级电信本一班111102010110欧东

1、电子测量结课报告题目：数字式万用表的设计专业：电子信息工程 班级：11级电信本一班 姓名：欧 东 学号：分数： 2013年12月14日摘要数字万用表亦称数字多用表，是广大电子技术人员和电子爱好者从事电子测量及维修工作的必备仪表。便携式数字万用表以其功能完善、通用性强、价格低、耗电省、便于携带等显著优点，深爱广大用户的青睐。数字万用表是在20世纪60年代问世的。目前，我国数字万用表的产量已跃居世纪首位，便携式数字万用表的年产量已超过1000万台，产品远销世界100多个国家或区域。 本文介绍一种基于AT89S51单片机的智能型数字式多用表,该系统采用MC144333 1/2位A/D转换器和LED数

2、码显示，可以测量直流电压、交流电压、直流电流和电阻，并且具有键盘选择测量对象、量程和自动量程转换功能。目录第1章 数字万用表简介1第2章 数字万用表设计原理12.1 系统设计框图12.2 系统设计方案3第3章 数字万用表硬件设计3 3.1 3½位单片A/D转换器3 3.2 直流电压测量电路3 3.3 交流/直流转换电路3 3.4 电流/电压转换电路3 3.5 电阻/电压转换电路3 3.6 自动量程转换模块3第4章 数字万用表系统测试3 4.1 直流电压测试4 4.2 交流电压测试4 4.3 直流电流测试4 4.4 电阻测试4第1章 数字万用表的简介数字万用表（DMM）亦称数字多用表，

3、是目前在电子检测及维修工作中最常用、最得力的一种工具类数字仪表。它采用的数字化测量技术，通过对连续的模拟量（直流输入电压）的采样将其转换成不连续、离散的数字量，并以十进制数字形式显示出来。由于内部采用了运放电路,内阻可以做得很大,往往在1M欧或更大(即可以得到更高的灵敏度)。这使得对被测电路的影响可以更小，测量精度较高。传统的指针式万用表功能单一、精度低，已经不能满足数字化时代的需求，而采用单片A/D转换器构成的数字万用表，具有读数方便、精度高，测试功能强、集成度高、微功耗、抗干扰能力强等特点，另外带有单片机的智能型数字万用表更是具有自动校准，自动测量，自动数据处理和实时通讯等多种功能。目前，

4、数字万用表已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。与此同时，由DMM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。第2章 数字万用表设计原理2.1 系统设计方框图 系统测量时，单片机与控制电路控制输入电路进行功能转换，将输入信号转换为符合A/D转换器的输入信号，然后A/D转换器将其输出数据传送到单片机，单片机对数据进行智能处理，最后显示在LED显示器上。图2.1 系统设计方框图2.2 系统设计方案首先以A/D转换器为核心，设计一个多档的直流电压测量电路，再在此基础上对电路进行扩展,使其能多量程的测量交流电压、直

5、流电流和电阻的测量电路。然后通过单片机编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理，实现对直流电压、交流电压、直流电流和电阻测量对象切换；手动和自动量程转换等功能,并将测量数据转换为人们日常习惯的十进制数字形式显示在LED显示器上。所以本设计可以分为直流电压测量电路；交流/直流转换电路；电流/电压转换电路；电阻/电压转换电路；功能控制和数据显示电路这五个的主要电路模块。第3章 智能型数字式多用表硬件设计3.1 A/D转换电路A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。所以我依据设计性能指标要求，并综合A/D转换器的性能指标和价格选择了ICL7106和MC14433这两

6、个A/D转换器作为候选芯片。ICL7106的输入阻抗为1010，转换速率为0.1-15次/s，转换准确度为±0.05%±1个字；MC14433的输入阻抗为109，转换速率为3-10次/s，转换准确度为±0.05%±1个字，因此这两块芯片的性能指标大大超过设计要求的性能指标。采用MC14433。MC14433是一个低功耗3 1/2位双积分式A/D转换器,与ICL7106相比，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，便于与单片机相连构成智能控制系统。MC14433是美国摩托罗拉（Motorola）公司生产的COMS单片3

7、 1/2位A/D转换器，也是目前国内外数字式多用表中普遍采用的一种芯片。MC14433的主要特点：（1） 工作电压为±4.5-±8V。一般选典型值±5V，工作电流小于2mA，功耗为8mW。（2） 输入阻抗为109，转换速率为3-10次/s，转换准确度为±0.05%±1个字。（3） 采用CMOS工艺制成的大规模集成电路(LSI)。（4） 芯片内部设有时钟振荡器，使用时仅需外接一只振荡电阻。亦可采用外部时钟输入方式，时钟频率范围大约为48kHz-160kHz。（5） 有多路调制的BCD码输出，可直接配微型计算机或打印机。（6） 具有超量程、欠量程指

8、示信号，便于实现自动量程转换。（7） 能增加读数保持功能。（8） 采用动态扫描显示方式。如图3.1所示,MC1403提供输出可调基准电压Vref（大小为2V），被测信号（0-2V的直流电压）从MC14433的Vin引脚输入A/D转换器MC14433，每次当A/D转换结束时，MC14433的EOC引脚会输出一个高电平脉冲送给单片机，然后单片机会对MC14433的DS1-DS4引脚进行动态扫描，读取MC14433的Q0-Q3引脚的数据。A/D转换相关理论推导： 图3.1 A/D转换电路图双积分过程可以由下面的式子表示：因为，故，式中=4000，是定时时间，是变时间，由确定斜率，若用时钟脉冲数N来表

9、示时间，则被测电压就转换成了相应的脉冲数，实现了A/D转换。 的参数计算： （式1）式中为积分电容上充电电压具有自动调零和自动转换极性功能。幅度，=，且=0.5V， =4000。假定=0.1，=5V，=66kHz。当=2V时，代入式1，可得=480 ，取标称值470。3.2 直流电压测量电路 如图所示，被测电压（0-200V）从DC V端输入，通过单片机控制模拟开关CD4052选择相应的量程，将被测电压值衰减到0-200mV，然后在经过由精密运算放大器OP07组成的放大电路，将电压值放大10倍后输入到A/D转换器MC14433的Vin端。分压电阻采用误差为±0.5%的精密金属膜电阻。

10、图3.2.1 直流电压测量电路在实践中采用该方案时，若输入信号小于正5伏，结果正确，但是当输入信号大于正5伏时，模拟开关CD4052和集成运放OP07CP均工作不正常。向老师请教后，得知该方案中，输入信号不经过任何衰竭直接加在模拟开关的1脚，使模拟开关处于不受保护的状态，当输入信号为大信号时，可能会使模拟开关工作不正常，甚至烧毁模拟开关,且模拟开关与运放直接相连，导致运放处于不受保护的工作状态。为了解决这些问题，我修改了设计电路。如下图所示，该电路输入信号经过100千欧的电阻，从集成运放的反相输入端输入，由电阻、模拟开关和运放组成放大倍数可调的比例电路，并且这个100千欧的电阻还可以起到限流的

11、作用，成功的解决了原电路的弊端。实践证明，该电路可以达到任务书的要求。图3.2.2 改进后的直流电压测量电路3.3 交流/直流转换电路半波整流电路。利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，且能满足设计要求。如图3.3所示,这个电路是利用低漂移单运算放大器TL062与二极管D1 1N4148组成平均值响应的线性半波整流电路。该电路可避免二极管在小信号整理时所引起的非线性误差，使交流/直流转换电路的输入电压与输出电压成线性关系，适合测量40-400Hz的正弦电压，测量准确度优于±1%。图3.3 交流/直流转换电路图3.4 电流/电压转换电路如图3.4所示，普通模拟开关可以通过的

12、电流很微小，所以通过单片机控制继电器来控制线路导通断开，将被测电流信号（0-500mA）转换为相应的电压信号（0-200mV），然后经过OP07将信号放大10倍，最后输入A/D转换器MC14433的Vin端。1A/250V的熔丝管FU为限流保护电路，两个二极管1N4007构成保护为过压保护电路。阻值为90、9的电阻采用误差为±0.5%的精密金属膜电阻，而阻值为0.4、0.6的电阻通过的电流很大必须采用误差为±0.5%的精密绕线电阻。图3.4 电流/电压转换电路图 3.5 电阻/电压转换电路利用运算放大器采用反相比例运算的方法进行测量。该方法实现比较简单，且能满足设计要求。如

13、图3.5所示。稳压二极管1N4730A的稳压值为3.9V（即B点处电压值），采用运算放大器反相比例运算的方法，将B点处的电压值衰减到2V（即A点处电压值），单片机通过控制模拟开关MAX4618（超低导通电阻）选择适当的标准参照电阻R1 ，再利用运算放大器反相比例运算的方法，将被测电阻RX的阻值转换成与之相对应的电压量，输入A/D转换电路。电阻/电压转换电路的计算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1* Uin/ UA。 图3.5 电阻/电压转换电路图 3.6自动量程转换模块 采用软件来实现。通过单片机读取MC14433的数字信号来控制模拟开关，从而改变反馈电阻的大小实现档位的不同选择

14、，能够很容易满足测量范围的要求。此方案是电路比较简单，实现也较容易。第4章智能型数字式多用表系统测试4.1 直流电压测试测试方案：通过按钮开关选择直流电压档，由直流稳压源提供电压进行测量，然后由单片机显示输出。档 位输入电压实际电压误差(%)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结果分析：测量误差大部分在-0.2%+0.2%范围内，在200mV档测量时，由于没

15、有精密电阻，实践所用1M欧电阻误差较大，所以误差较大。测量结果基本满足要求。4.2 交流电压测试测试方案：通过按钮开关选择交流电压档，由函数信号发生器提供一个50赫兹左右的正弦交流电压，输入到交流端进行测量。档 位输入电压实际电压误差(%)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输入电压频率为:50Hz结果分析：交流电压：0.220V ，误差<±2 %±2个字，满足精度要求。4.3 直流电流测试测试方案：通过按钮开关选择直流电流档，由于实验室没有直流电流源，我采用正5伏的稳压源，串联不同的电阻来提供不同的待测电流。该电流的理论值，由电压与电阻的比值计算得到。档 位输入电流实际电流误差(%)2mA0.5mA0.508 mA1.611mA1.017 mA1.6820mA5mA5.07 mA1.3410mA10.15 mA1.46结果分析：直流电流：020mA ，误差<±2 %±2个字，满足精度要求。因实验室找不到电流转电压电路所需的600毫欧和400毫欧特殊精密电阻，实践中没有连接200毫安和500毫安档位的测量电路