級電信本一班111102010110歐東

1、電子測量結(jié)課報告題目：數(shù)字式萬用表的設計專業(yè)：電子信息工程 班級：11級電信本一班 姓名：歐 東 學號：分數(shù)： 2013年12月14日摘要數(shù)字萬用表亦稱數(shù)字多用表，是廣大電子技術人員和電子愛好者從事電子測量及維修工作的必備儀表。便攜式數(shù)字萬用表以其功能完善、通用性強、價格低、耗電省、便于攜帶等顯著優(yōu)點，深愛廣大用戶的青睞。數(shù)字萬用表是在20世紀60年代問世的。目前，我國數(shù)字萬用表的產(chǎn)量已躍居世紀首位，便攜式數(shù)字萬用表的年產(chǎn)量已超過1000萬臺，產(chǎn)品遠銷世界100多個國家或區(qū)域。 本文介紹一種基于AT89S51單片機的智能型數(shù)字式多用表,該系統(tǒng)采用MC144333 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器和LED數(shù)

2、碼顯示，可以測量直流電壓、交流電壓、直流電流和電阻，并且具有鍵盤選擇測量對象、量程和自動量程轉(zhuǎn)換功能。目錄第1章 數(shù)字萬用表簡介1第2章 數(shù)字萬用表設計原理12.1 系統(tǒng)設計框圖12.2 系統(tǒng)設計方案3第3章 數(shù)字萬用表硬件設計3 3.1 3½位單片A/D轉(zhuǎn)換器3 3.2 直流電壓測量電路3 3.3 交流/直流轉(zhuǎn)換電路3 3.4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路3 3.5 電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路3 3.6 自動量程轉(zhuǎn)換模塊3第4章 數(shù)字萬用表系統(tǒng)測試3 4.1 直流電壓測試4 4.2 交流電壓測試4 4.3 直流電流測試4 4.4 電阻測試4第1章 數(shù)字萬用表的簡介數(shù)字萬用表（DMM）亦稱數(shù)字多用表，

3、是目前在電子檢測及維修工作中最常用、最得力的一種工具類數(shù)字儀表。它采用的數(shù)字化測量技術，通過對連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）的采樣將其轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字量，并以十進制數(shù)字形式顯示出來。由于內(nèi)部采用了運放電路,內(nèi)阻可以做得很大,往往在1M歐或更大(即可以得到更高的靈敏度)。這使得對被測電路的影響可以更小，測量精度較高。傳統(tǒng)的指針式萬用表功能單一、精度低，已經(jīng)不能滿足數(shù)字化時代的需求，而采用單片A/D轉(zhuǎn)換器構成的數(shù)字萬用表，具有讀數(shù)方便、精度高，測試功能強、集成度高、微功耗、抗干擾能力強等特點，另外帶有單片機的智能型數(shù)字萬用表更是具有自動校準，自動測量，自動數(shù)據(jù)處理和實時通訊等多種功能。目前，

4、數(shù)字萬用表已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，示出強大的生命力。與此同時，由DMM擴展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。第2章 數(shù)字萬用表設計原理2.1 系統(tǒng)設計方框圖 系統(tǒng)測量時，單片機與控制電路控制輸入電路進行功能轉(zhuǎn)換，將輸入信號轉(zhuǎn)換為符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號，然后A/D轉(zhuǎn)換器將其輸出數(shù)據(jù)傳送到單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行智能處理，最后顯示在LED顯示器上。圖2.1 系統(tǒng)設計方框圖2.2 系統(tǒng)設計方案首先以A/D轉(zhuǎn)換器為核心，設計一個多檔的直流電壓測量電路，再在此基礎上對電路進行擴展,使其能多量程的測量交流電壓、直

5、流電流和電阻的測量電路。然后通過單片機編程對各個主要模塊的進行智能控制和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對直流電壓、交流電壓、直流電流和電阻測量對象切換；手動和自動量程轉(zhuǎn)換等功能,并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人們?nèi)粘Ａ晳T的十進制數(shù)字形式顯示在LED顯示器上。所以本設計可以分為直流電壓測量電路；交流/直流轉(zhuǎn)換電路；電流/電壓轉(zhuǎn)換電路；電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路；功能控制和數(shù)據(jù)顯示電路這五個的主要電路模塊。第3章 智能型數(shù)字式多用表硬件設計3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對測量電路極其重要，它的參數(shù)關系到測量電路性能。所以我依據(jù)設計性能指標要求，并綜合A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標和價格選擇了ICL7106和MC14433這兩

6、個A/D轉(zhuǎn)換器作為候選芯片。ICL7106的輸入阻抗為1010，轉(zhuǎn)換速率為0.1-15次/s，轉(zhuǎn)換準確度為±0.05%±1個字；MC14433的輸入阻抗為109，轉(zhuǎn)換速率為3-10次/s，轉(zhuǎn)換準確度為±0.05%±1個字，因此這兩塊芯片的性能指標大大超過設計要求的性能指標。采用MC14433。MC14433是一個低功耗3 1/2位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,與ICL7106相比，MC14433采用動態(tài)掃描顯示，有多路調(diào)制的BCD碼輸出端和超量程信號輸出端，便于與單片機相連構成智能控制系統(tǒng)。MC14433是美國摩托羅拉（Motorola）公司生產(chǎn)的COMS單片3

7、 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，也是目前國內(nèi)外數(shù)字式多用表中普遍采用的一種芯片。MC14433的主要特點：（1） 工作電壓為±4.5-±8V。一般選典型值±5V，工作電流小于2mA，功耗為8mW。（2） 輸入阻抗為109，轉(zhuǎn)換速率為3-10次/s，轉(zhuǎn)換準確度為±0.05%±1個字。（3） 采用CMOS工藝制成的大規(guī)模集成電路(LSI)。（4） 芯片內(nèi)部設有時鐘振蕩器，使用時僅需外接一只振蕩電阻。亦可采用外部時鐘輸入方式，時鐘頻率范圍大約為48kHz-160kHz。（5） 有多路調(diào)制的BCD碼輸出，可直接配微型計算機或打印機。（6） 具有超量程、欠量程指

8、示信號，便于實現(xiàn)自動量程轉(zhuǎn)換。（7） 能增加讀數(shù)保持功能。（8） 采用動態(tài)掃描顯示方式。如圖3.1所示,MC1403提供輸出可調(diào)基準電壓Vref（大小為2V），被測信號（0-2V的直流電壓）從MC14433的Vin引腳輸入A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，每次當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，MC14433的EOC引腳會輸出一個高電平脈沖送給單片機，然后單片機會對MC14433的DS1-DS4引腳進行動態(tài)掃描，讀取MC14433的Q0-Q3引腳的數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換相關理論推導： 圖3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路圖雙積分過程可以由下面的式子表示：因為，故，式中=4000，是定時時間，是變時間，由確定斜率，若用時鐘脈沖數(shù)N來表

9、示時間，則被測電壓就轉(zhuǎn)換成了相應的脈沖數(shù)，實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。 的參數(shù)計算： （式1）式中為積分電容上充電電壓具有自動調(diào)零和自動轉(zhuǎn)換極性功能。幅度，=，且=0.5V， =4000。假定=0.1，=5V，=66kHz。當=2V時，代入式1，可得=480 ，取標稱值470。3.2 直流電壓測量電路 如圖3.2.1所示，被測電壓（0-200V）從DC V端輸入，通過單片機控制模擬開關CD4052選擇相應的量程，將被測電壓值衰減到0-200mV，然后在經(jīng)過由精密運算放大器OP07組成的放大電路，將電壓值放大10倍后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的Vin端。分壓電阻采用誤差為±0.5%的精密金

10、屬膜電阻。圖3.2.1 直流電壓測量電路在實踐中采用該方案時，若輸入信號小于正5伏，結(jié)果正確，但是當輸入信號大于正5伏時，模擬開關CD4052和集成運放OP07CP均工作不正常。向老師請教后，得知該方案中，輸入信號不經(jīng)過任何衰竭直接加在模擬開關的1腳，使模擬開關處于不受保護的狀態(tài)，當輸入信號為大信號時，可能會使模擬開關工作不正常，甚至燒毀模擬開關,且模擬開關與運放直接相連，導致運放處于不受保護的工作狀態(tài)。為了解決這些問題，我修改了設計電路。如下圖3.2.2所示，該電路輸入信號經(jīng)過100千歐的電阻，從集成運放的反相輸入端輸入，由電阻、模擬開關和運放組成放大倍數(shù)可調(diào)的比例電路，并且這個100千歐的

11、電阻還可以起到限流的作用，成功的解決了原電路的弊端。實踐證明，該電路可以達到任務書的要求。圖3.2.2 改進后的直流電壓測量電路3.3 交流/直流轉(zhuǎn)換電路半波整流電路。利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以很容易的得到直流電壓，且能滿足設計要求。如圖3.3所示,這個電路是利用低漂移單運算放大器TL062與二極管D1 1N4148組成平均值響應的線性半波整流電路。該電路可避免二極管在小信號整理時所引起的非線性誤差，使交流/直流轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓與輸出電壓成線性關系，適合測量40-400Hz的正弦電壓，測量準確度優(yōu)于±1%。圖3.3 交流/直流轉(zhuǎn)換電路圖3.4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3.4所示，普

12、通模擬開關可以通過的電流很微小，所以通過單片機控制繼電器來控制線路導通斷開，將被測電流信號（0-500mA）轉(zhuǎn)換為相應的電壓信號（0-200mV），然后經(jīng)過OP07將信號放大10倍，最后輸入A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的Vin端。1A/250V的熔絲管FU為限流保護電路，兩個二極管1N4007構成保護為過壓保護電路。阻值為90、9的電阻采用誤差為±0.5%的精密金屬膜電阻，而阻值為0.4、0.6的電阻通過的電流很大必須采用誤差為±0.5%的精密繞線電阻。圖3.4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖 3.5 電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路利用運算放大器采用反相比例運算的方法進行測量。該方法實現(xiàn)比較簡單，

13、且能滿足設計要求。如圖3.5所示。穩(wěn)壓二極管1N4730A的穩(wěn)壓值為3.9V（即B點處電壓值），采用運算放大器反相比例運算的方法，將B點處的電壓值衰減到2V（即A點處電壓值），單片機通過控制模擬開關MAX4618（超低導通電阻）選擇適當?shù)臉藴蕝⒄针娮鑂1 ，再利用運算放大器反相比例運算的方法，將被測電阻RX的阻值轉(zhuǎn)換成與之相對應的電壓量，輸入A/D轉(zhuǎn)換電路。電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路的計算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1* Uin/ UA。 圖3.5 電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路圖 3.6自動量程轉(zhuǎn)換模塊 采用軟件來實現(xiàn)。通過單片機讀取MC14433的數(shù)字信號來控制模擬開關，從而改變反饋電阻的大

14、小實現(xiàn)檔位的不同選擇，能夠很容易滿足測量范圍的要求。此方案是電路比較簡單，實現(xiàn)也較容易。第4章智能型數(shù)字式多用表系統(tǒng)測試4.1 直流電壓測試測試方案：通過按鈕開關選擇直流電壓檔，由直流穩(wěn)壓源提供電壓進行測量，然后由單片機顯示輸出。檔 位輸入電壓實際電壓誤差(%)200mV50 mV50.4 mV0.84100 mV100.7 mV0.782 V0.5 V0.501 V0.231 V1.003 V0.2620 V5 V5.02 V0.3110 V10.03 V0.25200V50 V50.1 V0.24100 V100.2 V0.23結(jié)果分析：測量誤差大部分在-0.2%+0.2%范圍內(nèi)，在200

15、mV檔測量時，由于沒有精密電阻，實踐所用1M歐電阻誤差較大，所以誤差較大。測量結(jié)果基本滿足要求。4.2 交流電壓測試測試方案：通過按鈕開關選擇交流電壓檔，由函數(shù)信號發(fā)生器提供一個50赫茲左右的正弦交流電壓，輸入到交流端進行測量。檔 位輸入電壓實際電壓誤差(%)200mV50mV50.7 mV1.31100mV101.3 mV1.322 V0.5V0.504 V0.891.0V1.008 V0.7820 V5.0V5.04 V0.8410.V10.09 V0.86輸入電壓頻率為:50Hz結(jié)果分析：交流電壓：0.220V ，誤差<±2 %±2個字，滿足精度要求。4.3 直流電流測試測試方案：通過按鈕開關選擇直流電流檔，由于實驗室沒有直流電流源，我采用正5伏的穩(wěn)壓源，串聯(lián)不同的電阻來提供不同的待測電流。該電流的理論值，由電壓與電阻的比值計算得到。檔 位輸入電流實際電流誤差(%)2mA0.5mA0.508 mA1.611mA1.017 mA1.6820mA5mA5.07 mA1.3410mA10.15 mA1.46結(jié)果分析：直流電流：020mA ，誤差<±2 %±2個字，滿足精度要求。因?qū)嶒炇艺也坏诫娏鬓D(zhuǎn)電壓電路所需的600毫歐和400毫歐特殊精密電阻，實踐中沒有連接200毫安和500毫安檔位的測量電路