫描显示的电路设计。（3）通过实验，掌握用 14513 进行级联，实现无效零自动消隐的电路设计。二、预习内容动态扫描与无效零自动消隐实验板的总电路如图 1 所示。1. 电路工作原理3由 R34、R 35、C 3 组成的两级反相 RC 振荡器，振荡频率 fo 30kHz，经过 406
4、0 逐级分频，从中即可选出合适的频率作为扫描频率 fs。一般要求 fs50N（Hz），N 是显示器的位数，若为观察动态扫描的特殊效果，也可选低频扫描频率，此时将会看到闪烁现象。将扫描频率 fs 加至 4017 的 CP 端。并将 Y4 与 Cr 端短接，使 4017 按照每四拍一个循环来工作。输出的拍脉冲 Y0Y3 分别接四片 14513 的 端，即可控制各位数码管扫BI描显示。4加法计数器由两片 4518 进行级联后构成，输出的 BCD 码送 14513 进行译码，计数脉冲 fCP 也取自 4060。本电路具有无效零自动消隐之功能（个位属于保留位），此外还增加了开机自动复位电路。2. 主要元
5、器件明细表名 称 型 号 数 量锁存、译码、驱动器 14513 4 片14 级二分频器 4060 1 片节拍发生器 4017 1 片双 BCD 同步加法计数器 4518 2 片六反相器 4069 1 片共阴红 LED 数码管 KD-5101AB 4 只R0R27 RJ-0.25W-330 28 只R28R33 RJ-0.25W-100k 6 只R34 RJ-0.25W-47k 1 只R35 RJ-0.25W-15k 1 只R36 RJ-0.25W-10k 1 只C1、 C2 0.01F 聚丙稀电容 2 只C3 1000 pF 聚丙稀电容 1 只复位键、灯测试键 TP801B 键 2 只电源线
6、自制 2 根短路线 自制 2 根3. 电路实验板的设计特点（1）采用双面印刷板，用+5V 电源供电，印制板上端有电源插座。（2）设有灯测试键，按下该键个位显示全亮笔划“8”。（3）拔掉 4017 后，四位显示器作静态显示，此时显示功耗将明显增大。（4）扫描频率可以选择。（5）计数频率可以选择。（6）为便于观察，显示器安装在实验板的正面。4. 做试验前要求熟悉并掌握以下内容（1）14513 的引脚功能，接线特点，实现动态扫描及无效零自动消隐的电路设计方法。（2）4518 的级联方法。（3）4060 的逻辑功能。（4）4017 的逻辑功能及如何实现四拍一循环。有关 4017 的内容参见课本相关章节
7、。（5）扫描频率的正确选择。（6）由门电路组成的开机自动复位及手动复位电路。（7）两级反相 RC 振荡器的工作原理。5（8）与实验相关仪器的正确使用方法。（9）拔插集成电路的正确方法。三、实验仪器1. HY1711-2 型直流稳压电源 1 台2. SS7802 型双踪示波器 1 台3. VC890D 型数字万用表 1 块4. 小螺丝刀 1 把四、实验内容1. 给直流稳压电源通电，把输出电压调整到+5V。2. 接通实验板电源。注意！电源极性不得接反，否则会烧毁 IC。3. 用示波器观察并绘出下述波形，同时根据测出的周期，估算出频率值。用示波器测波形时，把测试探头的地线夹到实验板右下脚的 GND
8、环上，测试探头钩到相应的测试环上。（1）4060 第 9 脚（CP 0）、第 6 脚（Q 7）、第 3 脚（Q 14）。从中选出一个合适的频率作为扫描频率 fs，并用短路线将该端与实验板右下脚的 CLK 插孔接通。再选一个频率输出端作为 4518 的计数频率 fcp，并用短路线将该端与实验板左下脚 CP 插孔接通。（2）观察 4017 第 3 脚（Y 0）、第 2 脚（Y 1）、第 4 脚（Y 2）、第 7 脚（Y 3）的波形。（不需要再测周期）。观察 Y3 的电压幅度是否接近 5V。4. 观察作动态扫描时的显示特点。5. 将 VC890D 拨至 200mA DC 挡，串接在一个电源进线端，测
9、出总电流值（使用微功耗 CMOS IC 时，可认为此电流即显示电流），注意测电流时应在显示 8888 时读数。6. 将 fs（CLK 端）接至最低扫描频率，观察慢扫描的显示特点。7. 把 fcp（CP 端）接至最低计数频率，按下复位键（RESET）后，观察无效零自动消隐的特点。8按下复位键，再按下灯测试键（LT），观察个位是否显示全亮笔划。并测出此时的显示电流（一位全亮笔划电流）。9关闭稳压电源后，用螺丝刀将 4017 轻轻翘起，拔下。先把 VC890D（200mA DC 挡）串入电源进线端，再打开电源，观察静态显示特点，并测出显示 8888 时的静态显示总电流。待测试完毕关掉电源，插上 40
10、17。10检查开机自动复位和手动复位。用示波器观察 R32 下端输出的复位脉冲波形和幅度。11关机，清理实验台和实验室。五、实验报告要求1. 整理数据，绘波形图表 1 在不同显示方式下的显示功耗比较6显示方式 I/mA UDD/V P/W动态扫描显示静 态 显 示全亮笔划显示说明： I 是用 VC890D 200mA DC 挡测得的总电流； U DD 是电源电压； 全亮笔划显示要折合成 4 位来计算。表 2 主要波形测 试 端 波 形 周 期T / s 频 率f / HzCP0Q7Q142. 简述 4060、4017、14513 进行动态扫描时的接线要点。3. 简述用 14513 实现无效零自
11、动消隐时的接线要点。4. 通过实验总结出动态扫描显示及无效零自动消隐的优点。5. 说明 R28R31 的作用，为何拔掉 4017 后就变成静态显示？6. 说明 R36 之作用，为何按下 LT 键后个位可显示全亮笔划？7. 简述复位电路工作原理。8. 通过实验你有何体会和收获？实验二 单片开关式集成稳压器电路设计与调试一、实验目的开关电源被誉为高效节能电源，由于内部器件工作在高频开关状态，所以它本身消耗的能量很低，电源效率可达 85%，甚至 90%以上，比普通线性集成电源（即串联调整式稳压电源）提高了将近一倍。开关式集成稳压器代表了稳压电源的发展方向。最初它只是用在通信卫星和宇宙飞船中，而现在愈
12、来愈多的电子计算机、电子仪器设备、彩色电视机都普遍采用开关电源，开关电源的迅速推广，必将产生巨大的经济效益。开关电源大多采用脉宽调制（PWM）方式，通过改变脉冲宽度来调节输出脉冲的占空比 D，维持输出电压 UO 不变。随着功率集成技术的发展，目前已能把功率开关管也集成在脉宽调制器的芯片中，封装成单片开关式集成稳压器，使外围电路大为简化。单片开关式集成稳压器的问世，7更为开关电源的推广和普及创造了良好的条件。单片开关式集成稳压器的典型产品有ST 公司生产的 L4960（2.5A）。本实验目的：1. 通过实验，了解开关电源“高效、节能”的显著特点。2. 掌握单片开关式集成稳压器 L4960 的电路
13、设计。3. 掌握 L4960 的调节原理及方法。二、预习内容1. 元器件明细表名 称 型 号 数 量单片开关式集成稳压器L4960 1 片快恢复电流二极管 ESAC85M（8A，90V） 1 只储能电感 L 150H 1 只R1 RJ-0.25W-15k 1 只R2 RJ-0.25W-4.3k 1 只R3 RJ-0.25W-2.2k 1 只实芯电位器 RP WS20-15k 1 只C1 3300F/50V 电解电容 1 只C2 2200pF 聚丙稀电容 1 只C3 0.033F 聚丙稀电容 1 只C4 2.2F 电解电容 1 只C5 ， C6 220F 电解电容 2 只连接线 自 制 4 根铝
14、散热板 自 制 1 块2. L4960 的工作原理L4960 采用 7 引线的 S-7（即 TO-220）封装，使用时需加散热器，输入电压范围UI=946V，输出电压范围 UO=5.140V，最大输出电流 IOM=2.5A，最大输出功率POM=100W，占空比调节范围 D=0100%，电源效率可达 90%以上。L4960 内部框图见课本，主要包括：5.1V 基准电压源和误差放大器；锯齿波振荡器；PWM 比较器和功率输出级；软启动电路；输出限流保护电路；芯片过热保护电路。C1 是输入端滤波电容，R 1、C 3 误构成差放大器的频率补偿网络，R 2、C 2 是锯齿波振荡器的定时电阻和定时电容。振荡
15、频率 f0 =1/R2C2。现取 R24.3k，C 2=2200pF，则f0 100kHz。 C4 是软起动电容，以保证输出电压缓慢的建立，对芯片起到保护作用。 L是储能电感，C 5 是储能电容兼滤波电容，VD 1 是续流二极管。取样电阻 R3、R 4 组成分压器，改变两电阻的比值即可调节输出电压 UO，有关系式UO= V5)(34.RL4960 的基本工作过程是：输出电压 UO 经过 R3、R 4 取样，送到误差放大器的反相8输入端，与加在同相输入端的 5.1V 基准电压进行比较，得到误差电压 Ur，再用 Ur 的幅度去控制 PWM 比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和输出电路，使 UO
16、 保持不变。 3L4960 的应用电路L4960 的应用电路见图 2。R 4 采用 15k 实芯电位器，R 3 取 2.2k。利用公式不难求出，当 R40 时，U O 5.1V；当 R415k 时， UO= 。输出40V5.1)2.k(1电压调整范围为 5.140V。由于本实验板的 UI 取自直流稳压电源，限定为 30V，故输出电压的实际调整范围约为 5.128V（空载时可达 29V）。实际电路将 C5 与 C6 并联后作为滤波电容，以减小等效电感。设计电路时应将信号地线与功率地线分开布置，最后在输出端汇合。4使用注意事项（1）L4960 本身最大功耗为 7W，使用时必须设计合适的铝散热板。（
17、2）尽管 L4960 内部有较完善的保护电路，仍须防止输出端短路。特别是带负载后，短路时间一旦超过规定时间，就会造成稳压器的永久性损坏！图 2（3）为防止损坏芯片和滑线变阻器，做实验时，输入电压不得超过 30V，输出电流（即负载电流）不得超过 1A。例如，在极端情况下，取 UO30V ，I O1A，则负载电阻 RL30 。使用滑线变阻器作负载时，要求 RL30！三、实验仪器1. HY1711-2 型直流稳压电源 1 台2. SS7802 型双踪示波器 1 台3. VC890D 型数字万用表 1 块4. RXH-A14 型滑线变阻器 1 台5.小螺丝刀 1 把四、实验内容91. 给直流稳压电源通
18、电，将电源电压（即 L4960 的输入电压 UI）调整到 30V。2. 接通实验板输入电压 UI 的电源。注意！先按正确极性连线，后打开稳压电源。3. 用示波器观察 L4960 第 5 脚的波形，画出波形图，并根据测出的周期，算出振荡频率 fo 值。4. 空载实验（不接负载） 切断电源，将 R4 调整到 0 位置（用小螺丝刀将 RP 逆时针转到头）。打开电源，利用数字万用表的 20V DC 挡测 UO 值。 将 R4 调整到最大阻值（用小螺丝刀将 RP 顺时针转到头）。用数字万用表的200V DC 挡测 UO 值。记下 UO 空载调整范围。5. 带负载后的实验（R 4 仍保持在最大阻值）： 关
19、闭电源，接上滑线变阻器作为假负载 RL。 将 RL 调整到 200 位置（可用数字万用表的 2k 挡检测电阻值）。打开电源，利用数字万用表的 200V DC 挡测 UO 值。 将 RL 分别调至 100 ，50，30 位置，重复步骤 的内容。注意：调 RL 之前必须先关掉电源，并且 RL 不得低于 30，更不得短路！为保证RL 值准确，每次调整时要用数字万用表的 200 挡检测 RL 电阻值，符合实验要求后才允许通电实验。6. 在负载 RL30 的情况下，维持 UI30V 不变，用螺丝刀调整 RP，同时用数字万用表的 200V DC 挡测 UO 值，观察 UO 能否连续变化。同时用示波器观察
20、L4960 第 7脚波形，了解占空比的变化规律：DU O，DU O。7. 关机，清理实验台和实验室。五 实验报告要求1. 整理数据表 1 振荡频率 foR2/k C2/pF fo/kHz理论计算值 实测值表 2 输出电压 UO 的调整范围空载（R L ）RL 302. 通过本实验你对开关电源是“高效节能电源”的说法有何认识？举例说明。提示：当 D 100时可近似认为 IOI I（I I 是开关电源的输入直流电流）。则电源效率 ，可分别计算一下 UI30V 时，在空载和 RL30 这两种情况下的%U10IO 值，并与线性电源相比较，从中即可得出结论。3.使用 L4960 时有哪些注意事项？（不作
21、解释）。表 3 开关电源输出功率 PO*RL/ UI =30/V 纹波电压/U P-P IO/A PO/W102001005030* UI 保持 30V。 ，I O 不用实际测量，计算出即可。OLUPRI4. 已知 L4960 的 TjM 为 150，P DM7W ，设 TA40，L4960 采用 S-7 封装，RA 7/W，拟采用 2mm 厚铝板，试设计铝散热板之表面积应取多大？5. 通过本实验你有何收获和体会？实验三 3位数字电压表电路设计与调试一、 实验目的近年来，随着 CMOS LSI 技术的发展，由单片双积分式 A/D 转换器构成的DVM、 DPM 和 DMM 以及其他专用数字仪表获
22、得了广泛应用。本实验所用 MC14433 型 3位 A/D 转换器具有以下特点：（1）工作电压范围是 4.58V。典型值为 5V，功耗约 8mW。（2）A/D 转换精度： 0.05 1 个字（位十进制相当于 11 位二进制），转换速率为 310 次 /s。（3）具有自动调零和自动转换极性之功能。（4）有多路调制的 BCD 码输出，可以方便的与微机相连，或打印记录。（5）能获得超量程（OR）和欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。（6）具有读数保持功能。（7）采用共阴极 LED 动态扫描显示方式，不仅降低了显示功耗，还使外部接线大为简化。MC14433 的引出端功能和典型应用电路，参见课本。本实验目的：1. 通过实验了解 3位 A/D 转换器的主要特点和用途。2. 掌握用 MC14433 组成 DVM 的电路设计。3. 掌握 3位 DVM 的调试方法。4. 掌握 3位 DVM 的使用方法。5. 进一步掌握动态扫描的第一种电路设计方案。二、 预习内容3位数字电压表的电路如图 3 所示。1. 元器件明细表名 称 型 号 数 量3位 A/D 转换器 14433 1 片
