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1、智能数字万用表的设计摘 要：本智能数字万用表由凌阳SPCE061A单片机、MC144333 位A/D转换电路、自动量程转换电路、交直流转换电路和大、小电阻测量电路组成，能够对交流电压、直流电压、大电阻和小电阻进行精确测量。使用凌阳SPCE061A单片机作为控制模块，实现量程自动转化；使用MC14433实现A/D转换；使用简易软键盘、凌阳SPLC501液晶显示模组实现输入和显示；使用单片机读取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；本设计能够准确对被测量进行测量，所有性能指标符合要求。 关键词：数字万用表 单片机 MC14433 交直流电压测量 电阻测量
2、 一、方案论证 1.交流电压的测量：由于交流电压不能直接测量，必须转换为直流电压。转换方案有3种： 方案一、热电偶测量法：根据交流有效值的物理定义来实现测量的，利用热电偶电路平衡原理通过两端的电势比较得到有效值。但热电偶转换线性度差，且热电偶具有配对较难、响应速度慢、负载能力差等缺点。 方案二、模拟运算法：根据有效值的数学定义，用集成器件乘法器、开放器等依次对被测信号进行平方、平均、开方等计算直接得到交流输入信号的有效值。这种方案测量的动态范围小、精度不高且输入信号的幅度变小时，平均器输出电压的平均值下降值很快、输出幅度很小。 方案三、交流整形电路：使用AD637等集成有效值转换芯片，把交流电
3、压信号转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号，在对直流电压进行测量，这种方案电路简单、响应速度快、失真度小、工作稳定可靠。 综上，采用方案三进行交流电压的测量。 2.小电阻的测量：由于小电阻在通入电压后发热，测量出的电阻值会产生较大的误差，对于小电路有3种方案测量： 方案一、直流电桥测量法。直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。采用这两种方法测量时很多操作需要手动，并且对元件精度要求高，通过数字电位器来改变需要的电阻参数，索然可以实现数控，但数字电位器的每一级步进电阻值不确定，调节困难，用单片机处理计算复杂并且测量时操作不便。 方案二、电阻比例法。电阻比例法采用如图1所示的双积分式A/D转换器电
4、路，可实现电阻数字的转换。由于在电阻上Rx、Rs中流过相同的电流，因此不需要精密的基准电流，但需要计数器和精密时钟发生器且电路复杂处理难度大。 方案三、采用恒流外加小信号放大法。当测量02小电阻时，采用恒流源产生10mA的电流流经电阻产生020mV压降再放大10倍即0200mV测量，这样解决了大电流流经小电阻发热大的问题。此种方案误差主要取决于恒流源的精度，只要恒流源恒定，测量可以达到很高的精度。 综上，采用方案三进行小电阻的测量。 3A/D转换模块 方案一、采用CC7106。CC7106是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟电路与数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，所以只需外接少量元件
5、就可组成一个3 位数字电压表。但是CC7106是以静态方式驱动LCD转换器，无BCD码输出端，因此不能直接获得降量程信号。 方案二、采用MC14433。MC14433是一个低功耗3 位双积分式A/D转换器,与CC7106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，便于实现自动控制。 综上，采用方案二进行A/D转换。 4自动量程转换模块 方案一、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，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。 方案二、采用硬件实现。电路的核心是
6、一块双向移位寄存器CC40194，移位方向由MC14433过量程信号控制，并且还要外接一些数字电路才能实现换档，电路比较复杂，不方便。 综上，采用方案一进行自动量程转换。 二、系统实现 1.硬件设计 根据题目要求和本系统的设计思想，系统主要包括图一所示。 测交流电压 被测量输入 键盘与显示 单片机系统 电阻测量电路 交/直流转换电路 自动量程转换电路 A/D转换电路 测电阻 测直流电压 通过拨动开关选择 图一设计原理图 SPCE061A单片机是本系统的核心器件，负责控制整个系用的正常工作，包括读取MC14433转换后的结果及10mV、100mV、1V和10V档位的控制；按键输入动作响应；键盘与
7、显示模块的驱动；量程自动控制等。输入的电压信号经过自动量程转换电路进行转换，变成可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。交流电压测量电路的功能是将被测的交流电压经过AD637转换成直流电压进行测量。电阻测量电路中使用2个三极管构成能产生10mA电流的恒流的电路，通过NE5532后得到被测电阻上的电压，运算得到被测电阻值。A/D转换电路的功能是实现模拟量到数字量的转换，其转换后的数字量由单片机读取并送到键盘与显示模块中显示。 2.不同功能的单元电路 （1）整体电路图 本系统由电源管理电路、A/D转换电路、自动量程转换电路、交直流转换电路和电阻测量电路组成。通过拨动开关和单片机选择所需功能进行测
8、量，被测量通过与之相应的单元电路转化为电压，然后送入A/D转换电路转换成数字信号。单片机将数字信号读入并进行相应操作，然后在液晶显示屏上显示出来。（整体电路图见附录） (2)交直流转换电路 交流电压测量真有效值的转换电路是测量交流电压的关键部分，其设计的好坏直接影响到交流电压信号的测量精度，在本次设计中我们通过比较采用AD637来实现交流信号到直流量的转变，将交流电压转换为直流，测量其有效值，电路如图三所示。 Vi是交流电压输入端，Vo端输出的是电压信号，输出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。我们在面包板上测试时，第一次输出值偏小，在多次检测后，我们认为是AD637芯片产生的误差。在更换A
9、D637芯片后，结果正确。 （3）电阻测量电路 电阻测量采用在待测电阻上流过恒定电流产生压降，通过测量相应的电压再经MC14433的A/D转换后得到电阻值。 大电阻测量：大电阻测量由TL431芯片、C1、电位器R产生2V恒定电压，被测电阻与10、100、1K、10K、100K和1M的标准电阻相串联到地。通过测量Rx两端电压再经过相应的软件处理计算，可得到被测电阻的大小。电路如图四所示。 小电阻测量：小电阻在通过小电流时难以测量，再通过大电流时又有电阻发热的问题。本数字万用表设计采用恒流源产生10mA的小电流流经电阻产生压降，通过测量Rx两端电压再经过相应的软件处理计算，可得到被测电阻的大小。当
10、测量02小电阻时产生020mV电压再放大10倍即0200mV测量，这样解决了大电流流经小电阻发热大的问题又提高了精度。电路图如图五所示。 恒流源电路：设计一个很简单的电路，使用元器件少，精度高。由2个三极管组成电路，输出为10mA电流，加在Rx两端进行测量压降。（电路图见附录） （4）模数与量程转换电路 A/D转换原理：MC1403提供输出可调基准电压 ，当输入一个直流电压时，将进行A/D转换，用单片机来处理MC14433的控制信号。当A/D转换结束时，MC14433的EOC引脚输出一个高电平脉冲给单片机，单片机进入中断处理程序。单片机对MC14433的DS1DS4进行动态扫描，然后将Q0Q3
11、进行转换之后由LCD显示。 相关理论推导：双积分过程可以由下面的式子表示： 因为 ，故有 ，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幅度， = ，且 =0.5V， =4000 。 自动量程转换电路的作用是按输入条件信号（过量程、欠量程信号）和时钟信号（EOC、DS1DS4）发生相应的量程信号控制。通过单片机读取MC14433的数字信号，通过数字信号的大小来控制模拟开关，从而改变反馈电阻的大小来实现档位的不同选择。模拟开关的导通由Q3和Q0决定
12、，当被测电压过量程时（Q3=0且Q0=1），向高量程变化；欠量程时（Q3=1且Q0=1），向低量程变化；在量程适合时，保持原来状态不变。 相关参数计算： ，如果要实现4个档位，可以将 设为1k、10k、100k和1M，然后通过控制开关来接通电阻，从而实现换档。（电路图见附录） (5)电源管理电路 电源管理电路主要是将9V叠层电池转换成单片机工作电压、+5V和-5V的恒定电压，给后续电路提供工作电压。电池的正极分成两路，第一路是直接接入到LM317的输入端，LM317是三端集成稳压芯片，其输出恒定的4.3V，做单片机的电源。另一路是经过三极管9012可以开关控制，本设计中万用表处于正常工作状态时
13、，单片机控制口输出高电平，9011处于饱和状态，9012的基极电压与低电压相近，9012饱和，即处于导通状态。9V叠层电池的正极电压到达78L05三端集成稳压芯片的输入端，其输出端输出的+5V电压。-5V有负压电荷泵7660S产生。当万用表处于“睡眠”状态时，单片机控制口输出为低电平。9011处于截止状态，9012的基极电压为9V，也处于截止状态，模拟部分电源电压为零。（电路图见附录） 三、软件设计 以下是通过软件编程实现功能的流程图，源代码见附录所示。 开始 进入电阻测量 F键 E键 N 进入电压测量 系统初始化 按键 输入标称值 读取数据 计算误差值 标称值显示 量程选择 判断量程 Y N
14、 键 键 键 按键 默认档位显示 标称值的输入 档位减一 档位加一 标称显示 读数据计算误差值 标准值显示 量程的显示 分钟无键按下产生中断 执行睡眠中断程序 中断返回 触键唤醒产生中断 执行唤醒中断程序 中断返回 四、系统测试 1测试使用的仪器 (1)数字万用表UT2003； (2)EE1640C型函数信号发生器； (3)RIGOL DM3051型 的数字万用表。 2指标测试和测试结果 (一)直流电压的测试 测试方案：通过拨动开关和单片机选择直流档，由直流电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(%) 200mV 2 V 20 V 200V 结果分析：测量
15、误差大部分在-0.2%+0.2%范围内，在200V档测量时，由于直流电源的输出电压不能超过30V，所以取两个值进行测量。在200mV量程进行测量时，由于输入信号的不稳定导致部分测量误差较大，基本满足题目要求。 (二)电阻的测试 测试方案：通过拨动开关和单片机选择电阻档，由电平转换电路提供2V的基准电压，将待测电阻接入测量端，然后选择合适的档位进行测量。 档位 理想电阻值 测得的电阻值 误差（%） 2 200 2 M 结果分析：测量误差在-0.2%+0.2%范围内，满足题目要求。 (三)交流电压的测试 测试方案：通过拨动开关和单片机选择交流档，由函数信号发生器提供一个正弦交流电压，输入到交流端进
16、行测量。 设定频率 档位 输入电压值 实际测得的电压值 误差 50Hz 200mV 2V 20V 结果分析：测量误差大部分在-0.5+0.5范围内，由于函数发生器的输出电压的不稳定，导致部分测量数据的误差较大，基本满足题目要求。五、结论 本数字万用表系统完成了基本要求和发挥部分的所有内容，如下：1.直流电压的测量；2.交流电压的测量；3.大、小电阻的测量；4.自动量程转换；5.睡眠、唤醒功能；6.相对误差的测量。 附录一： 1.整机电路图 2.交直流转换电路 3.大电阻测量电路 4.小电阻测量电路 5.模数与量程转换电路 6.电源管理电路 （注：文件素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注。）