級(jí)電信本一班111102010110歐東

1、電子測(cè)量結(jié)課報(bào)告題目：數(shù)字式萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)專業(yè)：電子信息工程 班級(jí)：11級(jí)電信本一班 姓名：歐 東 學(xué)號(hào)：分?jǐn)?shù)： 2013年12月14日摘要數(shù)字萬(wàn)用表亦稱數(shù)字多用表，是廣大電子技術(shù)人員和電子愛(ài)好者從事電子測(cè)量及維修工作的必備儀表。便攜式數(shù)字萬(wàn)用表以其功能完善、通用性強(qiáng)、價(jià)格低、耗電省、便于攜帶等顯著優(yōu)點(diǎn)，深愛(ài)廣大用戶的青睞。數(shù)字萬(wàn)用表是在20世紀(jì)60年代問(wèn)世的。目前，我國(guó)數(shù)字萬(wàn)用表的產(chǎn)量已躍居世紀(jì)首位，便攜式數(shù)字萬(wàn)用表的年產(chǎn)量已超過(guò)1000萬(wàn)臺(tái)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷世界100多個(gè)國(guó)家或區(qū)域。 本文介紹一種基于AT89S51單片機(jī)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(cè)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(cè)量對(duì)象、量程和自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。目錄第1章 數(shù)字萬(wàn)用表簡(jiǎn)介1第2章 數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)原理12.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖12.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3第3章 數(shù)字萬(wàn)用表硬件設(shè)計(jì)3 3.1 3½位單片A/D轉(zhuǎn)換器3 3.2 直流電壓測(cè)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(dòng)量程轉(zhuǎn)換模塊3第4章 數(shù)字萬(wàn)用表系統(tǒng)測(cè)試3 4.1 直流電壓測(cè)試4 4.2 交流電壓測(cè)試4 4.3 直流電流測(cè)試4 4.4 電阻測(cè)試4第1章 數(shù)字萬(wàn)用表的簡(jiǎn)介數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）亦稱數(shù)字多用表，

3、是目前在電子檢測(cè)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(cè)量技術(shù)，通過(guò)對(duì)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(jìn)制數(shù)字形式顯示出來(lái)。由于內(nèi)部采用了運(yùn)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(duì)被測(cè)電路的影響可以更小，測(cè)量精度較高。傳統(tǒng)的指針式萬(wàn)用表功能單一、精度低，已經(jīng)不能滿足數(shù)字化時(shí)代的需求，而采用單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字萬(wàn)用表，具有讀數(shù)方便、精度高，測(cè)試功能強(qiáng)、集成度高、微功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，另外帶有單片機(jī)的智能型數(shù)字萬(wàn)用表更是具有自動(dòng)校準(zhǔn)，自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)通訊等多種功能。目前，

4、數(shù)字萬(wàn)用表已被廣泛用于電子及電工測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等智能化測(cè)量領(lǐng)域，示出強(qiáng)大的生命力。與此同時(shí)，由DMM擴(kuò)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(cè)量技術(shù)提高到嶄新水平。第2章 數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)原理2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，單片機(jī)與控制電路控制輸入電路進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)，然后A/D轉(zhuǎn)換器將其輸出數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，最后顯示在LED顯示器上。圖2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案首先以A/D轉(zhuǎn)換器為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)多檔的直流電壓測(cè)量電路，再在此基礎(chǔ)上對(duì)電路進(jìn)行擴(kuò)展,使其能多量程的測(cè)量交流電壓、直

5、流電流和電阻的測(cè)量電路。然后通過(guò)單片機(jī)編程對(duì)各個(gè)主要模塊的進(jìn)行智能控制和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓、交流電壓、直流電流和電阻測(cè)量對(duì)象切換；手動(dòng)和自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換等功能,并將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人們?nèi)粘Ａ?xí)慣的十進(jìn)制數(shù)字形式顯示在LED顯示器上。所以本設(shè)計(jì)可以分為直流電壓測(cè)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(gè)的主要電路模塊。第3章 智能型數(shù)字式多用表硬件設(shè)計(jì)3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對(duì)測(cè)量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測(cè)量電路性能。所以我依據(jù)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求，并綜合A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)和價(jià)格選擇了ICL7106和MC14433這兩

6、個(gè)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(zhǔn)確度為±0.05%±1個(gè)字；MC14433的輸入阻抗為109，轉(zhuǎn)換速率為3-10次/s，轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度為±0.05%±1個(gè)字，因此這兩塊芯片的性能指標(biāo)大大超過(guò)設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)。采用MC14433。MC14433是一個(gè)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(dòng)態(tài)掃描顯示，有多路調(diào)制的BCD碼輸出端和超量程信號(hào)輸出端，便于與單片機(jī)相連構(gòu)成智能控制系統(tǒng)。MC14433是美國(guó)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(guó)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(diǎn)：（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(zhǔn)確度為±0.05%±1個(gè)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(shè)有時(shí)鐘振蕩器，使用時(shí)僅需外接一只振蕩電阻。亦可采用外部時(shí)鐘輸入方式，時(shí)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(jì)算機(jī)或打印機(jī)。（6） 具有超量程、欠量程指

8、示信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。（7） 能增加讀數(shù)保持功能。（8） 采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。如圖3.1所示,MC1403提供輸出可調(diào)基準(zhǔn)電壓Vref（大小為2V），被測(cè)信號(hào)（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(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，MC14433的EOC引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平脈沖送給單片機(jī)，然后單片機(jī)會(huì)對(duì)MC14433的DS1-DS4引腳進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，讀取MC14433的Q0-Q3引腳的數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)理論推導(dǎo)： 圖3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路圖雙積分過(guò)程可以由下面的式子表示：因?yàn)?，故，式?4000，是定時(shí)時(shí)間，是變時(shí)間，由確定斜率，若用時(shí)鐘脈沖數(shù)N來(lái)表

9、示時(shí)間，則被測(cè)電壓就轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。 的參數(shù)計(jì)算： （式1）式中為積分電容上充電電壓具有自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)轉(zhuǎn)換極性功能。幅度，=，且=0.5V， =4000。假定=0.1，=5V，=66kHz。當(dāng)=2V時(shí)，代入式1，可得=480 ，取標(biāo)稱值470。3.2 直流電壓測(cè)量電路 如圖所示，被測(cè)電壓（0-200V）從DC V端輸入，通過(guò)單片機(jī)控制模擬開關(guān)CD4052選擇相應(yīng)的量程，將被測(cè)電壓值衰減到0-200mV，然后在經(jīng)過(guò)由精密運(yùn)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%的精密金屬膜電阻。

10、圖3.2.1 直流電壓測(cè)量電路在實(shí)踐中采用該方案時(shí)，若輸入信號(hào)小于正5伏，結(jié)果正確，但是當(dāng)輸入信號(hào)大于正5伏時(shí)，模擬開關(guān)CD4052和集成運(yùn)放OP07CP均工作不正常。向老師請(qǐng)教后，得知該方案中，輸入信號(hào)不經(jīng)過(guò)任何衰竭直接加在模擬開關(guān)的1腳，使模擬開關(guān)處于不受保護(hù)的狀態(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，可能會(huì)使模擬開關(guān)工作不正常，甚至燒毀模擬開關(guān),且模擬開關(guān)與運(yùn)放直接相連，導(dǎo)致運(yùn)放處于不受保護(hù)的工作狀態(tài)。為了解決這些問(wèn)題，我修改了設(shè)計(jì)電路。如下圖所示，該電路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)100千歐的電阻，從集成運(yùn)放的反相輸入端輸入，由電阻、模擬開關(guān)和運(yùn)放組成放大倍數(shù)可調(diào)的比例電路，并且這個(gè)100千歐的電阻還可以起到限流的

11、作用，成功的解決了原電路的弊端。實(shí)踐證明，該電路可以達(dá)到任務(wù)書的要求。圖3.2.2 改進(jìn)后的直流電壓測(cè)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(shè)計(jì)要求。如圖3.3所示,這個(gè)電路是利用低漂移單運(yùn)算放大器TL062與二極管D1 1N4148組成平均值響應(yīng)的線性半波整流電路。該電路可避免二極管在小信號(hào)整理時(shí)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(guān)系，適合測(cè)量40-400Hz的正弦電壓，測(cè)量準(zhǔn)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，普通模擬開關(guān)可以通過(guò)的

12、電流很微小，所以通過(guò)單片機(jī)控制繼電器來(lái)控制線路導(dǎo)通斷開，將被測(cè)電流信號(hào)（0-500mA）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)（0-200mV），然后經(jīng)過(guò)OP07將信號(hào)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(hù)電路，兩個(gè)二極管1N4007構(gòu)成保護(hù)為過(guò)壓保護(hù)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(guò)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(yùn)算放大器采用反相比例運(yùn)算的方法進(jìn)行測(cè)量。該方法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，且能滿足設(shè)計(jì)要求。如

13、圖3.5所示。穩(wěn)壓二極管1N4730A的穩(wěn)壓值為3.9V（即B點(diǎn)處電壓值），采用運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算的方法，將B點(diǎn)處的電壓值衰減到2V（即A點(diǎn)處電壓值），單片機(jī)通過(guò)控制模擬開關(guān)MAX4618（超低導(dǎo)通電阻）選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)參照電阻R1 ，再利用運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算的方法，將被測(cè)電阻RX的阻值轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電壓量，輸入A/D轉(zhuǎn)換電路。電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路的計(jì)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(dòng)量程轉(zhuǎn)換模塊 采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)單片機(jī)讀取MC14433的數(shù)字信號(hào)來(lái)控制模擬開關(guān)，從而改變反饋電阻的大小實(shí)現(xiàn)檔位的不同選擇

14、，能夠很容易滿足測(cè)量范圍的要求。此方案是電路比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)也較容易。第4章智能型數(shù)字式多用表系統(tǒng)測(cè)試4.1 直流電壓測(cè)試測(cè)試方案：通過(guò)按鈕開關(guān)選擇直流電壓檔，由直流穩(wěn)壓源提供電壓進(jìn)行測(cè)量，然后由單片機(jī)顯示輸出。檔 位輸入電壓實(shí)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(cè)量誤差大部分在-0.2%+0.2%范圍內(nèi)，在200mV檔測(cè)量時(shí)，由于沒(méi)

15、有精密電阻，實(shí)踐所用1M歐電阻誤差較大，所以誤差較大。測(cè)量結(jié)果基本滿足要求。4.2 交流電壓測(cè)試測(cè)試方案：通過(guò)按鈕開關(guān)選擇交流電壓檔，由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供一個(gè)50赫茲左右的正弦交流電壓，輸入到交流端進(jìn)行測(cè)量。檔 位輸入電壓實(shí)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(gè)字，滿足精度要求。4.3 直流電流測(cè)試測(cè)試方案：通過(guò)按鈕開關(guān)選擇直流電流檔，由于實(shí)驗(yàn)室沒(méi)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(lái)提供不同的待測(cè)電流。該電流的理論值，由電壓與電阻的比值計(jì)算得到。檔 位輸入電流實(shí)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(gè)字，滿足精度要求。因?qū)嶒?yàn)室找不到電流轉(zhuǎn)電壓電路所需的600毫歐和400毫歐特殊精密電阻，實(shí)踐中沒(méi)有連接200毫安和500毫安檔位的測(cè)量電路