电参数测试仪设计与制作-毕业论文

XXXXXX学院机电工程学院毕业设计PAGEPAGE6XXXXXXX学院毕业设计题目电参数测试仪设计与制作姓名学号专业班级分院指导教师20XX年XX月XX日电参数测试仪设计与制作摘要：本设计是数字式参数测试仪，它是维修仪表和调试电路的重要工具，是一种最常用的测量仪表。本作品能够对电压、电阻、电流以及频率进行测试。本设计分数字万用表（电压、电流、电阻）测量电路部分和频率测量电路部分。万用表测试电路部分是基于电压表的基础上再电流一电压转换器I／v和电阻一电压转换器Ω／V，构成了数字万用表基本部分，然后通过ICL7135进行A/D转换，再经过74LS47译码、数码管显示，就组成高进度的万用表。频率测量电路是输入信号通过LM324射极隔离、经CD4069放大整形输出方波信号、再经过三个CD4017十分频、分频信号经数据选择口74LS151通道选择后、由D触发器CD4013完成二分频，送到单片机，单片机根据输入信号的频率高低来选择测量通道，最后显示。经过严格的测试，该系统具有可靠性好，精度高，功耗小等多种优点，其测试结果达到了设计的基本要求。关键词：电参数测试；单片机；ICL7135目录1绪论………………42方案比较…………53电路设计与分析…………………63.1电源电路………………………63.2A3.3直流电压测量电路……………93.4直流电流测量电路……………93.5电阻测量电路…………………103.6频率测量电路…………………124测试方法与仪器…………………145测试数据及测试结果……………14结论…………………16谢辞…………………16参考文献……………17附录A:原理图………………………18附录B：PCB图………………………20附录C：元器件清单…………………22附录D：单片机程序…………………231绪论万用表又称三用表，是一种多量程和测量多种电量的便携式电子测量仪表。一般的万用表以测量电阻，交、直流电流，交、直流电压为主。有的万用表还可以用来测量音频电平、电容量、电感量和晶体管的β值等。万用表结构简单，便于携带，使用方便，用途多样，量程范围广，因而它是维修仪表和调试电路的重要工具，是一种最常用的测量仪表。数字万用表由于具有准确度高、测量范围宽、测量速度快、体积小、抗干扰能力强、使用方便等特点而广泛应用于国防、科研、工厂、学校、计量测试等技术领域。现在的数字万用表除了具有测量交、直流电压，交、直流电流，电阻等五种功能外，还有数字计算，自检，读数保持，误差读出，二极管检测，字长选择，ＩＥE488ＲＳ－２３２接口等功能，使用时要根据具体要求选用随着大规模集成电路和显示技术的发展，数字万用表逐渐向小型化、低功耗、低成本方向发展，数字万用表也明显分为便携式和台式两种。便携式一般为31位或41位，体积小，重量轻，耗电少，适合生产车间或野外使用；台式可达61位或71位，准确度和分辨力越来越高。2方案比较方案一：电路主要有A/D芯片ADC0809、单片机89C51和数码管显示组成。如图2.1所示。串口通信电源电路上电复位LED显示器AT89C51P0P2P1P3ADC0809串口通信电源电路上电复位LED显示器AT89C51P0P2P1P3ADC0809图2.1以ADC0809为A/D转换芯片的电路框图0809具有8路模拟输入端口，地址线（23~-25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2uS宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从该端口输出。10脚为0809的时钟输入端，利用单片机30脚的六分频晶振频率再通过14024二分频得到1MHz时钟。单片机的P1、P3.0~P3.3端口作为四位LED数码管显示控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0809的A/D转换控制。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路方案二：以A/D芯片ICL7135为核心，由ICL7135进行A/D转化，在经过译码器后直接送到数码管进行显示.如图2.2所示所示。模拟信号电源电路基准电压ICL7135模拟信号电源电路基准电压ICL7135LED显示器LED显示器图2.2以ICL7135为A/D转换芯片的电路框图ICL713它是一种四位半的双积分A/D转换可以转换输出±20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便。ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低，自动极性转换功能，所有输出端和TTL电路相容有过量程（OR)和欠量程（UR)标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。输出为动态扫描BCD码的优点。PAGE7基于以上比较，我选择方案二为这次设计方向。3电路设计与分析根据任务设计的基本功能和发挥部分功能，本设计可分为6个部分：1、电源电路；2、A\D转换电路；3、直流电压测量电路；4、直流电流测量电路；5、电阻测量电路；6、频率测量电路。3.1电源电路电源电路采用三端稳压器，三端稳压器安全可靠，PCB布线简单，输出电流足够大，而且集成稳压器内部有较为完善的保护电路。它的内部有过流保护，保证输出电流不会超过最充许值。它的内部有热保护电路，如果输出管的结温达到允许的最大值，它就会自动减小输出电流。它内部有工作区限制电路，使稳压器的工作不进入不安全区（输出管的管压降和输出电流小于规定值），所以这种稳压器的可靠性较高。如图3.1所示。图3.1电源电路电源电路工作原理：220V～50Hz市电经过变压器降压，再通过桥式整流，然后用电容滤波后，经三端稳压管稳压，从而得到一个比较稳定的直流电压，至于输出端的电容只是为了防止电源自激而设计。电路参数计算：由于所用芯片工作电压需要5V供电，所以其它电路也统一用5V,7805、7905要正常工作至少2V压降，所以其输入电压至少为7V，考虑到整流电源的波动，选择8V。工作电流(后来测试)是57mA,设计时候，I0取100mA。经测试，稳压系数S<0.02;△Uo/UoS=△Io=0△Ui/Ui△T=0动态内阻R<0.5Ω；△UoR=△Ui=0△Io△T=0最大输出纹波电压Vnpp<60mV;综上所述，本电源电路具有较高的性能/价格比，完全满足设计要求。PAGE103.2A/D转换电路A/D转换电路用于转换检测得到的各项模拟量,ICL7135一次A/D转换周期分为四个阶段：1、自动调零（AZ）；2、被测电压积分（INT）；3、基准电压反积分（DE）；4、积分回零（ZI）。如图3.2所示，IC1是4位半双积分A/D转换器7135，以7135为核心，和周边元件构成一个满量程为200mV的基本表。IC4为六反相器，两个反相器组成振荡电路为ICL7135提供时钟信号，振荡频率f=0.45/(R6*C4).ICL7135要求每秒钟至少进行3次A/D转化，每次转化需要40000个时钟脉冲，因此时钟频率应大于120KHZ，在这里取f=225KHZ。图3.2A/D转换电路ICL7135是双斜积分式4位半单片A/D转换器,28脚DIP封装。其脚功能如下:{1}脚（V-）-5V电源端；{2}脚（VREF）基准电压输入端；{2}脚（AGND）模拟地；{4}脚（INT）积分器输入端，接积分电容；{5}脚（AZ）积分器和比较器反相输入端，接自零电容；{6}脚（BUF）缓冲器输入端，接积分电阻；{9}脚（IN-）被测信号负输入端；{10}脚（IN+）被测信号正输入端；{11}脚（V+）+5V电源端；{12}、{17}～{20}脚(D1～D5)位扫描输出端;{13}～{16}脚(B1～B4)BCD码输出端;{21}脚(BUSY)忙状态输出端；{22}脚（CLK）时钟信号输入端；{23}脚（POL）负极性信号输出端；{24}脚（DGND）数字地端；{25}（R/H）运行/读数控制端；{26}脚（STR）数据选通输出端；{27}脚（OR）超量程状态输出端；{28}脚（UR）欠量程状态输出端。当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，7135处于连续转换状态，每40002个时钟周期完成一次A/D转换。若R/H由“1”变“0”，则7135在完成本次A/D转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入电压变化的影响。因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。若把R/H端用作启动功能时，只要在该端输入一个正脉冲（宽度》300NS），转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。POL

用来指示输入电压的极性，当输入电压为正，则POL等于“1”，反之则等于“0”。该信号DE阶段开始时变化，并维持一个A/D转换调期。3.3直流电压测量电路直流电压共设置为3档：200mv、2v、20v。万用表的误差主要分为A/D转换误差和取样误差两个部分，A/D转换器7135的转换误差一般是0.05%，并且装成整机后不易变化，DCV量程的取样误差则主要由分压电阻决定，R1、R2、R3全部采用精度为±0.1%的高稳定性精密电阻，为达到更高的精确度，R1、R2、R3各串联一个微调电阻器。图3.3直流电压测量电路3.4直流电流测量电路R7、R8、R9构成电流取样电阻，被测电流流过取样电阻是产生电压降，以此电压作为基本表的输入电压，即可实现I/V转换。为了使结果更精确，R7、R8、R9、R也全部采用精度为±0.1%的高稳定性精密电阻，同样为了达到更高的精确度，R7、R8、R9、也各串联一个微调电阻器。FU是0.5A/250V的快速熔丝管，起过流保护作用.D1、D2组成又向限幅二极管，作过压保护作用。当输入电压低于硅二极管的正向导通电压时，二极管截止，对测量并无影响。一旦VIN＞0.6-0.7V，二极管迅速导通，从而限制了仪表的输入电压。3.4直流电流测量电路3.5电阻测量电路电阻档采用比例法测量，7135内部基准电压VCC经过R13、R14调整DCV后的VR1及R13上的分压后作为测量电压（200Ω量程直接用VCC作测量电压），标准电阻R0和被测电阻RX构成串联电路，将R0上的压降作7135的基准电压，RX的压降作输入电压。由于RX/R0=VRX/VR0，形成电阻电压转换。电阻档的保护电路由晶体管Q1（9013）和正温度系数热敏电阻PTC.这里是将Q1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Q1上，使Q1反向击穿（软击穿）.由于PTC的初始电阻很低，常温下仅550Ω，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Q1起到限流保护作用，使之不会转人硬击穿而烧毁，进而保护了ICL7135不致损坏。PAGE15图3.5电阻测量电路3.6频率测量电路频率的测量方法有两中：1）测频法（M法）：对频率为的周期信号，测频法的实现方法，用一标准闸门信号（闸门信号为TG）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N1时，其信号频率为：，式中TG为标准闸门宽度（s），N1是由计数器计出的脉冲个数（重复周期数），如图3.6.1所示。图3.6.1测频法测量原理设在TG期间，计数器的精确计数值应为N，根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是或，N1的相对误差为由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在ƒ已确定的条件下，为减小N1的相对误差，可通过增大TG的方法来降低测量误差。但是，增大TG会使频率测量的响应时间变长。当TG为某确定值时，通常取TG=1s，则有，而，故有的相对误差：从上式可知，的相对误差与成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，M法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。2）测周法（T法）首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期TOSC的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对信号进行计数，如图3.6.2所示。图3.6.2测周法测量原理若在T时间内的计数值为N2，则有N2的绝对误差为（或）。N2的相对误差为T2的相对误差为从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。当为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。因设计的要求，频率范围为10HZ-100KHZ,其频率比较低，为了计算方便，统一用测周法，所以将全频的信号分频转换到10HZ-100HZ的低频信号。通过LM324进行射极隔离、经CD4069放大整形输出方波信号放大，分频器要用脉冲分频器CD4017,CD4017是五位的计数器，C0为进位脉冲输出端。当到Q4为高电平时C0跳变为低电平，当Q9为高电平时C0跳变为低电平。U6以U5输出的C0时钟脉冲，以此类推通过三个CD4017对输入的被测频率进行进分频，为了便于测量，分频信号经数据选择口74LS151通道选择后，由D触发器CD4013完成二分频，最后时频率降至10HZ-100HZ，送到单片机，单片机根据输入信号的频率高低来选择测量通道，最后显示。当频率大于100HZ时，测频率，即在一定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；当频率小于100HZ时测周期。电路如图3.6.3所示。图3.6.3频率测量电路4测试仪器测量的仪器的质量直接影响测量数据的精确性，而本次设计所用的测试仪器如表4.1所示。序号仪器名称型号及规格数量备注1稳压源DF1730SC3A，50～60HZ，1.5～3A1宁波东风无线电厂2仿真机ME-52A1炜煌电子公司3烧写器LABTOOL-48100～240VAC，50～60HZ1南京希尔特公司4数字万用表UT58B系列1优利德(东莞)科技有限公司5计算机Pentium42联想6双踪示波器YB4325，20MHZ1宁波中策电子有限公司表4.1测试仪器清单5测试数据及测试结果设计的基本要求为：电阻测量范围：10Ω～100KΩ，相对误差<2%；电流测量范围：100µA～10mA（电流源开路电压为10V），相对误差<2%；电压测量范围：100mV～10V，相对误差<2%；频率测量范围：100Hz～10kHz，相对误差<0.1%，输入信号为50mV的正弦交流信号；（5）显示刷新周期≤2s。发挥要求为：电阻测量范围：10Ω～1MΩ，相对误差<0.3%；电流测量范围：100µA～10mA（电流源开路电压为10V），相对误差<0.2%；电压测量范围：100mV～10V，相对误差<0.1%；频率测量范围：10HZ～100kHZ，相对误差<0.01%，输入信号为50mV的正弦交流信号。测试结果如表5.1所示，基本满足设计的基本要求，而在发挥部分有所欠缺。电压标准值（V）数字万用表电压实测值(V)相对误差（%）0.10.101891.8911.01971.9733.05611.8766.11411.9088.19072.381010.3163.16电流标准值（mA）数字万用表电流实测值（mA）相对误差（%）0.10.101511.5111.01691.6933.05911.9766.19183.1999.3944.38电阻标准值（KΩ）数字万用表电阻实测值（KΩ）相对误差（%）0.010.0101761.760.10.101591.5911.01961.961010.2352.355051.7913.58100102.1152.1110001036.33.63频率标准值（KHZ）数字万用表频率实测值（KHZ）相对误差（%）0.050.0505281.060.10.101731.7355.14712.942020.9064.534041.1522.888082.9823.73100104.034.03表5.1测试数据及结果PAGE19结论这次的设计比起以往的设计来说是一次大的考验。虽然经过以往的设计如：数控电源的设计与制作、声控彩灯的设计与制作以及单片机的设计与制作，积累了不少的理论与实际制作的经验，但着手此次设计时却感觉自己理论上与实践上的众多不足。因为对数字式电参数测试仪方面缺乏了解与认识，刚开始时是迷茫一片！学习真是个好东西，它让人从不懂到全面了解。刚开始从网上面查阅万用表的工作原理，让自己有了万用表大概的设计思路与设计方向。最后通过对各种万用表设计的比对，最终确定以ICL7135为A/D转换芯片的设计理念！此次的设计不用去担心的就是PCB的排版与制作还有硬件的调试,这些都得意与以往的设计与制作和暑假期间一个月多月的大学生电子竞赛培训。这些让我深深感到实践的重要性与熟能生巧的魅力！这次的设计还使让我认识到C语言的重要，一般的设计都需要编程，不然用逻辑芯片去实现那就相当复杂了！而且出现错误了再去修改就相当麻烦，用编程的话就相当简单。而编程如果用汇编去编的话就显得复杂许多，C语言比起汇编来说就人性化许多，思路也更加的清晰明了！通过此次数字式电参数测试仪设计与制作，让我明白遇到困难千万不能惊慌失措乱了阵脚，任何东西都是从不认识到相知相识的，这些都是一种对一个事物的认知过程，因此只有静下心来慢慢去推敲去琢磨才能克服与认知一个事物！谢辞这次设计的知识面涉及大学三年所学的各科专业知识，因此感谢各课专业老师平时对我的认真辅导！这次毕业设计的顺利完成跟暑假期间的浙江省大学生电子竞赛培训和九月份到十一月份的大学生技能竞赛培训是息息相关的，因此要感谢相关老师尤其是叶建波老师孜孜不倦的教诲和帮助，滴水之恩当涌泉相报，你们的恩惠我将铭记于心！参考文献[1]蒋运茂.电工仪表与测量[M].北京:中国劳动出版社,1994.[2]谢自美、阎树兰、赵去娣、朱如琪、罗杰.电子线路设计·实验·测试[J].武汉：化中科技大学出版社，2000[3]付晓光.单片机原理与实用技术[J].北京：清华大学出版社；北方交通大学出版社，2004[4]冯古岭.数字电压表及数字多用表检测技术[J].北京:中国计量出版社,2003(12)[5]黄智伟、王彦、陈文光、朱卫华.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005附录A原理图图A1电源电路图A2电压、电流、电阻取样电路图A3A/D取样、显示电路PAGE20图A3频率电路附录BPCB图图B1电源电路图B2A/D取样、显示电路PAGE25图B3电压、电流、电阻取样电路图B4频率电路附录C元器件清单序号材料名称型号/规格数量1CPU-98C5112集成块LM32413集成块406914集成块401745集成块401316集成块74LS54117集成块404918集成块74LS4719D/A芯片TL7135110集成稳压块7805111集成稳压块7905112数码管共阴1213变压器12V/25W114全桥1A/50V115三极管NPN616三极管PNP117电解电容10uF1018瓷片电容0.1uF419瓷片电容104220瓷片电容200P121二极管1N4148322发光二极管223晶振12MHZ124电位器10K125电位器2K126电位器1K227电位器100828电阻100K629电阻90K130电阻30K131电阻10K232电阻9K233电阻3K134电阻2K4235电阻2K336电阻1K437电阻900338电阻510239电阻1001740电阻90241电阻102附录D单片机程序{xian_shi_1=dat[(xs1%1000000)/100000];xian_shi_2=dat[(xs1%100000)/10000];if(xiao_shu_dian==6)xian_shi_2=xian_shi_2&0xfe;aj_bzw=0;TMOD=0X19;aj_bzw=0;TMOD=0X19;IT0=1;TH1=-1000/256;TL1=-1000%256;TH0=0;TL0=0;EA=1;ET1=1;EX0=1;ET0=1;PX0=1;PT0=1;PT1=0;int0=1;xsxs=0;TR0=1;TR1=1;th0data=0;ggg=1;ad_ad=0;xs1=123456;while(1){ if(ggg==1){h1=0;h2=0; 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