毕业设计论文-智能化数字多用表的设计

本科毕业论文PAGEPAGEi本科毕业设计（论文）题目名称智能化数字多用表的设计学生姓名专业班级电信学号选题的目的和意义：智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。可以预料，各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。国内外研究综述：近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。

国际上智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿，其精度可达到±0.1％FS；美国RACA-DANA公司的9303型超高电平表，利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声，测量电平可低达-77dB。毕业设计（论文）所用的方法：系统主要分为分析，硬件设计，系统优化设计方法主要参考文献与资料获得情况：[1]孙焕根.电子测量与智能仪器［M］.杭州：浙江大学出版社，1992[2]AlippiC,FerreroA,PiuriV.Antificialintelligenceforinstruments＆measurementapplication［J］.IEEEI&M,1998,(2).[3]赵新明.智能仪器原理及设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.[4]沈兰荪.仪器仪表智能化的进展［J］.测控技术，1999，18(1)：10-12.[5]互联网指导教师审批意见：指导教师：（签名）年月日目录1前言 11.1课题概述 11.2国内外研究现状 21.3论文研究任务 42智能化数字多用表的总体方案 62.1系统的性能指标设计 62.1.1测量功能 62.1.2数值计算 62.1.3自动校准 72.1.4其它功能 102.2总体方案设计 103硬件电路设计 133.1直流隔离放大器 133.2A/D转换器 153.2.1转换原理 153.2.2转换器电路 183.3交直流转换器 203.3.1前置放大器 213.3.2真有效值转换电路 213.4其它模拟电路 243.4.1欧姆转换器 243.4.2电流转换器 253.4.3双层屏蔽与模拟接口 263.4.4功能选择 293.5数字电路 303.5.1微处理器和存储器 303.5.2A/D转化器的数字部分 303.5.3键盘和显示器电路 343.5.4GP-IB接口 344软件设计 364.1系统软件 364.2自测试 365结论与展望 41致谢 42参考文献 43附录：智能化数字多用表原理图 441前言1.1课题概述由于许多物理量都需要转换成电量以后方能进行数字化测量，因此数字电压表和数字多用表是应用最广泛、发展最快的仪器。在微处理器问世以前已经出现了许多不同类型的模数转换方案，如：逐级反馈编码型、单斜率V－T转换型、V-F转换型。双斜积分型、多周期脉冲调宽型和两次采样型等各种模数转换方案。这些方案各有优缺点。在激烈的产品竞争中，有些方案因有明显缺陷而被淘汰，有些方案则不断改进，以适应测量准确度和分辨率不断提高的要求。采用两次采样模数转换方案的SMA215型数字电压表和Solartron公司采用多周期脉冲宽度调制模数转换方案的7075型数字电压表的测量准确度分别达到10ppm和20ppm，可称为当时的佼佼者。与此同时，数字多用表的功能也不断发展、完善，普通增加了自动量程转换、串行输出接口等能够测量的电参数的数目也不断增加。为了提高测量准确度的长期稳定性，自动校准技术也得到了发展（例如Solartron公司的1490型数字电压表）。然而这些成就的获得是付出了巨大的代价的。数字电压表和数字多用表的电路结构日益复杂，生产、调试和维修的难度越来越大，而成本和售价则越来越高。微处理器的出现使数字多用表的研制有了新的发展。各公司纷纷投入人力和财力从事智能化多用表的研究工作，并且很快取得了成果。微处理器问世仅仅几年以后，在1976～1978年间，采用不同方案的智能化数字多用表就纷纷不断推出。例如：Solartron公司研制了采用多周期脉冲宽度调制模数转换原理的7065型数字多用表，Datron公司研制了采用多斜积分模数转换原理的1071型数字多用表，Fluke公司研制了采用循环余数编码模数转换原理的8502型数字多用表等等。这些多用表充分发挥了微处理器的功能，大大提高了仪器的性能，他们测量直流电压的准确度都优于20ppm。Solartron公司的7065型数字多用表不仅能够测量直流电压、交流电压和电阻，而且还有很强的数据处理能力。然而，它的电路结构比该公司在这之前研制的采用同一模数转换方案（但不带微处理器）的7075型数字电压表要简单的多。Datron公司的1071型数字多用表充分发挥了微处理器的数据处理能力，实现了自动校准功能。该仪器在校准时，不需打开机箱，只要操作面板键盘就可以完成校准工作。它还可以在外部计算机控制下实现自动校准，给人面目一新的感觉。经过十多年的发展，智能化的数字多用表已日臻完善，成为一种最典型的智能仪器。1.2国内外研究现状测量、控制技术与仪表行业是应用计算机最早、成就最卓著的领域之一。在计算机诞生的最初年代，人们就开始利用计算机对测量结果进行统计、分析、加工处理。随后出现的以小型机为基础的自动测试系统，就可将各种参数、生产工况，通过模数转换送入计算机，使测量数据得到及时的处理、存储和打印，并用来指导生产。在某些场合，数据处理的结果还直接用来干预生产过程，组成计算机闭环控制系统。这些早期的计算机自动测量系统、自动控制系统在20世纪60年代末得到迅速发展，但由于当时尚未出现微型计算机，这类计算机系统都程度不同地存在着体积大、价格高、结构复杂、可靠性差的弊病。难以大范围推广应用。进入20世纪80年代以后，这种局面迅速转变。一方面由于各种通用标准总线接口的出现，解决了仪表与仪表之间，仪表与计算机之间的统一连接问题，改善了计算机系统的功能与可靠性，促使以计算机为中心，由多台可程控仪表组成的成套装置大量涌现；另一方面，微电子技术的发展与微机的问世，使仪表由原来从属于计算机系统的被动地位逐步发展与微机结合，相互渗透，并形成了仪表微机化的趋势。以工业自动化仪表为例，经历过由机械式仪表到电动单元组合仪表，再到组装式电子单元仪表的长时间发展过程，直至微机大量应用后，才产生了为微机化工业自动化仪表（如集散系统的仪表），并正在发展适合现场总线控制、各种分布式控制和网络控制的智能仪表。在我国，所谓微机化仪表，是指微机与传统仪表有机结合的产物。这种“内藏”危机的仪表具有总线结构和通信能力；能进行许多自动处理和故障自诊断处理工作；应用“以软代硬”技术；促使仪表向结构简单化；体积缩小、功耗降低、功能增加、性能提高的方向发展。由于这些特点它能组成中大规模、高度自动化、高可靠性的系统，也为智能仪表奠定了基础。1915年美国首先提出峰值电子电压表的设计，1928年已达到商品化。20世纪50年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字一起得以问世，将模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级。1952年美国NLS公司首先研制出电子管式4位数字电压表。在测试新设计的便携式电子产品时，常需要通宵达旦测试供电电池的工作寿命。最容易又省事的办法是使用带有串行接口的数字多用表（DMM）。用它测量能把结果储存在PC机里，使用表内的数据采集软件或电子表格把电池的放电曲线绘制出来。现今生产的DMM有许多“冷（cold）”特色，增强了它们的测量能力。除有串行口外，还有图形显示、双行数字显示、返回显示、计算功率和测试信号。现今的台式也有许多特殊测量功能。有串行接口的DMM，如Tektronix公司生产的TX3型表，用软件能观察和记录测量的结果，也可在PC机上显示出记录下来的电流或绘出测量结果曲线，串行电缆或软件是任选件，而HCProtek公司的506型串行电缆是标准件。可从该公司的网站上下载PC软件。某些DMM本身具有图形显示器，不需借助PC机来观察波形。Extech仪器公司的381270型多用示波表和Fluke公司的860系列波形DMM可以直接观测波形。两种表都有串行接口和任选的PC软件。Extech公司的DMM带宽100KHz的波形，而Fluke公司的DMM带宽可达1MHz，860型DMM除测量和显示波形外还能执行计算。例如最小、最大值和平均值。测量AC时，常需要同时看到电压值和频率，或同时看到电压和电流值，为测量电压和频率，也可选用B&KPrecision公司的2880A和2890A型表，后者能测频率达200KHz。测量AC时，常要求测出功率，也就是说，既要测出电压又要测出电流。则带有微处理器的DMM出现之前，要分开测出电压和电流，然后加上功率因数计算功率。现在只用一块DMM便可测出这三种参数，如GMC仪器公司的MetroHit298型DMM。随着微电子技术和微机技术的进一步发展，嵌入式系统、含微机的仪表专用集成电路、高级的测量与控制软件和智能技术水平的不断提高，加上先进的工艺技术，仪表正进一步提高其性能和功能，真正的智能仪表已经形成。今后，智能仪表在其设计、制造、应用等方面将会有更大的进步和发展。1.3论文研究任务本设计的智能化数字多用表，采用微处理器控制、具有自动校准功能，它由模拟电路和数字控制电路两大部分组成，两部分之间通过光电耦合传输信息。用A/D转换、逻辑控制电路以及显示器等组件来代替普通万用表简单的表头。本课题的研究任务是:（１）实现测量直流电压和电流、交流电压和电流、电阻及比例；（２）数值计算功能；（３）自动校准功能；（４）其他功能，如自测试，显示测量值的允许误差等。2智能化数字多用表的总体方案2.1系统的性能指标设计2.1.1测量功能数字多用表应可测量直流电压和电流、交流电压和电流、电阻及比例。（１）直流电压：从0.1伏到l000伏分五个量程。最大显示读数为1，999，999。在“平均值”工作方式时，最大显示读数增加一倍，即19，999，999，俗称7位半。在0.1伏量程档的灵敏度为10nV。1伏和10伏量程为基本量程，其测量精度达3ppm读数量1ppm满度。（２）交流电压（真有效值）：从0.1伏到1000伏分五个量程。最大显示数为199，999。在1伏、10伏和100伏量程，在40Hz一5kHz频率范围内；测量精度达0.02％读数0.01％满度。（３）直流电流：从100微安到1安培分五个量程。最大显示数为199，999。在0.1—100mA量程，测量精度达：50ppm读数20ppm满度。（４）交流电流：量程设置和最大显示数同直流电流功能。在45Hz一5kHz频率范围内，精度达0.1％读数0.025％满度。（５）电阻测量：从l0欧到l0兆欧，分七个量程。最大显示数为1，999，999。在0.1KΩ、1KΩ和10KΩ三量程的测量精度达5ppm读数lppm满度。（６）多用表还能测量两个输入信号的比例。2.1.2数值计算数字多用表应具有下列计算功能：（１）（A-B）运算：A、B可以是两次测量结果，进行相减得其差；B也可以是从键盘输入的常数，把测量结果减去常数B后送显示器显示。（２）÷C：C值通过键盘输入，将测量结果除C，并以％显示。（３）最大／最小值测试：仪器将测试结果与存储器中的最大／最小值进行比较，当有更大或更小的数值时，就取代存储器中原存的最大和最小值。（４）极限：从键盘输入上、下限的极限值，当测量结果超过极限值时，在显示值旁给以标志显示。（５）平均值：为提高测试精度，仪器对被测信号可测量多次，然后取其平均值。2.1.3自动校准通过面板操作，可对仪器在任何一种功能、任意一个量程进行输入偏置电流、线性、增益、零点偏移等项的自动校准。校准系数存于非易失性存储器内。当仪器正式测量时，从校准存储器取出校准系数对测量结果进行修正，从而提高测量精度。非易失性存储器采用CM0S存储器，工作电流仅为0.5A，由锂电池供电。即使仪器关掉电源后，该存储器内信息不会丢失。锂电池的寿命超过10年。下面介绍电压测量的自动校准。（１）输入偏置电流的自动校准数字电压表的输入放大器都存在输入电流，给测量带来误差。为消除该误差．数字多用表内采用了输入电流的自动校准和补偿技术。在自动校准时，用户在输入端接入一个10M电阻，如图2-1(a)所示，输入电流在该电阻上产生压降，经A/D转换后存于非易失性存储器内作为输入电流的校正量。在正常测量时，微处理机根据校正量送出适当数字到D/A转换器，经输入电流补偿电路产生补偿电流，抵消了，使仪器输入电流大为降低，如图2-1(b)所示。图2-1输入偏置电流的自动校准（２）线性自动校准模/数转换器的转换特性如图2-2(a)所示，在读数接近零时，线性是不理想的。为此需要进行线性校准。用户在输入端先接入1M电阻。校准时微处理器执行一个检索子程序，利用图2-1(b)中的D/A转换器产生一组偏置电流。这些电流在1M电阻上产生电压。多用表测量这些电压，并分析其特性。当找到图2-2(a)中的A和B点时，存储A值和B值。在正常测量时，从测量结果中减去A或B值。这样，多用表的转换特性就如图2-2(b)所示。该特性还存在零点偏移，可用下述的“零点偏移自动校正”技术加以消除。（３）零点偏移自动校准将数字多用表的两输入端短路，其读数值即为零点偏移。微处理器自动把零点偏移值存于存储器。在正常测量时，从测定值中减去该偏移值就得到图2-2(c)所示的无偏移特性。（４）增益自动校准将一已知数值的精确直流电压加到多用表的输入端，其读数值与精确值之比反映了多用表的刻度，即图2-2(c)中的转换特性的斜率。校准时把该系数存于存储器。在正常测量时，利用刻度系数对测量值进行修正，以消除刻度误差。图2-2线性与零点的校准（５）高频自动补偿为了改善测量高频信号的精度，在交流通道内设置了高频补偿电路，如图2-3所示。为使各量程得到均匀一致的补偿，需微调补偿电路的参数。原理如下：首先进行高频自动校准。在各量程，用户将已知有效值的30kHz高频信号加至多用表输入端。仪器测量该信号，并将读数与精确值之差存储在校准存储器内，作为补偿数据。当选择AC测量功能时，微处理器把所选量程的补偿数据由校准存储器调出，并送至D/A转换器。D/A转换器的输出电压送到变容二极管，改变变容管的电容，就微调补偿电路的参数，从而微调了电路的频率响应，使在各量程都得到平坦的频率响应。图2-3高频补偿电路原理2.1.4其它功能（１）自测试按下“TEST”键后，仪器进行自测试，检测各测量电路、显示器及非易失性存储器功能是否正常。（２）显示测量值的允许误差在测得某数值后，有时需要知道该测量值的精度，为此须按“a％读数b％满度”进行计算，比较麻烦。数字多用表应能自动计算该项误差，并在显示器上显示出来。2.2总体方案设计本设计智能化数字多用表的数字部分主要包括MC6800微处理器、ROM、RAM、键盘、显示器、计数器及GP-IB接口等电路。微处理器使整个仪器的控制中心。只读存储器存放仪器的操作程序，由两块4096字节的ROM组成。随机存储器由四块2564位芯片组成512字节RAM。它分为两部分：一部分存储非易失性数据，如校准系数、自动测试极限值等；另一部分存储易失性数据，如最大值、最小值、极限误差及计算值等数据、模拟部分主要包括直流隔离放大器、A/D转换器、欧姆转换器、交/直流转换器、电流转换器及模拟接口等电路。直流隔离放大器的作用是实现量程转换和阻抗分配。它把直流被测电压，或来自欧姆转换器、电流转换器的直流电压转换成A/D转换器所要求的直流电平。欧姆转换器把被测电阻转换成直流电压。交直流转换器把交流电压转换成A/D转换器能够接受的直流电压。电流转换器把电流转换成电压。若是交流电流，则先由电流转换器把它转换成交流电压，再由交直流转换器转换成直流电压。模拟接口的任务是保证屏蔽盒内的模拟电路与屏蔽盒外的数字电路之间既要完全隔离，又要能正常地传递信息。在本设计内，这一任务是用光电隔离器和锁存器来实现的。来自电路的控制信息通过光电隔离器传送给模拟接口。模拟接口的锁存器锁存这些信息，以选择功能、量程等各种方式。为了解决高分辨力、高速度与高增益器件之间的矛盾。本设计采用了三斜率（三斜积分式）A/D转换器。为了避免零区缺字，在取样期结束后，又对与输入信号同极性的偏置电压积分一段时间。本设计的键盘接口用两个编码器实现。显示器接口采用硬件扫描，一旦有键按下，按键读书存入数据锁存器，并向微处理器发出中断请求。当微处理器接到中断请求，并查明中断源后，即读取按键读数。GP-IB接口采用MC68488通用接口适配器，具有源者和受者握手、讲和听、服务请求、并行点名、仪器清除和仪器触发能力。其数字多用表框图如图2-4：图2-4数字多用表框图3硬件电路设计本设计智能化数字多用表主要由两部分组成。模拟部分主要包括直流隔离放大器、A/D转换器、欧姆转换器、交/直流转换器、电流转换器及模拟接口等电路。数字部分主要包括MC6800微处理器、ROM、RAM、键盘、显示器、计数器及GP-IB接口等电路。3.1直流隔离放大器直流隔离放大器由输入衰减器、输入放大器、有源滤波器、输入电流补偿电路及自举电源等组成，如图3-1所示。图3-1直流隔离放大器框图直流隔离放大器的核心是输入衰减器和输入放大器，如图3-2所示。衰减器的衰减比是100：1，继电器控制衰减器是否接入。由场效应管—构成的开关控制放大器的增益，图中开关的位置对应于1伏量程。这时衰减器未能接入，而放大器的增益为3.16。在10伏量程时，、接通，其余开关断开，衰减器未接入，整个增益为l/3.16。直流隔离放大器在0.1V、100V及1000V量程的传输增益分别为31.6、1/31.6和1/316。在自测试时接通，其余开关置于0.1V量程的位置，即、导通，放大器增益为31.6。衰减器接入输入端，因而放大器“+”端经100KΩ电阻接地，而“-”端加了约0.l伏电压，放大器输出-3.125伏电压。仪器测量该电压，并与存储的数值相比较。若两者之差6％内，则输入放大器工作正常。图3-2输入放大器有源滤波器的接入与否受微处理器控制。该滤波器对50Hz的干扰有54dB的衰减。输入放大器的12V电源由自举电源提供。自举电源的参考点不是“地”而是输入信号，即电源与地电位间的电压不是恒定的，而与输入信号间的电压却是恒定的。因此，输入放大器的工作点基本上不随输入信号而变化，这对提高放大器的工作稳定性及抗共模干扰能力有很大好处。由于采取自举电源、输入电流补偿等措施，直流隔离放大器的温漂降低到0.24V/℃，输入电阻大于10，000兆欧。3.2A/D转换器3.2.1转换原理为了解决高分辨力、高速工作与要求高增益、高速器件之间的矛盾，本表采用了三斜式A/D转换器。为避免零区缺字，在取样期结束后，又对与输入信号极性的偏置电压积分一段时间，产生上冲。本表选择偏置电压等于大基准电压。图3-3表示了A/D转换器模拟部分的方框图。它由多路模拟开关、高速缓冲器、积分器、比较器1和比较器2组成。多路模拟开关把RESET、、、或被测信号切换到高速缓冲器。高速缓冲器输出一路送给积分器，另一(1.08M)与(2.2k)分压后送到比较器l的同相端，作为比较器期间的比较电压。表内采用=6.34V，高速缓冲器的增益为1，所以，在期间，比较器1的比较电平10mV。比较器2的比较电平为零伏，其输出经光电耦合器耦合到数字电路。假设被测电压为正极性。多路投拟开关的控制信号a、b、c与接通信号之间的关系见表3-1。当积分器输出到达比较器1的比较电平时，比较器1动作，使比较器2输出一正脉仲。当积分器输出到达零电平时，比较器2输出再次产生跳变。数字电路检测出这一跳变后，发出图3-3A/D转换器方框图控制信息，使转换器进入复位周期，且使多路模拟开关选择RESET(零伏)信号，从而复位开关接通。这样，在复位期间，由模拟开关、高速缓冲器、积分器和比较器1产生的零点偏移部存储在电容上。在A/D转换器工作期间，复位开关断开，存储器上的零点偏移保持下来，并加到积分器的同相端，抵消了在工作期内各电路产生的偏移。这是积分式数字电压表内经常采用的偏移自动校正技术。表3-1多路模拟开关真值表abc接通信号000001010 -011+100+101-110（3-1）在一个A/D转换周期内，积分器的输出电压从零开始，最后回到零，积分电容器在和期间充电电荷等于在和期间的放电电荷。假设积分放大器是理想的，则存在下列关系式：（3-1）（3-2）式中R是积分电阻，到多路开关的被测电压。。在数字多用表中取n=16，=160ms。设钟频为，在、、、内的钟频计数值分别为、、、，则在比较期、内的计数为（3-2）在仪器中取，代入上式得在1伏量程，直流隔离放大器的增益为3.16，所以实际被测电压与之间存在下列关系：=3.16上式成为这就是A/D转换器读数与输入电压的关系式。由式可见：（１）由于产生上冲，当=0时，0，相差一常数。（２）即使常数为0，与的比例常数也不准确等于。因此，为得到正确读数，微处理器还必须对进行简单的运算处理后才能显示。图3-4表示了A/D转换器的工作模型。图3-4A/D转换器工作模型3.2.2转换器电路（１）高速缓冲器高速缓冲器主要由、组成.的正负电源由稳压管、提供，而稳压管的一端接到缓冲器的输出，因而该电源也是自举的，的工作点基本不随输入电压而变化，使放大器具有高的抗共模干扰能力.、为提供高的负载电阻，从而提高该级的增益.电容消除多路开关切换时的过度效应。高速缓冲器的闭环增益为1。（２）积分器图3-5表示了积分原理电路.积分器由和组成.是积分电阻，是积分电容。图3-5积分器原理电路（３）比较器比较器由比较器1和2组成，如图3-6所示。在小信号时，二极管、截止，因而比较器1的增益取决于电阻与之比，约为100。在大信号时，二极管、导通，增益取决于与之比，其值小于1，避免了比较器1进入饱和状态而减慢工作速度。电路简单成本低，广泛应用于低精度DMM中。但由于是按照正弦有效值进行刻度的，所以，在测纯净的的正弦电压信号时，所显示的结果才是正确的。在对积分期间，比较器1的比较电平由经、分压产生，近似10V；在对积分期间，该电平下降到原值的1/16。接近零伏。图3-6比较器原理电路3.3交直流转换器交直流(AC/DC)转换器的作用是把输入交7信号变换成等效的直流信号，送到A/D转换器的输入端。图3-7表示了AC/DC转换器的组成。它分为前置放大器、高频补偿电路和真有效值转换电路两大部分。图3-7交直流转换器框图3.3.1前置放大器前置放大器是一个并联电压负反馈放大器。当选择AC功能时，继电器吸合。当同时选择DC和AC功能时，吸合，电容不接入通路，放大器成为直流耦合。、、、、用于改变量程。在100mV量程时，导通，而在其它量程时均吸合。例如，在10V量程时，和吸合，低频增益为满量程10V输入时，输出0.9V。放大器的同相端经=1K接地，同时还接入场效应管。在自测试时，数字控制电路发出TEST信号，使导通。约0.08V（+15V电源经、分压）电压加到放大器同相端。放大器置于0.1V量程档，于是真有效值转换器输出3.14V。对该电压进行A/D转换，并与存储的值相比较。若两者相差在6％范围内，则电路正常。3.3.2真有效值转换电路AC/DC转换器有平均值转换、有效值转换和峰值转换三种类型。本设计采用一种精密的电子式真有效值（RMS）转换电路，由全波整流器、计算电路及低通滤波器等组成。（１）全波整流器全波整流器电路如图3-8所示。它由半波整流器和加法器组成，把来自高频补偿电路的交流信号整流成单极性信号。放大器及整流二极管等构成半波整流器。假设整流器输入信号图3-8全波整流器是正弦波。在的正半周，导通，截止，A点电压为0。在的负半周，导通，截止。的导通电流经过在A点产生正极性电压。图中，假设是理想的，则此时A点电压等于输入电压，但极性相反。因而A点电压为（3-3）为加法器。它有两路输入信号，即和。加法器的输出电压为（3-3）若选择==2，又考虑到上式，则或可见，该电路实现了全波整流。（２）真有效值转换器真有效值转换器把全波整流器输出的单极信号变换成与其有效值相等效的直流信号，以便进行A/D转换，框图如图3-9所示。图3-9真有效值转换器框图电路包括三个对数电路、一个反对数电路和滤波器。输入信号供给前两个对数级，反馈信号供给第三个对数级。送给反对数级的电压U为取反数得经滤波器平均后输出为在真有效值方式中，反馈回路是闭合的，因此从而得到输出电压的平均值等于输入电压的真有效值。这种方法具有量程宽、过载能力强及响应快等优点，且能测量波峰系数达7：1的交变信号。3.4其它模拟电路3.4.1欧姆转换器欧姆转换器把被测电阻转换成直流电压。本设计的欧姆转换器采用恒流源法，已知的恒定电流流过被测电阻，产生比例于该电阻的电压，送到直流隔离放大器。实际上，直流隔离放大器的输入电压除外，还有放大器A的虚地点电压，但该电压接近于零，可忽略。、、和均是1071多用表面板上的接线端钮。在面板上把和端、和端直接短接起来，然后用两根导线和从、端连至被测电阻进行测量。在欧姆测量时，端连至放大器A的反相端，连至直流隔离放大器，连至A的输出，连至恒流源。这种方法采用两根导线进行测量，因而称二线测量法。它的缺点是当被测电阻很小时，导线和的电阻不能忽略。直流隔离放大器的输入电压实际为和分别表示导线a和b上的电压降。当很小时，导线上的压降、不能忽略，引起误差。为此可采用四线法测量电阻。从Lo、、、Hi四端点分别引导线a、b、c、d至被测电阻。这时，电流流通途径:是放大器A输出导线b导线c恒流源，导线d和a上无电流，因此，直流隔离放大器的输入电压等于，消除了接线电阻的影响。图3-10表示了本设计采用的恒流源框图。恒定电流，改变电阻R，就改变了，也就改变了欧姆测量的量程。在对欧姆转换器进行自测试时，仪器自动置于10量程(这时)；并在仪器内部，在和端间自动接入9.76电阻代替。该电阻上约1伏的电压经直流隔离放大器到A/D转换器进行转换。其读数与已存储的读数进行比较，就可判断欧姆转换器工作是否正常。图3-10恒流源框图3.4.2电流转换器如图3-11。电流转换器的作用是将被测电流转换成电压。本设计采用的方法是将被测电流流过标准电阻，在该电阻上产生压降。若测量直流电流，则把送到直流隔离放大器；若测量交流电流，则把送到交直流转换器。然后，两者都送到A/D转换器。改变标准电阻的数值，就改变了电流测量的量程。图3-11电流转换器原理图在自测试时，电流转换器置于100档，，同时数字控制电路发出TEST信号，使导通，在上产生约0.3伏电压。该电压加到直流隔离放大器的同相端；在自测试时，直流隔离放大器的反相端加有0.1伏电压，放大器的增益为31.6，因而放大器输出约6.26伏电压。把该电压进行A/D转换，其读数与存储值相比较，就可判断电流转换器的功能是否正常。3.4.3双层屏蔽与模拟接口（１）双层屏蔽为了实现高精度高分辨力的测量，多用表必须具有很高的抗共模干扰能力。共模干扰是同时作用于数字电压表高低端的干扰。图3-12表示了存在共模干扰时的电压测量。图中为被测电压；为被测源内阻；、为引线电阻；为数字电压表的输入电阻；为两个接地点之间的电阻；、是共模电压产生的共模电流。共模电流在数字电压表高（），低（）两输入端产生的电位差为通常远大于、、，所以图3-12存在共模干扰时的电压测量可见，由于存在共模电压，在数字电压表输入端产生了串模干扰电压，从而造成误差。接地点之间电阻越大，误差将越小。为了增大，在数字电压表内常采用双层屏蔽的浮地隔离技术，如图3-13所示。所谓双层屏蔽，指除了机壳屏蔽外，内部还有一个屏蔽盒。模拟电路放在内屏蔽盒内，数字电路放在内屏蔽盒外。所谓浮地隔离，是指模拟电路、内屏蔽盒与机壳三者是绝缘隔离的，阻抗、是很大的。机壳接大地。内屏蔽盒有一单独的接线端G（称作屏蔽保护端）。被测信号源与DVM的、端用双芯屏蔽线连接，被测源地端通过双芯线的屏蔽层与保护端G相连接。这样，由共模干扰电压引起的串模干扰电压为由于、很大，所以大大减小。图3-13双层屏蔽浮地隔离技术（２）模拟接口模拟借口的任务是保证屏蔽盒内模拟电路与屏蔽盒外数字电路之间既要完全电隔离，又要能正常地传递信息。在数字多用表内，这一任务是用光电隔离器和锁存器来实现的，如图3-14所示。图3-14光电隔离器来自电路的控制信息通过光电隔离器传递给模拟接口。模拟接口中的锁存器存这些信息，以选择功能、量程等各种工作方式。3.4.4功能选择图3-15表示了数字多用表的功能选择电路。、、、都是仪器面板上的接线端钮。图3-15功能选择电路测量直流电压时，、闭合，测量交流电压时，、闭合，使直流隔离放大器或交直流转换器输入端接到、端。测量电阻时，、闭合，使欧姆转换器的反相输入端、输出端分别为与、连接；闭合，使欧姆转换器的恒流源连接至端；闭合，直流隔离放大器的一个输入端与端相连。测量电流时，、闭合，使电流转换器输入端与、端相连；或闭合，使电流转换器输出端与直流隔离放大器（测直流电流）或交直流转换器（测交流电流）相连接。通过功能选择开关，可以实现多种测量功能。如量程的选择、转换器的配对等。3.5数字电路数字电路包括微处理器、存储器、显示器板、A/D转换器的数字部分及GP-IB接口等电路。3.5.1微处理器和存储器多用表采用MC6800型微处理器作为中央控制单元。存储器有两块4096字节的ROM和4块256*4位的RAM组成，分成五个主要区域：（１）程序存储器：存储整个仪器系统的工作程序。（２）常数存储器：存储自测试极限值、误差指标及其它固定常数。（３）非易失性存储器：存储在自校时测定的所有校准常数。（４）工作存储器：在各种工作时使用的暂用存储器。（５）易失性显示存储器：存储如最大－最小值、极限值、计算值等易失性数据。其中程序存储器和常数存储器是ROM，其余是RAM。3.5.2A/D转化器的数字部分A/D转换器的数字部分电路控制了三斜式A/D转换，它为包括产生、周期，在、周期内进行计数及控制多路开关等；总之，它完成由三斜式ADC控制程序所完成的任务。该电路对A/D转换器的控制是通过、、C三条线进行的。、、C三信号经光电隔离器及接口电路成为a、b、c信号以控制多路开关。图3-16A/D转换数字部分简图图3-17A/D转换流程下面结合这些图3-16和图3-17进行讨论控制过程。（１）复位接通电源后，微处理器执行初始化程序，使、、信号的状态为110，复位A/D转换器，同时予置延时计数器等。（２）触发触发信号启动仪器进行测量。触发信号由下列三个来源：①仪器内部的定时器产生，每秒两次。②仪器外部产生，从后面板引入。③微处理器产生。例如，当仪器处于“保持”方式时，按“MAN”键将使微处理器驱动发出触发信号，进行一次测量。由触发控制电路选择触发源。（３）延时在触发脉冲作用下，延时定时器输出100Hz时钟脉冲到延时计数器。延时计数器逆计数到零，使时序控制器发出SYNC信号。该信号一方面使计数器复零，同时使、、信号状态为１１１，模拟开关接通被测信号，进入周期。（４）周期积分器对被测信号进行积分，同时内的主计数器进行计数以决定采样时间，最快为2.5ms，正常为160ms。在采样结束时，主计数器发出信号给时序控制器，使、、信号状态为011，进入周期。（５）周期积分器对偏置电压进行积分，同时内的辅助计数器进行计数，以决定160μs的周期。周期结束后，时序控制器进入下一步，发出等待(WAIT)信号，复位计数器。WAIT信号的负跳变使、、信号状态为101，进入周期。（６）周期积分器对大基准电压进行积分，同时主计数器进行计数。当检测到比较器输出过零脉冲时，周期结束，主计数器关闭，时序控制使、、线状态为001，进入周期。（７）周期积分器对小基准电压进行积分，同时辅助计数器进行计数。当辅助计数器产生仅为时，主计数器增1。当再次检测到比较器的过零脉冲时，周期结束，辅助计数器停止计数。时序控制器使、、信号为全“1”，操作结束。微处理器把计数器中的三字节数据读到RAM，并进行处理，最后显示。3.5.3键盘和显示器电路键盘接口用两个编码器实现。一旦有键按下，按键读数存入数据锁存器，并向微处理器发出中断请求。当微处理器接到中断请求、并查明中断源后，就读取按键读数。显示器接口采用硬件扫描，如图3-18所示。微处理器首先把显示字符的段码写入RAM。显示时钟送出2KHz信号给二进制计数器进行计数。计数器输出的二进制数一路经译码器选择显示器的位数，另一路作为RAM的地址码，把相应单元内的段码读出，经缓冲器送到显示器点亮相应的段。3.5.4GP-IB接口GP-IB标准包括接口与总线两部分。接口部分是由各种逻辑电路组成，与各仪器装置安装在一起，用于对传送的信息进行发送、接受、编码和译码；总线部分是一条无源的多芯电缆，用作传输各种消息。本设计GP-IB接口采用MC68488通用接口适配器，具有源者和受者挂钩、讲和听、服务请求、并进行点名、仪器清除和仪器触发等能力。图3-18显示器接口简图4软件设计4.1系统软件本设计的数字多用表的系统软件采用了一种循环优先作业调度程序结构，如图4-1所示。为实现多用表的功能，微处理器要完成许多任务。每个任务称为作业。每个作业对应了一个独立的程序模块。在存储器内为每个作业设置了一个标志。根据标志的状态决定作业是否执行。当某个作业请求工作时，其标志位置位；当工作完成后，标志位复位，并回到调度程序的顶部重新开始检查各标志，从而保证了作业的优先级。调度程序首先判断是否有远地命令或本地键盘命令。若有，则执行这些命令，如设置量程、选择功能、方式控制、设置计算功能及初始化自校等工作。然后判断测量数据是否已被处理。若已处理，则调用显示程序如图4-2显示数据。判断是否已接受从A/D转换器来的数据。若是，则处理数据。如图4-3所示。判断是否需要读出误差。若是，则按所在量程和读数计算误差极限并显示。判断一次A/D转换是否已完成。若是，则从A/D转换器接收数据。最后判断接口选件是否安装，并且要输出BCD数据是否已准备。若是，则输出数据到远地。4.2自测试当按下自测试(TEST)键后，仪器就进行自测试。仪器首先禁止除手控(MAN)和自测试(TEST)按键外的所有按键；存储量程、功能和滤波器的状态；复位A/D转换器；清除TEST键外的其他所有键的发光二极管，并测试显示器各段、字符和图形。图4-1系统软件框图图4-2数据显示程序接着测试各测量电路的功能。首先判断“比率”选件是否安装并被选择。若是，则在显示器上显示“％”符号。然后测试“直流测量”功能。先在0.1伏量程档进行测试。在输入放大器输入一个小信号，放大器输出约3.125伏信号。将此信号进行A/D转换并与存储值进行比较。若两者的相对差值在％范围内，则为合格。继续进行1V、10V量程档的测试。若这些测试都通过，则在显示器上增加显示“V”符号。否则，显示器显示“ERROR5”，直至按“MAN”键，继续进行自测试。检查“欧姆测量”选件是否安装。若安装，则测试“欧姆测量”功能。置量程为10V档，将内部9，76K的电阻R8接在和之间。与相连，与相连。测量该电阻的数值，并与存储值相比较。若两者的相对差值在6％之内，则测试通过，显示器增加显示“Ω”符号。否则，显示器显示“ERROR6”后等待，直至按“MAN”键。检查“交流测量”选件是否安装。若安装，则先置交流转换器于0.01V挡。加0.08V直流电压于交流前置放大器，则真有效值电路输出约3．14伏电压。将此电压进行A/D转换，并与存储值进行比较。若两者之相对差值在6％之内，则认为合格。然后在1V量程进行测试，步骤同0.1V量程，只是真有效值电路输出为0.314V。若测试通过，则显示器增加显示“”符号。否则显示“ERROR7”后等待，直至按“MAN”键。检查“电流测量”选件是否安装。若安装，则测试“电流测量”功能。置量程于“0.1mA直流”。直流隔离放大器工作于0.1V量程。在分流电阻上流过100μA电流，电阻两端产生约0.3V电压，送到直流隔离放大器，然后进行A/D转换。其读数与存储值进行比较。若相对差值在6％范围内，则测试通过，显示器增加显示“A”符号，否则，显示器显示“ERROR8”。然后等待，直至按“MAN”键。在各测量电路都测试后，就测试非易失性存储器。首先测试校准存储器。若失效，则显示‘FAIL’。再测试零位值存储器。若失效，则显示“IP.O”