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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、MC14433?3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 方案论证
2、 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,把交流电压信号转换为幅
3、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转换器电路,可实现电阻
4、?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。 3.A/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就可组成一
5、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。电路的核心是一块双向移位
6、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。 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
7、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
8、) 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AD637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
9、:大电阻测量由TL431芯片、C1、电位器RT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
10、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
11、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,当被测电压过量程时(Q30且Q01),向高量程变化;欠量程时(Q31且Q01),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
12、,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,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76
13、60S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。 四、系统测试 1.测试使用的仪器 1数字万用表UT2003; 2EE1640C型函数信号发生器; 3RIGOL 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%200mV2 V20 V200V 结果分析:测量误差大部分在
14、-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(%)22002 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,输入到交流端进行测量。设定频率档位输入电压值实际
15、测得的电压值误差50Hz200mV2V20V 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: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.电源管理电路附录二:源代码:#include spce061a.h#include splc501user.h#include wybzimo2.hvoid IRQ3void_attribute_ISR;void FIQvoid_attribute_ISR;unsigned int check_key;unsigned int key_scan;unsigned
