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1、数字万用表1数字万用表数字万用表刘铁刘铁 乔彬乔彬1.11.1 系统工作原理系统工作原理采用 ATMEGA16 单片机作为系统的核心控制器件，用 AC-DC 转换电路、电流-电压转换电路和电阻-电压转换电路分别将交流电压信号、直流电流信号、电阻转换为直流电压信号，再利用 MC14433A/D 转换芯片完成电压到数字量的转换。该系统采用直流供电，由直流电压测量模块、交流电压测量模块、电阻测量模块、MC14433A/D 转换模块、量程转换模块以及单片机控制传输模块组成，具有测量直流电压、测交流电压、测量直流电流、测量电阻功能，测量精度高功耗低、抗干扰能力强等特点。1.21.2 系统设计方框图系统设
2、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。输输 入入 信信 号号量量 程程 选选 择择 模模 块块 直流电压直流电压 测量模块测量模块交流电压交流电压 测量模块测量模块直流电流直流电流 测量模块测量模块电电 阻阻 测量模块测量模块MC14433 A A/ /D D模模块块AVR 单单片片机机主机主机C2I数字万用表21.31.3 A/DA/D 转换电路转换电路MC14433 是美国摩托罗拉（Motorola）公司生产的 COMS 单片 3 1/2
3、 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、欠量程指示信号，便于实现自动量程转换。（7）
4、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：双积分过程可以由下面的式子表示：1 112111011TCRVdtVCRVxttx因为，故，式中=4000，是定时时间，是变
5、时间，0201VVREFx XVTTV11TCPT1TXT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1R1CXT脉冲数，实现了 A/D 转换。 的参数计算：1R1C（式 1）CX VT CVR11(max)数字万用表3式中为积分电容上充电电压具有自动调和自动转换极性功能。CV幅度，=，且=0.5V， =4000。CVVVVxDD(max)VTclkf1假定=0.1，=5V，=66kHz。当=2V 时，代入式 1，可得1CuFDDVclkf(max)xV=480 1R，取标称值 470。图 1.3 为 A/D 转换的原理图：kk0.1uFC2470KR280.1uFC
6、3 470KR29+5-5PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7PD0VIN1 OUT2 GND3 NC4NC8 NC7 NC6 NC5U12MC1403R27 1K+5+5 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6PD7SCL SDA10KR3010uFC4+5S112Y1 8M22PFC522PFC6+5RST0.1uFC110KR3110KR32+5PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7VDD24Q222Q020 Q121Q323 DS019 DS118 DS217 DS3
7、16OR15VSS13VEE12EOC14Vref2Vx3 C017C028RI4 RI/CI5 CI6CPI10 CPO11DU9 EOC14U13MC14433PB0 (XCK/T0)1 PB1 (T1)2 PB2 (AIN0/INT2)3 PB3 (AIN1/OC0)4 PB4 (SS)5 PB5 (MOSI)6 PB6 (MISO)7 PB7 (SCK)8RESET9PD0 (RXD)14 PD1 (TXD)15 PD2 (INT0)16 PD3 (INT1)17 PD4 (OC1B)18 PD5 (OC1A)19 PD6 (ICP)20 PD7 (OC2)21XTAL212 XTAL
8、113GND11PC0 (SCL)22 PC1 (SDA)23 PC2 (TCK)24 PC3 (TMS)25 PC4 (TDO)26 PC5 (TDI)27 PC6 (TOSC1)28 PC7 (TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7 (ADC7)40PA6 (ADC6)39PA5 (ADC5)38PA4 (ADC4)37PA3 (ADC3)36PA2 (ADC2)35PA1 (ADC1)34PA0 (ADC0)33VCC10U14ATmega16-16PU数字万用表4图 1.3：A/D 转换电路图1.4 直流电压测量电路直流电压测量电路在实践中采用图 1.4 的方案时，若
9、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。K1900KR190KR29KR3900R4100R5X62X41X3X74VCC16X55EN6X013VEE7GND8X312C9B10A11X215X114U1CD4051PB0 PB1 PB2+5-5D1 1N4148+5Q1
10、9014PD41KR26OUTIN图 1.4为了解决这些问题，我们修改了设计电路。如下图 1.5 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，该电路可以达到要求。数字万用表5Y22Y01Y3Y34VCC16Y15EN6X13VEE7GND8X012B9A10X311X215X114U9CD4052K1D1 1N4148+5Q1 90141KR1100KR6236 +-7184U1OP071MR7100KR810KR91KR10-5
11、+5-5+5PD4PB0 PB1 INOUT图 3.3 直流电压测量电路1.51.5 直流电流测量电路直流电流测量电路如图 1.6 所示，普通模拟开关可以通过的电流很微小，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、0.9 的电阻采用误差为0.1%的精密金属膜电阻，而阻值为 0.1 的电阻通过的电流很大必须采
12、用误差为0.5%的精密绕线电阻。数字万用表6K2K3K4D3 1N4148Q3 90141KR3+5D2 1N4148Q2 90141KR2D4 1N4148Q4 90141KR490R119R120.9R130.1R14Y22Y01Y3Y34VCC16Y15EN6X13VEE7GND8X012B9A10X311X215X114U10CD4052 -5+5PD5PB2PB3PB4 PB523 6+-7184U2OP37+5-59KR161KR15D71N4007D81N4007FUSE2AINOUT图 1.6 直流电流测量电路1.61.6 电阻测量电路电阻测量电路方案一方案一：利用运算放大器采
13、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。方案二方案二：采用分压原理，利用流过标准电阻 R0 和被测电阻 Rx 的电流基本相等来得到电压与电阻的关系，但当电阻很小时电流过大。鉴于此，故采用方案一。数字万用表7如图 1.7 所示。稳压二极管为 2V（即 U3 的六脚处电压值），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 MAX4617（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
14、转换电路的计算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1* Uin/ UA。K5X62X41X3X74VCC16X55EN6X013VEE7GND8X312C9B10A11X215X114U11MAX4617D51N4148Q5 9014 1KR5236+-7184U3OP07236+-7184U6OP37+5200R202KR2120KR22200KR232MR24-5+5+5-5PD6PD1 PD2 PD3VIN1OUT2GND3NC4NC8NC7NC6NC5U8MC14030.1uFC0+5R17 1K236+-7184U7OP37100KR18100KR19+5-5IN1IN2O
15、UT图 1.7 电阻测量电路图1.71.7 程序流程图程序流程图开始开始 末 是控制模拟开关控制模拟开关 选通对应的量程选通对应的量程进行进行 A/D 转换转换依次读取个、十、依次读取个、十、 百、千、万及负百、千、万及负 号标志号标志通过通过C 总线总线I2将将 数据传到主机数据传到主机等待等待是否有来是否有来 自主机的自主机的 命令命令数字万用表81.81.8 系统调试过程与总结系统调试过程与总结本系统完成了任务书的所有内容，如下：1、测量对象、范围及误差范围：电压 DC：0200V 误差0.7 %电流 DC：0500mA 误差0.6 %电阻 0200K 误差5%2、直流电压档最小输入阻抗
16、1M。结束结束数字万用表93、具有键盘选择测量对象、量程和自动量程转换功能。在连面包板时，我们遇到了许多问题。连电压测量电路时，在实验室找不到需要阻值的精密电阻，我们只好实际测量最接近的电阻，这导致最后的误差比设计要大很多。连好电路测试时，我们将输入信号加为+5 伏，按照放大 10 倍来计算，输出应该是 50 伏，但是实际测量的时候输出是+5 伏。查阅资料后发现这里是一个错误，OP07 的工作电压是正负 5 伏，它不可能输出比电源电压更大的电压。而电压测量电路实际上是将所有的信号都处理成 200mV 后，再进行放大。所以测试时输入信号应该不超过 200mV.在连电流转电压电路时，由于找不到需要的精密电阻，我们只好将设计图简化，只采用了一个继电器，简化为两个档的电流转电压。但连好电路进行测试时，却发现始终只有一条支路是通的，也就是说继电器没有工作。检查电路，并没有连线错误，换了一个继电器后，结果还是不对。在网上搜索相关现象时，有一个网页提醒了我们
