毕业综合实践数字万用表的设计与制作

1、毕业综合实践课题名称： 数字万用表的设计与制作 作 者： 陈夏 学 号：09032110 系 别： 电气电子工程系 专 业： 电机与电器 指导老师： 颜晓河 专业技术职务 2011年 3月 浙江温州目 录1 引 言12 数字万用表设计与制作的目的与要求引 言万用表又称多用表、三用表、复用表，是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻等，有的还可以测量交流电流、电容量、电感量以及半导体的一些参数（如）。数字万用表作为电子测试领域不可缺少的产品之一，应用范围最为广泛。数字万用表亦称数字多用表,简称dmm(digtial multimeter)。传统的指针式万

2、用表功能单精度低，不能满足数字化时代的需求，数字万用表是利用模/数转换原理，将被测量数据转化为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种测量仪表。与指针式万用表相比，新一代数字万用表具有精度高、速度快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、可扩展尾强、集成方便、抗干扰能力强、测量自动化程度高等优点，因而被广泛应用，得到工程师的青睐。2数字万用表设计与制作的目的和要求2.1数字万用表设计与制作的目的通过对一台正式产品数字万用表dt9205a部分零部件的焊接、安装和调试，让我们更好的了解电子产品的生产工艺流程，掌握常用元器件的识别和测试及电子产品生产基本操作技能，培养学生的动手能力。2.2数字万用表设

3、计与制作的要求（1）、学会分析基本的电路（2）、收集数字万用表的各种资料（3）、熟练掌握protel99se和autocad的使用方法（4）、能够对系统进行设计（5）、绘制电路图和面板图（6）、掌握焊接与调试的方法框图3万用表的基本结构万用表的框图、工作原理及特点3.1万用表的框图及工作原理dt9205a 仪表主要部分的方框图如下图。该仪表的心脏是一片大规模集成电路，该芯片（7106）内部包含双积分a/d 转换器，icl7106集成电路和液晶显示器，参数转换电路四个部分组成，它的工作原理框图见下图。第一阶段，输入仪表的电压或电流信号经过一个开关选择器转换成一个0 到188.8mv 的直流电压。

4、例如输入信号100vdc，就用1000：1 的分压器获得100.0mvdc；输入信号100vac，首先整流为100vdc，然后再分压成100.0mvdc。电流测量则通过选择不同阻值的分流电阻获得。入端与比较器输出端短接，此时反映到比较器的总失调电压对自动调零电容caz充电,以补偿缓冲器，积分器和比较器本身的失调电压，可保证输入失调电压小于10uv，第三，基准电压vref 向基准电容cref 充电，使之被充到vref，为反向积分做准备。第二阶段，正向积分（亦称信号积分或采样）int（integral）：此时sint 闭合，saz 和sde 断开，切断自动调零电路并去掉短路线，in+，in-端分别

5、被接通，积分器和比较器开始工作。被测电压vin 经缓冲器和积分电阻后送至积分器。积分器在固定时间t1 内，以vin /（rint-cint）的斜率对vin 进行定时积分。令计数脉冲的频率为fcp，周期为tcp，则t1=1000 tcp。当计数器计满1000 个脉冲数时，积分器的输出电压为 （3.1）式中，k 是缓冲放大器的电压放大系数，t1 也叫采样时间。在正向积分结束时，vin 的极性即被判定。第三阶段，反向积分，亦称解积分de（decompose integral）：在此阶段，saz，sint 断开，sde+，sde-闭合。控制逻辑在对vin 进行极性判断之后，接通相应极性的模拟开关，将c

6、ref 上已充好的基准电压接相反极性代替vin，进行反向积分，斜率变成vref/（rint-cint）。经过时间t2，积分器的输出又回到零电平，参见示意图3，该图分别绘出对负极当反向积分结束时，有关系式 （3.2）将式（1）代入式（2）中整理后得到 （3.3）假定在t2 时间内计数值（即仪表显示值，不考虑小数点）为n，则t2 为n tcp，代入式（3）中得到 （3.4）分析式4可知，因t1，tcp，vref 均是固定不变的，故计数值n 仅与被测电压vin成正比，由此实现了模拟量-数字量转换。在测量过程中，icl7106 能自动完成下述循环自动调零-正向积分-反向积分-自动调零-a/d 转换器的

7、时序波形如图3 所示，每个阶段的时间分配如下：自动调零时间：1000tcp-3000tcp正向积分时间t1：3000tcp-4000tcp（t1=1000tcp）反向积分时间t2：0-2000tcp每个a/d 转换周期为4000tcp，折合16000t0需作几点说明：（1） 自动调零时间是可变的，必须等上一次反向积分结束后才开始。举例说明，若在0-1850tcp 时间内完成反向积分（t2-1850tcp），就从1851tcp-3000tcp 的时间内自动调零，此时调零时间为3000tcp -1851tcp=1149tcp（2) t1 是固定不变的，t2 则随vin 的大小而变化，因为t1/tc

8、p=1000，选基准电压=vref=100.0mv，所以由式（4）得到 （3.5）即 vin=0.1n （3.6）只要将小数点定在十位后边便可直读结果。满量程时n=2000，vin=vm，由式可导出满量程电压vm与基准电压的关系式vm=2vref （3.7）显然，当vref=100.0mv 时，vm=200mv，verf=1000mv 时，vm=2v。式（7）对icl 系列3 1/2 位a/d 转换器均适用。3 1/2 位dvm，dmm 的最大显示值为1999，满量程时将显示过载符号“1”。 (3) 上述定时关系由7106 本身特性所决定，外界无法改变。 (4) 为提高双积分数字仪表抑制工频干

9、扰的能力，所选采样时间t1 应为工频周期的整倍数。利用正向积分阶段对输入电压取平无均的特点，即可消除外界引入的工频干扰。我国采50hz 交流电网，其周期为20ms，应选t1=n·20ms （3.8）式中n=1，2，3。n 愈大，对串模干扰的抑制能力愈强，但a/d 转换时间延长，测量速率降低，例如可取时钟频率f0=40khz，即t1=1000tcp=100ms，恰是20ms 的5 倍，欧美国家采用60hz 交注电网，周期是16 2/3ms。为抑制60hz 干扰，可选f0=33 1/3khz，40khz，48khz，60khz 等。实际上考虑到交流电网的频率也会有一定波动（例如在50&#

10、177;0.5hz 范围内变化），一般情况下并不要求时钟频率严格等于规定值，允许有一定的偏差。但时钟频率的稳定性应尽量高，否则在t1，t2 两个时间内tcp不等，会影响转换准确度。3.2数字万用表的特点一、显示直观数字万用表采用数显技术，使测量结果一目了然，不仅能准确读数，还能缩短测量时间。dt9205a数字万用表的显示位数为3 1/2位，最大显示1999。二、准确度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合，它表示测量值与真值的一致程度，也反映了测量误差的大小。准确度愈高，测量误差愈小。dt9205a数字万用表的准确度为正负0.1%至正负0.05%。三、灵敏度高数字万用表的分辨力（数字仪表

11、在最低电压量程上末位一个字所对应的数值称分辨力。分辨力是仪表对下限被测量值的反应能力，它反映仪表灵敏度的高低）为三位半数字万用表的分辨力可达0.1mv，即100uv；四位半仪表达10uv；八位半则高达10nv。四、外观结构轻巧数字万用表外壳一般选用abb工程塑料制成，质量轻，强度高。外形主要有袖珍式和台式。前者普遍采用lcd液晶显示器，后者多使用led发光二极管显示器。高精度智能型数字万用表一般为台式结构。此外，也有的数字万用表制成笔式、台历式、笔记本式等。3.2.1功能、量程选择可进行直流（200mv、2v、20v、200v、1000v）、交流电压（200mv、2v、20v、200v、750

12、v）、电流、电阻（200、2k、20k）、电容、晶体管的测量。4、a/d转换器数字万用表的a/d转换器一般都采用双积分式原理，并且把a/d转换器与能够直接驱动液晶显示器的显示逻辑集成在一块集成电路芯片上。这样，只要把这块集成电路芯片的周围配上想关的电阻器和电容器，并配上一块液晶显示器，便组成了数字万用表头。因此，a/d转换器的性能从根本上决定了数字万用表的性能和所具有的特点。4.1双积分式a/d转换器的工作原理a/d转换器的原理电路图如图4.1所示。在图4.1中，除显示器之外的电路功能可全部集成在一块芯片上，具有这些功能的芯片就叫做a/d转换器，较常见的有icl7106等。双积分式a/d转换器

13、内部电路虽然很复杂，但根据图xx的电路可以清楚地说明其工作原理。它在一个测量周期内的工作过程如下：测试开始，计数器清零，积分电容c放电，然后控制逻辑是s2、s3断开，s1接通，积分器对被测电压vx进行正向积分，正向积分也叫采样，采样期间积分输出v01线性增加，经过零比较器得到过零方波，通过控制逻辑打开门g，计数器开始对时钟计数，当计数到最高位为1时，溢出脉冲通过控制逻辑使s1、s3断开，s2接通，采样结束，计数器复零。s2接通基准电压vref后，积分器开始第二次积分（反向积分），v01开始线性下降，计数器也重新计数。当v01降至零时，比较器输出的负方波结束，控制逻辑使s2断开，s3接通，积分停

14、止，同时关闭门g，计数停止，一个测量周期结束。图4.1 a/d转换器工作原理电路图4.2单片3 1/2位a/d转换器icl7106如图6.4所示是icl7106引脚排列。icl7106是把双积分式ad转换，七段译码，lcd显示驱动，基准源和时钟等所有必要的电路都集成在同一块芯片上的cmos集成电路。icl7106有40个引脚，采用双列直插式封装，封装方式有陶瓷和塑料两种。icl7106用于直接驱动lcd。因此，icl7106适于构成袖珍式数字万用表。4.2.1引脚功能：（1） v+、v-：电源的正负极（2） a1-g1、a2-g2、a3-g3：分别为个位、十位和百位数码的字段驱动信号端（3）

15、bc4:千位字段驱动信号端（4） pol：负极性指示输出端（5） bp/gnd：液晶显示器背面公共电极（简称背电极）的驱动端（6） int：积分器输出端，此端接积分电容cint（7） buff:输入缓冲放大器输出端，此端接积分电阻rint（8） a/z：积分器和比较器的反相输入端，此端接自动调零电容caz（9） in+、in-：模拟量输入端（10） common：模拟信号公共端，一般与基准电压的负端相连（11） cref+、cref-：外接基准电容cerf的两个端子（12） vref+、vref-：基准电压正负端（13） test：此引脚有两个功能，其一，在芯片内部test引脚通过500欧电阻

16、与内部数字电路电源的负极相连，这种连接使得test引脚可以作为外部字段驱动器的电源负极使用，比如用来驱动液晶显示器的小数点字段。其二，test引脚可用来做显示器测试。当把test引脚的电平上拉到v+时，显示器的所有字段全部被点亮，显示“-1888”。但此时应注意，此引脚长时间地加直流电压，可能会造成液晶显示器的损坏。（14） osc1-osc3：时钟振荡器的引出端，此端外接规定的阻容元件可组成产生特定频率的多谐振荡器，作为系统时钟。5、液晶显示器5.1液晶显示器工作机理液晶是一种介于完全规则与不规则状态之间的有机化合物，它既具有液体的流动性和连续性，又呈现某些晶体的光学性质。液晶用于显示器件，

17、主要是基于它的光学特性和电光效应。液晶可使入射光偏向分子轴方向，它还可使入射光的偏振光状态和偏振光方向发生改变。对液晶施加电场时，由于它的折射率、介电常数等具有的各向异性特征，其光学特性会发生变化，即所谓液晶的电光效应。液晶的电光效应有数种，目前用于数字显示的液晶显示器大都利用液晶的扭曲效应。反射式扭曲向列型液晶显示器的工作机理如图7.1所示。液晶是灌在液晶盒内的，液晶盒由刻有透明电极的前后玻璃制成。透明电极材料有氧化锡、氧化铟或它们的混合物，通过喷镀、蒸发或溅射等方法附着在玻璃片上。经过表面处理的玻璃所形成的定向膜使液晶分子在盒内的排列方向呈现90°角扭曲。反射片检偏振片后玻璃前玻

18、璃起偏振片液晶盒明暗偏光轴外加电场偏光轴在液晶盒前后放置有起振片和检偏振片。由外界光源射来的光经起振片变成垂直的线偏振光，进入液晶盒内以后其垂直的偏振面旋转了90°，呈水平方向。此光线再由水平光轴的检偏振片透出，经反射片反射，再按原光路折回，形成亮视场。当两玻璃片上的电极间施加一电场后，由于液晶是极性分子，其取向具有与电场方向一致的性质，因而扭曲结构消失，射入的垂直向的线偏振光通过液晶盒时其偏振面不被旋转，这样光线无法透过水平光轴的检偏振片，形成暗视场。当去掉电场时，液晶分子的排列恢复扭曲结构，又产生旋光作用。在液晶盒前后放置的起、检偏置片，实际上是一个“光过滤器”。按照起偏振片、检

19、偏振片的偏光轴相互位置的不同，显示效果可为白底黑字，也可为黑底白字。5.2液晶显示器的段显示方式驱动段显示中，显示器的前电极根据字符的形状被分割成几部分，并从每一部分都引出一电极端子。显示器背后的电极则不被分割，为前面的电极所共用，故称公共电极（也称背电极）。在某一些段与背电极之间加一电压，这些段的组合即显示出一特定的字符。段显示方式的驱动电路目前广泛采用的是异或门组成的移相电路，其原理如图5.2所示。根据液晶显示器的特点，为了避免因直流电场使液晶发生电化学变化而缩短工作寿命，要求在液晶显示器的笔段电极和背电极之间的电压作交替变化。lcd的背电极接一方波电压。此方波信号还作为电路中异或门a端的

20、输入信号，异或门的另一输入端b接字型码的控制电平端。当b端为低电平时，其输出端s与a端同相位，这时lcd两电极间的电位差为零，该笔段不显示；当b端为高电平时，s端与a端的信号总是反相位，该异或门控制的字段与背电极间便施加一对称方波电压，因此该笔段显示。对于一个七段字形的lcd，相应地需要七个异或门来组成驱动电路，每个门的一个输入端都与驱动lcd背电极的方波电压相连，另一输入端分别与字形译码器的输出电平相连。abs000011101110异或门真值表bp的方波电压abs字段a-g控制电平电极seg背电极bp 图5.2 lcd驱动电路这种lcd前电极驱动信号与字形码的笔段电极单一直接对应的驱动方式

21、称为静态驱动方式。对于动态驱动方式，lcd的背电极被分成几部分。对这些背电极信号，可在时间上进行分割，使之轮流地产生方波扫描脉冲和偏振信号，段电极信号同时与处于不同背电极信号下的多个段电极相连接。相应地，段电极信号波形为一与显示字形相对应的方波脉冲，而不是像静态驱动方式那样为一直流电平。与静态驱动方式相比，动态驱动方式能大大减少驱动电路芯片的引脚个数。6、自动关机电路数字万用表普遍配用9v叠层电池，用于室外测量时，每节电池一般只能连续工作一百至几百个小时。为避免因忘记关断电源而长时间空耗电池，新型万用表均有自动关机功能。其特点是当仪表停止使用的时间大约超过15分钟时，能自动切断电源，使仪表进入

22、“休眠”状态，整机静态工作电流将至7ua左右，功率约为60mw。重新开启电源时，只需按动两次电源按钮开关，即可恢复正常测量。数字万用表的自动关机电路如图6.0所示。电路由9v叠层电池e、电源开关s、电解电容器c1、电压比较器、npn型晶体管vt1、pnp型晶体管vt2和电阻r1等所组成。其中，r1和c1在电路中起到定时作用，运放tl061接成电压比较器，vt1为推动管，vt2起开关作用。图6.0 自动关机电路7、测量电路7.1直流电压测量电路利用电阻分压器可将基本量程为200mv 的表扩展成五量程直流数字电压表，五个电压量程分别是200mv、2v、20v、200v、1000v.详图r21-r2

23、6 为分压电阻，均采用误差为±0.5%的精密金属膜电阻.分压器的总阻值为1m，各档的分压比由量程选择开关s2 来控制.需要说明两点：(1)为节省数字万用表中的元件，通常是借用多量程直流数字电压表的分压电阻作为数字欧姆表的标准电阻.对dt9205a 而言，直流电压为5 档，电阻却为6 档，因此至少需用6 只分压电阻.鉴于200mv 档分压电阻达9.0m，选用配对电阻r21 和r22，二者串联可获得9.0m的高阻.1000v 档分压电阻值应为1k（r26），该档的分压比为1k/10m=1/10000,r65 还兼作200档的标准电阻.（2）各电压档的输入电阻均为10m.这是考虑到icl7

24、106 的输入电阻rin=1010=10000m（典型值），在设计多量程数字电压表时，一般选仪表的输入电阻rin=0.001rin=10m，使rinrin，故可完全忽略rin 对信号的分流作用. 7.2直流电流测量电路当被测电流iin 流过分流电阻时可产生电压降，以此作为200mv 基本表的输入电压vin，即可实现i/v 转换，利用数字电压表显示出被测电流的大小.再通过量程选择开关扩展成多量程直流数字电流表.dt9205a 的4 个dca 量程依次是：2ma、20ma、200ma、和20a 档单独使用一个输入插孔，不经过选择开关.分流器由r60-r63 及rcu 组成，总阻值为1k.其中，r6

25、1-r63 选用精密金属膜电阻（误差为±0.3%）.因20a 的工作电流很大，故分流电阻使用一根锰铜丝电阻，其冷态阻值用电桥校准为0.01. 7.3交流电压测量电路该表采用平均值响应的ac/dc 转换电路，5 个交流电压量程依为200mv、2v、20v、200v、750v（有效值）.现将最高量程定为750v，是因为量程选择开关（转盘上的触片开关）s2 的耐压值为1000v，该档的最大峰值电压vp= 2× 750=1060v，同1000v 已经很接近.测量交流电压时仍借用直流电压档的分压器.利用低漂移双运放tc2904 中的一组运放二极管d03，组成平均值响应的线性半波整流电

26、路.这种电路可避免二极管在小信号整流时引起的非线性误差，使输入电压vin（rms）与输出电压v0（平均值）成线性关系，适于测量0-200mv 的弱交流电压.对半波整流而言，正弦波电压有效值与平均值的关系为vrms=2.22v.这就要求电路的电压放大倍数必须大于2.22倍，才有调整的余量.电路中的r29、r30 是负反馈电阻，可将ic3 偏置在线性放大区，同时控制运放的增益.现取r29=r30=100k，ic3 同相端的输入电阻r31=100k，故电压放大倍数为kv=1+(r29+r30)/r31=1+(100k+100k)/100k=3>2.22(倍)（7.1）上式所得符合电路设计要求.

27、需要注意的是ic3b 作同相放大器使用，目的在于提高其输入阻抗，减小对输入信号的衰减.尽管tc2904 属于低漂移运放，但考虑到ac/dc 转换器的输入电压很弱，即使漂移电压很小，也可能造成测量误差，因此，需通过c10 和c11 起隔直作用，不让直流成分（包括ic3 的漂移电压）进入整流滤波电路.在正半周时d03 导通，d04 截止，ic3 的输出电流途经c10d03r29r40vr2地（com 端），并经过r28 对c09 进行充电.负半周时d05 导通，d03 截止，电流途经地vr2r40d04c105ic3.此时c09 缓慢地放电，放电时间常数t=rinc6.rin是tsc7106 的输

28、入电阻，其阻值极高，典型值达1010，故可认为c09 两端电压仍维持不变.由r28 和c09 组成的平滑滤波器可滤掉交流纹波，高频干扰信号则由r37、c12 构成的高频滤波除，从而获得稳定的平均值电压v0.再由icl 7106 对v0 进行a/d 转换.vr2 是交流电压档的校准电位器，调整vr2 可使整个ac/dc 转换器的电压放大倍数为2.22 倍，令仪表直接显示出被测电压的有效值.r6 在电路中起保护作用.负半周时，d04 为反向电流提供通路，c13 是运放的频率补偿电容.r29和c13 还为d05 提供一个合适的偏置电压，以减小ac/dc 转换器对小信号进行放大时的波形失真.7.4交流

29、电流测量电路在直流电流档的基础上再增加ac/dc 转换电路，就构成量程交流数字电流表，其原理不赘述.7.5电阻测量电路采用比例法测量电阻.此时需将原来的基准电压电路断开，icl7106 内部的2.8v 基准电压源经过r64、d15，提供测试电压vtest=vd100.7v.标准电阻r0（即电路中的r21-r26）正温度系数热敏电阻ptc，与被测电阻rx 构成串联电路.以r0 上的压降作为7106 的基准电压，rx 上的压降则作为7106 的输入电压.因为vrx/vr0=rx/r0,所以，rx=r0/vr0*vrx=r0/vr0*vin (7. 2)式中，比值r0/vr0 为一定值，因此rx 仅

30、与vrx（即vin）成正比，这就是比例法测量电阻的原理.电阻档的保护电路由晶体管q3（9013）和正温度系数热敏电阻ptc 以及限流电阻r08 所组成.这里是将q3 的集电结短接，利用其发射结反向电压约为5.8-78v 的特性，代替稳压管作过压保护.ptc 则是过流保护元件.当不慎误用电阻档测量220v 交流电压时，电压经ptc 加到q3 上，使q3 反向击穿（软击穿）.由于ptc 的初始电阻很低，常温下仅550，所以它上面通过的电流很大，使ptc 迅速发热，电阻值急剧增大，对q3 起到限流保护作用，使之不会转.从而击穿而烧毁，进而保护了icl7106不致损坏.具体讲，在交流电压的正半周，q3

31、 反向击穿，将vref-com 之间的电压箝位于6v 左右.在负半周，q3 正向导通，又把vref-com 之间的电压箝制在0.6-0.7v 左右.需要说明的是，220v 电压虽可通过r08，加至in+端，但由于r08 的阻值（im），能将输入电流限制在220ua 以内，加之icl7106 的模拟输入端内部设有过压保护电路，可承受1000v 的瞬间电压，因此只要保护电路正常动作，就不会损坏芯片.综上所述，ptc 和q3 的保护作用可归纳成两条，一是为220v 交流电源的电流提供一条通路，使之不流入icl7106中；二是对vref-com 之间的电压进行箝位.in+端主要由r08 作限流保护.为

32、了抑制外界干扰信号，同时也降低q3 在反向击穿时产生的器声电压。7.6二极管和蜂鸣器档利用7106 内部的基准电压源e.向被测二极管提供2.8v 的测试电压，使正向接法的二极管导通，正向工作电流if1ma.导通压降vf 经过r21、r22 构成的分压器再衷减10 倍之后，就作为7106 的输入电压.此时基准电压vref 仍为100.0ma，但仪表量程已扩展为2v，故可显示出被测二极管的正向压降vf 值.该档还用来检查线路的能断，亦可称之为蜂鸣器档.9205a 的原理图中的ic3作电压比较器使用，其同相输入端（脚3）加参考电压v3，容易求出v3=r39/(r38+r39)*e=30k/(2m+3

33、0k)*28=0.064v(7.3)反相输入编（脚2）则施以比较电压v2，设二极管d3 的导通压降vd3=0.7v，未接rx 时v2=(r34+r372)/(r14+r35+r34+r37)*(e0*vd3)=(900k+100k)/(100+2k+900k+100k)*(2.8-0.3)2.1v (7.5)由于v3v2，故比较器在常态下输出低电平.当v/插口与com 插口之间接被测线路电阻rx 时，若rx70（例如设rx=60）时，脚2 的电压变成（忽略r34 和r37 的并联影响）v2=rx/(r14+r35+rx)*(e0-vd3)=60/(100+2k+60)*(2.8-0.7)=0.058v(7.6)因为v2v3，所以比较器翻转，ic3a 输出高电平.二极管档的保护电路由d7、d8和r35 组成，q4、r14、r15、r16及陶瓷晶片组成的音频振荡电路，由ic3a 组成的电压比较器翻转输出大于2.6v 的电压时，陶瓷晶片发出声响以表示被测线路接通.当rx70时，蜂鸣器不发声。需要说