简易数字多用表.docx
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简易数字多用表
简易数字多用表
摘要
本表利用测量频率及电压有效值的方法测量信号的频率，电压有效值，电容，温度及相差。
由于是用相关计数法测频率，选取高稳定度的晶振，可以获得很高的测量精度，达到10-4~10-5。
由单片机控制系统的工作，按键选取工作的方式，并实现量程的自动转换。
一.方案论证
（一）总体方案比较
方案一：
系统由硬件逻辑电路控制，并自动选择量程。
此方案优点是系统反应灵敏。
但缺点是硬件反馈电路设计复杂，且系统的灵活性不好，不便于调试和扩展。
图1—1—1为硬件实现逻辑框图。
反馈电路
被测对象
测量
电路
硬
件
控
制
电
路
图1—1—1硬件实现逻辑框图
方案二：
由单片机系统控制测量并根据测量结果由软件进行量程的自动转换。
此方案优点是有良好的人机接口，可以自动调整测量参数并对测量结果进行软件校正。
但此种方案的测量速度较前者要慢。
图1—2—1为单片机实现框图。
被
测
对
象
测
量
电
路
单
片
机
系
统
人机接口
图1—1—2单片机实现框图
综合上面的比较，我们选取方案二。
（二）具体方案选取
根据题目要求，可将系统划分为以下几个模块。
◆频率测量电路
◆小信号处理电路
◆电容测量电路
◆温度测量电路
◆相差测量电路
◆电压有效值测量电路
◆软件控制部分
1．频率测量电路
频率的测量是本系统的关键，因此选择合适的频率测量方法是很重要的。
常用的频率测量方法直接测频法，间接测周法，相关测频法：
（1）直接测频法直接测频法就是在给定门宽时间T内，对被测信号进行计数，计数得N,根据频率的定义得f=N/T。
其相对误差为
（1—1—1）
式中
为量化误差，但闸门时间给定后，fx越低，量化误差越大；
为闸门时间的相对误差，由时基电路确定。
由以上分析可看出，此种测量方法测低频信号时，要求有较大闸门宽度，且误差较大。
（2）间接测周法间接测周法是在被测信号的周期T内对标准频率fs进行计数,
计数结果为N,根据频率定义得f=T·fs。
类似上面分析可知此种测量方法在测量较高频率时存在较大误差。
（3）相关测频法相关测频法实际上是用一标准的高频信号与被测信号进行比较，测量精度与标准信号频率有关，提高标准信号的精度和稳定度可以获得很高的测量精度。
Tpr
D
触发器
数值
处理
fx计数
●
fs计数
fx
fs
图1—2—1相关测频法
图1—2—1为相关测频法框图，被测信号的上升沿触发预置门宽信号Tpr,使得fx准确计数，而标准频率有
个脉冲误差。
标准频率fs计数为Ns,待测频率fx计数为Nx，从而可以计算出待测频率
。
可以看出测量的误差只和标准频率fs和其计数值有关。
综合以上的方案，我们选取了方案（3），采用相关计数法测量频率，标准频率使用2MHz晶振电路产生，提高了频率测量的精度，同时也为后面其它对象的测量精度提高打下了基础。
2．小信号处理电路
小信号处理电路既要对待测频率的输入信号进行放大和整形。
由于被测信号的频率范围宽，很难用运放实现前置放大电路。
由于被测信号的幅度范围宽，故需要在整形之前限幅。
整形电路可以采用门电路实现。
3．电容量电路
能同时测量电器元件R、L、C的方法是电桥法，如图1—2—2所示。
电桥平衡的条件有式（1—2—1）表示
Z1·Zn·ej·（Φ1+Φn）=Z2·Zx·ej·（Φ2+Φn）（1—2—1）
通过调节阻抗Z1、Z2使电表平衡，这是电表读数为零。
根这一平衡条件及已知参数值就可求出被测参数值。
这种方法需要求解方程，且调节电阻一般是手动，不易实现自动测量。
Z1Z2
G
ZxZn
图1—2—2电桥法测电容
Q表示利用谐振法来测量L、C值，它可在工作频率上测量师的测量得知更接近真实情况。
但他要求频率连续可调，对振荡器的要求较高。
同样它也不易实现测量的自动化。
将电容的测量转化为频率或时间的测量，此种方法易于实现，且可以将测量范围分段，在每一段内进行软件校正，因而可以有较宽的测量范围。
且此种方案易于实现。
只是测量精度与振荡电路的稳定度和频率测量的精度有关。
我们测量频率的精度大约在10-4，题目要求电容的测量精度达到10-1，，用555振荡电路是完全可以实现的。
图1—2—3电容频率变换法测电容框图。
555
振
荡
电
路
输
出
模
块
测
频
系
统
待
测
电容
图1—2—3电容频率变换法测电容
通过以上测电容方案的比较，我们选取了最后一种方案，将电容的测量转换为频率的测量。
4．温度测量电路
为提高温度测量的精度，常将温度量转换为易于测量的电信号。
方案一：
将温度量转换为电压量，用A/D对电压进行采样，此种方案若要获得较高的测量精度，需要有高分辨率的A/D。
题目要求测量温度范围为0℃~100℃，若用8位的A/D，则分辨率为100/256=0.39℃，因而对于本题8位的A/D已足够。
但若要提高测量的精度，8位A/D已不能胜任。
方案二：
将电压的测量转换为频率测量，测温的精度取决于V/F的线性度及频率测量的精度。
若被测量温度范围对应频率范围为0~10KHz，则转换系数为100Hz/℃，若测频系统的分辨率能达到1Hz，则对应温度分辨率为0.01Hz。
用LM331实现V/F变换，LM331的线性度0.01%,其精度与测频系统的精度相当，可以获得较高测量精度。
图1—2—4为V/F转换法测温度框图。
温
度
传
感
器
测频，
输出
V/F
转换
放大电路
温度量
图1—2—4V/F转换法测温度
通过以上方案比较，我们选取了方案二，可以减小成本并提高精度。
5．相差测量电路
假设有两个正弦信号，其电压表示式分别为：
v1=Vm1·SIN（ω1t+φ01）=Vm1·SINΦ1（t）（1—2—2）
v2=Vm2·SIN（w2t+φ02）=Vm2·SINΦ2（t）（1—2—3）
v1，v2为电压瞬实值Vm1，Vm2为电压幅值，φ01，φ02为初相位，ω1，w2为角频率，Φ1（t），Φ2（t）为瞬时相角。
v1，v2之间的相位差等于两瞬时相角之差，
Φd=Φ1（t）-Φ2（t）=（ω1-w2）t+（φ01-φ02）（1—2—4）
式（1—2—1）表示如果两信号的频率不相同，ω1！
=w2，其相位差不是一个常数；如果两信号频率相同，ω1=w2=ω，则相位差Φd=φ01-φ02是一个恒值，与时间无关。
这里讨论同频信号的测量。
v1
T
v2
Vd
Г
图1—2—5相位测量波形
根据相位的定义，由图1—2—5算出相位差Φd
Φd=
°（1—2—5）其中Г为相位时间间隔，T为信号周期。
利用测频系统测出Г和T就可算出两信号的相位差。
式（1—2—5）只给出了相位差的大小，而没有说明相位的超前或滞后。
利用图
1—2—6，查询Q输出就可知道是相位超前或是滞后。
Ui，Uo为v1，v2整形后的波
形
DFF
。
UiD
Q
UoCP图1—2—6相位超前滞后判决
Q输出高表示相位滞后，Q输出低表示相位超前。
测量相位时需要自做一个相位超前或滞后网络。
6．电压有效值测量电路
电压有效值测量电路采用了专用芯片将输入信号的有效值转化为直流输出，再将其量化。
在对速度不是要求很高的场合，可以采用AD637，但由于没买到芯片，就用AD636代替。
AD636的输入动态范围只有200mv，因而对输入信号要进行衰减。
AD636K的最大误差为0.5%，0dBm时，信号的带宽为1.2MHz，以满足题目的要求。
7．软件控制部分
通过对多路数据选择器的各路信号的选通，通过人机接口以实现不同的功能。
二．系统框图
通过上面的分析，画出系统框图如下：
图2—1—1系统框图
其中测频模块完成频率的测量，由CPLD实现，控制单元及人机接口模块由单片机系统完成。
三．单元电路设计
1．频率测量电路
频率测量电路由CPLD完成，其框图如图3—1—1所示。
1MHz
Counter1
PC6
输
出
mux
dff
PC1XOR
TpDB
P16
P12P13P14P15
Counter2
INT
fx74244
P16
P12P13P14P15
图3—1—1测频模块示意图
由PC1给出预置门宽信号，在fx的上升沿作用下，与之门宽的高电平被锁入，两个计数器开始计数。
XOR为测相时的异或门输入，PC6选择是测相还是测频，PC6=0测频，PC6=1测相。
P12，P13，P14，P16是读数时选择信号。
其功能如表一所示。
P16为清零信号。
INT为计数结束中断信号，数据通过74244读入单片机。
表一：
测频模块信号功能表
P12
P14
P15
P13
功能
0
1
0
0
Counter1读低8位
0
1
0
1
Counter1读中8位
0
1
1
0
Counter1读高8位
0
1
1
1
Counter1高阻输出
1
0
0
0
Counter2读低8位
1
0
0
1
Counter2读中8位
1
0
1
0
Counter2读高8位
1
0
1
1
Counter2高阻输出
2．小信号处理电路
小信号处理电路是对非标准TTL逻辑的被测信号进行前端处理。
因为被测信号的频率范围宽，前端放大采用了三极管，整形电路采用高速电压比较器LM361。
原理图如图3—2—1所。
图3—2—1小信号处理电路
3．电容测量电路
电容测量电路采用555谐振回路，由于测量的范围宽，故将测量范围分为两段，用CD4052选择每一档位的对应电阻。
原理图如图3—3—1所示。
图3—3—1电容测量原理图
4．温度测量电路
由传感器输入的小电压信号，经仪表放大AD620前置放大为满足V/F变换所要求电压范围，是对应温度频率转换系数最大。
其原理图如图3—4—1所示。
由于条件的限制，没有温度传感器，而是用电压小信号模拟传感器的输入电压信号。
图3—4—1温度测量原理图
5．相差测量电路
由于占空比50%的脉冲在传输过程中受干扰的影响较小，故我们将测相的异或门放到了CPLD内部，这样可减小噪声的影响。
其测量原理在上面已作了详细地论述。
这里不再赘述。
6．电压有效值测量电路
由于没有买到适当的芯片，就用AD636进行转换，不过对输入信号要进行衰减。
下面给出原理图，如图3—6—1所示。
图3—6—1真有效值测量
四．软件系统设计
（一）流程图
根据以上的分析，设计出软件部分的流程图如下：
1．主程序流程图2。
定时中断流程图
开始
进入中断
初始化
定时中断次读书标志为1？
N
Y
●
关闭定时中断，
关闭门控
真有效值测量
温度数据处理
电容数据处理
相位数据处理
频率数据处理
结束中断
启动定势，打开门控
●图4—1—2定时中断流程
图4—1—1主程序流程图
除测量有效值使用A/D转换外，其他量的测量都是用测频的方法，而测频的定时信号是单片机定时中断给的，因此当定时到时，需要将读数标志置位，说明定时结束。
3．键盘中断流程图4.8259中断流程图
置读数标志为1
从CPLD读数据，
进入中断
结束中断
计算中断号
结束中断
选通测温度
选通测电容
选通测相
选通测频
进入中断
●
读真有效值
关闭定时器，
置读数标志为1
IR2
其他
●
启动定时器
图4—1—3键盘中断流程图图4—1—48259中断流程图
（二）键盘功能示意图
表二：
键盘功能表
NULL
NULL
NULL
NULL
测频
NULL
NULL
NULL
测相
NULL
NULL
NULL
CTRL
测电容
NULL
NULL
NULL
测温度
NULL
NULL
NULL
SHIFT
测有效值
NULL
NULL
NULL
NULL表示此间的功能在系统中尚未定义。
五．调试
由于本系统的组成模块较多，且各模块之间相互独立又相互联系，因此采取先硬件后软件，先模块调试，后组装调试的调试方法。
1．硬件调试
硬件调试的最大问题在于最后的组装联条，由于各个时钟信号最后都是通过数据选择器74153的选择而实现不同的功能，因而各时钟信号之间存在着较大的干扰。
我们通过增加信号线间的距离，加粗信号线的措施减小了干扰。
2．软件调试
软件条时需要注意的地方就是定时中断的开启关闭。
定时时间到时，在定时中断程序内关闭定时中断。
而在按键选择功能时就开启定时中断。
3．级联调试
由于系统电路噪声的影响，使得独立调试时精度很高的测频模块在联调时精度下降，我们在硬件上采取了减小干扰措施，软件设计中采取了软件校正的方法，以保证测量的精度和指标。
六.系统测试
1．测量仪器
TektonixTDS1002示波器一台，SG1733SB3A直流稳压电源一台，
TektronixAFG310信号源一台，FLUKE17B数字万用表一只
QBG-3B高频Q表一台，HEWLETT54602BPACKARDOSCILLOSCOPE一台
2．测量方法
（1）测量频率时以信号员的输出显示为标准，将测的数据和它进行比较，以确定测量的精度。
（2）测量电容时将测得的数据和用高频Q表测算出的值进行比较，以确定测量精度。
（3）测量温度由于条件的限制，我们采取的测试方法是从信号源输入直流电压，将测量出的数值与显示的值进行比较。
（4）测量相位时通过测量图1—2—5中Vd的占空比λ实现，Φd=λ*180°，
由HEWLETT54602BPACKARDOSCILLOSCOPE可直接读出波形的占空比，将测出的值与Φd比较。
（5）测量信号的有效值时，由HEWLETT54602BPACKARDOSCILLOSCOPE可以直接读出信号的有效值Vrms，将此值与测出的值进行比较。
3．测量数据及分析
表三：
频率测量数据
输入频率（f：
Hz）
实测得频率（Hz）
相对误差（△f/f）
0.08
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
16000000
表四:
电容测量数据
Q表测得值（pf）
实测值（pf）
相对误差（△C/C）
97
126
129
152
187
266
384
499
678
708
1627
3935
5023
5264
7541
30119
520983
808393
1000000（电解）
4700000（电解）
10000000（电解）
表五：
温度测量数据（电压代替）
输入电压（-1V）
测得电压（-1V）
误差大小（△）
表六：
相位测量模块
算得相位（°）
测的相位（°）
误差大小（△）
表七：
真有效值测量模块
输入有效值（V）
测的有效值（V）
误差大小（△）
误差分析：
测频的稳定度主要和晶振的稳定度和被测信号的稳定度有关，这也是测频精度的上限。
提高被测信号的稳定度就要间小电路噪声的影响，提高振荡电路的稳定性。
实际发现当AD574输入接地时，输出有1到2个量化的误差，这也是的测量真有效值时有着误差。
七．结论
本系统较好地完成了要求的频率，电容，相位，温度和有效值的测量任务。
但系统也存在和部分电路设计不合理及电路噪声较大的问题。
附录：
程序清单如下：
升级会员 