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1、1前言电学参量测量技术涉及范围广，特别是电压、电流表广泛适用于学校、工业、科研、国防等各种领域，供实验室和工业现场测试用。随着电子技术的发展，在数字化、智能化、科技化为主的今天。数字电压、电流表已成为电压、电流表设计的主要方向，在当前电压、电流测量系统中占有非常重要的位置。我们在分析研究和总结了单片机技术的发展历史及趋势的基础上，以实用、可靠、经济等设计原则为目标，设计出全数字化测量电压电流装置。本设计所完成的全数字电压、电流表将所测信号通过数据采集、数制处理，通过单片机控制最终使其相应值显示在四位串行数码管上，并同时利用串口发送给计算机，并以适时波形显示。而且此设计通过对被测信号的判断和量程
2、选择器的控制，实现了在高精度仪表中的八个档位的量程自动调节，既保证了弱信号的测量精度又兼顾了强信号的测量范围。同时，克服了在采用传统的手动选择量程档位的电压、电流表时，忘记转换档位而造成仪表测量精度的下降或损坏的危险。系统主要以单片机AT89S52为控制核心，整个系统由中央控制模块、量程自动转换模块、A/D模数转换模块、LED显示模块和串口通信模块组成。可实现对待测电压、电流的测量，在数码管上显示，且采用异步通信的方式，通过RS232接口技术，能实现与上位机计算机进行通信。2电参数测量介绍2.1电子测量概述从广义上讲，凡是利用电子技术来进行的测量都可以说是电子测量；从狭义上来说，电子测量是在电
3、子学中测量有关电量的量值。与其他一些测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：测量频率范围极宽，这就使它的应用范围很广；量程很广；测量准确度高；测量速度快；易于实现遥测和长期不间断的测量，显示方式又可以做到清晰，直观；易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合。随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，工作量加大，测量速度测量准确度要求越来越高，这些都对测量仪器和测试系统提出了更高的要求。微机的出现为解决上述问题提供了条件。利用微机的记忆，存储，数学运算，逻辑判断和命令识别等能力，发展了微机化和自动测试系统。近年来微机和大规模集成电路发展很快，价格大幅下降，同时在测试系统中还解决了通
4、用接口母线标准化问题，使微机化仪器和自动测试系统得到了很大发展，正改变着电子测量的面貌2.2电压表发展概况电压测量是电子测量的一个重要内容。随着电子技术的发展，对电压测量提出了一系列的要求，主要可概括为：应有足够宽的电压测量范围；应有足够高的测量准确度；应有足够高的输入阻抗；应具有高的抗干扰能力。电压测量仪器总的可分为两大类：即模拟式和数字式的。模拟式电压表是指针式的。用磁电式电流表作为指示器，并在电流表表盘上以电压（或db）刻度。它主要由电阻R 和表头串联组成，测量部件表头的设计是利用载流线圈在磁场中受力矩作用的原理。数字式电压表首先将模拟量通过模/数（A/D）变换器变成数字量，然后用电子计
5、数器计数，并以十进制数字显示被测电压值。 模拟式电压表由于电路简单、价廉，特别是在测量高频电压时，其测量准确度不亚于数字电压表，故在目前，在电压测量中仍将占有重要地位。数字式电压表在近年来以成为极其精确，灵活多用的电子仪器，并且价格正在逐渐下降。数字式电压表能很好地与其他数字仪器相交接，因此在电压测量系统的发展中是非常重要的。讨论数字式电压表的主要内容可归结为电压测量的数字化方法。模拟量的数字化测量，其关键是如何把随时间作连续变化的模拟量变换成数字量，完成这种变换的电路叫做模/数变换器。所以，数字式电压表可以简单理解为模/数变换器。2.3 数字电压表的特点1.读数直观、准确 电压表的数字化，是
6、将连续的模拟量(如直流电压)转换成不连续的离散的数字形式并加以显示。这有别于传统的以指针与刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。2.显示范围宽、分辫力高 指针表的分辫力，是由刻度盘的细度表达的，刻度盘在一定条件下无法分得很细，太细了视觉分辫也很困难，而数字显示的电压表，目前可以做到从2（1/2）到10（1/2）。3.输入阻抗 数字电压表的输入阻抗可高达(110000)M。输入阻抗越高，所吸收被测信号的电流就越小，所带来的附加误差极小，可以忽略。4.集成度高、功耗小、抗干扰能力强 由于CMOS技术的发展，集成电路的功耗变得很小，即发热量很小，这样就可以在同一块芯片上集成更多的元件，形
7、成大规模或超大规模集成电路。这给制造业带来了飞跃，不仅仪表小巧而功能齐全，其他如手机、袖珍电脑等也得以诞生。目前双积分或多重积分的A/D转换器构成的数字电压表，由于在积分过程中可将干扰信号部分或全部抵消掉，其串模抑制比可达100分贝，共模抑制比可达120分贝。5.可扩展能力强 直流数字电压表本身可以扩展成交流电压表、交直电流表、峰值表、功率表等，还可以附加智能化。例如:计算、保持、比较数字、设定时间，设定上、下量限及自动控制等多种功能。 3总体方案设计3.1测量的基本原理 通过本次设计需要达到的最基本功能是能够测量交直流电压值和电流值，其基本组成见图2.1。图3.1下面我们分别介绍各个部分的组
8、成：1）、模数(A/D)转换与数字显示电路常见的物理量都是幅值(大小)连续变化的所谓模拟量(模拟信号)。指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号，再进行显示和处理(如存储、传输、打印、运算等)。数字信号与模拟信号不同，其幅值(大小)是不连续的。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位(量化台阶)为，则数字信号的大小一定是的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换(译码)后由数码管或液晶屏显示出来。例如，设=0.1，我们把被测电压与比较，看是的多少倍，并把结果四舍五入取为整数 (二进
9、制)。一般情况下，1000即可满足测量精度要求(量化误差1/1000=0.1%)。最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半()数字表。对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV为单位的被测电压的大小。如：是 (0.1)的1234倍，即=1234，显示结果为123.4()。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示-199.9199.9的电压，显示精度为0.1。由上可见，数字测量仪表的核心是模数(A/D)转换、译码显示电路。A/D转换一般又可分为量化、编码两个步骤。2) 、多量程数字电压表原理在基准数字电压表头前面加一级分压电路(分压器)，可以扩展直流
10、电压测量的量程。如图2.2所示，为电压表头的量程(如200)，为其内阻(如10)，、为分压电阻，为扩展后的量程。 图3.2分压电路原理 图3.3多量程分压器原理由于rr2，所以分压比为图3.4 使用分压电路扩展后的量程为多量程分压器原理电路见图2.3，5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为2000、200、20、2和200。采用图3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程档明显降低了电压表的输入阻抗，这在实际使用中是所不希望的。所以，实际数字万用表的直流电压档电路为图2.4所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。例如：其中2
11、00档的分压比为其余各档的分压比可同样算出。实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定再计算2000档的电阻再逐档计算、。尽管上述最高量程档的理论量程是2000，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为1000。换量程时，多刀量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。3）、多量程数字电流表原理测量电流的原理是：根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。如图2.5，由于，取样电阻上的电压降为即被测电流 图3.5电流测量原理 图3.6多量程分流器电路若数字表头的电压量程为，欲使电流档量程为，则该档的
12、取样电阻(也称分流电阻)为 如=200，则=200档的分流电阻为。多量程分流器原理电路见图2.6。图2.6中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，被测电路的电压可能使数字表头过载，所以，实际数字万用表的直流电流档电路为图2.7所示。 图3.7实用分流器电路图2.7中各档分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最大电流档的分流电阻再计算下一档的依次可计算出、和。图3.8 AC-DC变换器原理简图图中的BX是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，超过流保护作用。两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封硅整流二极管，它们起双向限幅过压保护作用。正常测量时，输入电压小于硅二极管
13、的正向导通压降，二极管截止，对测量毫无影响。一旦输入电压大于0.7，二极管立即导通，两端电压被限制住(小于0.7)，保护仪表不被损坏。4）、 交流电压电流测量处理原理数字万用表中交流电压，电流测量电路是在直流电压、电流测量电路的基础上，在分压器或分流器之后加入了一级交流-直流(AC-DC)变换器，图2.8为其原理简图。 该AC-DC变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波器等组成，还包含一个能调整输出电压高低的电位器，用来对交流电压档进行校准之用。调整该电位器可使数字表头的显示值等于被测交流电压的有效值。同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高档的量限通常限定为700
14、(有效值)。3.2设计方案 用单片机AT89S52与ADC0809设计一个数字万用表，配合分流电阻、分压电阻、基准电阻可以测量交、直流电压值，电流值并通过四位数码显示。实现四级量程的直流电压测量，其量程范围是2v ,20v,200v和500v.实现四级量程的交流电压测量，其量程范围是2v ,20v,200v和500v.实现四级量程的直流电流测量，其量程范围是2mA,20mA,200mA和2A.并且当有超出量程的情况发生时，蜂鸣器发声报警。4单元模块设计4.1电源部分 由于高压交流电会对弱电系统产生干扰，影响系统的稳定性，而电池之类的电源又存在维护不方便和电压电流衰减等的缺点，所以本次设计采用外
15、部稳压电源供电，这里选用普通12V 500MA输出的交流稳压电源输入，该电池容量大，电压衰减影响比较小，输出稳定，电路如下图。图4.1 电源电路在图2.9的电路里稳压器7805的压降是2.5V，偏移电流是6mA，我们需要的电压是5V，电路提供的电压是9V，则电阻承担的电压为1.5V，由此得 R=U/I=(9-5-2.5)V/6mA=200欧姆。4.2交直流处理电路图4.2交直流处理电路通过该电路达到控制交直流的目的，并且通过调节可变电阻又可以有效地减少电压的损耗。4.3单片机最小系统图4.3 单片机最小系统电路本次设计采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和11.0592MHZ震荡
