数字万用表的研究与设计.docx

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数字万用表的研究与设计

本科毕业设计

数字万用表的研究与设计

TheDesignofDigitalMultimeter

系（院）名称：

电子信息与电气工程学院

QQ号：

XXX

数字万用表的研究与设计

摘要:

本次设计用单片机芯片AT89S52设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值、直流电流、直流电阻以及电容，四位数码显示。

此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD转换和控制部分组成。

为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路使用了AD0809数据转换芯片，单片机系统设计采用AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和11.0592MHZ震荡电路，显示芯片用TEC612驱动8位数码管显示。

程序每执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。

我熟悉了设计的原理后就在proteus上画电路图，部分模块仿真实现了其功能。

关键词：

数字万用表AT89S52单片机AD转换器

TheDesignofDigitalMultimeter

Abstract：

ThisdesignisdesignadigitaluniversalmeterwithchipAT89s52ofone-chipcomputer,canmeasureandhandin,directcurrentpressingvalue,directcurrentflow,thedirectcurrentishindered,fournumbersshow.Thissystemisshuntedresistance,resistanceofpartialpressure,basicresistance,minimumsystemof51one-chipcomputers,shownthatsome,warningpart,ADchangeandcontrolmakinguppartly.Inordertomakethesystemmoresteady,makethewholeprecisionofthesystembeensured,thiscircuithasusedAD0809datatochangethechip,theone-chipcomputersystemisdesignedtoadoptAT89s52one-chipcomputerasthetopmanagementchip,theelectricityisrestoredtothethronethecircuitand11.0592MHZandshakenthecircuittomatchonRC,showthatthechipuses2TEC612,urge8numberstobeinchargeofshowing.Theeveryexecutioncycleconsumingtimeofprocedurecontractstogetshortest,inthiswaythereal-timecharacterofthesecuritysystem.Iamfamiliarwiththedesignprincipleafterinthecircuitdiagram,proteusdrawthepartmodulesimulationfunction.

Keywords：

DigitalUniversalMeter;AT89S52One-ChipComputer;ADchanges-and-controls

引言

　　电流、电压和电阻的测量，一般被视为万用计的基本功能。

早期万用表只能够测量的这三种度量单位的名称：

安培、伏特、欧姆。

现在的新设备，可以测量更多的度量；一些常见的附加功能，及其测量的度量单位包括：

电感、电容、电导、温度、频率、占空比。

数字万用表亦称数字多用表，是指可以直接测量电压、电流、电阻或其它电参量，其功能可任意组合并以十进制数字显示被测量的电测量仪表。

它通常具有直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻等五种测量功能。

采用大规模集成电路和微型计算机技术的数字万用表DMM（DigitalMultiMeter），具有测量精度高、分辨率高、输入阻抗高、自动量程转换、过载能力强、功耗低、功能全、显示直观、结构轻巧等优点，在电子测量领域显示出了强大的生命力。

数字万用表的分辨率与精度：

（1）分辨率

分辨率也称灵敏度，指数字万用表测量结果的最小量化单位，即可以看到被测信号的微小变化。

例如：

如果数字多用表在4V范围内的分辨率是lmV，那么在测量1V的信号时，你就可以看到lmV的微小变化。

数字万用表的分辨率一般用位数或字表示。

数字万用表分辨率是很重要的指标，就像你要测量小于1毫米的长度，你肯定不会用最小单位为厘米的尺子。

（2）精度

万用表的精度是指在特定的使用环境下，出现的最大允许误差。

换句话说，精度就是用来表明数字多用表的测量值与被测信号的实际值的接近程度。

对于数字万用表来说，精度通常使用读数的百分数表示。

例如，1％的读数精度的含义是数字万用表显示100.0V时，实际的电压可能会在99.0V到101.0V之间。

在详细说明书中可能会有特定数值加到基本精度中，它的含义就是，对显示的最右端进行变换要加的字数。

在前面的例子中，精度可能会标为4-（1％+2）。

因此，如果万用表的读数是100.0V，实际的电压会在98.8V到101.2V之间。

第一章课题的研究背景

1.1数字万用表研究的目的及意义

目前电子行业具有很高的发展速度，测试测量仪器更是走在行业的尖端，便携式高精度仪器更是发挥了巨大的作用，并且显示了无比的潜力。

它可以取代测量技术在传统领域内的各类仪器，它在组成和改变仪器的功能和技术性能上具有很大灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学技术不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。

随着社会的发展，科学的进步，电子产业也会发展到一个新的阶段，电子技术的提高代表了一个国家的整体实力，高精尖的电子产品根新换代的周期越来越短，每一款电子产品的设计生产都需要更精密的电子测量仪器与之相配合，这样更先进的测量仪器将成为电子产品开发的必备条件，那么精密的测量仪起将是电子行业发展中的重中之重。

数字万用表作为电子测试领域不可缺少的产品之一，应用范围最为广泛。

数字万用表是利用模/数转换原理，将被测量数据转化为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种测量仪表。

与指针式万用表相比，新一代数字万用表具有精度高、速度快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、抗干扰能力强，测量自动化程度高等优点，因而被广泛应用，得到工程师的青睐。

数字万用表是大规模集成电路（单片A/D转换器）和数显技术的结晶，是在数字电压表的基础上扩展而成的。

其主要特点是准确度高和显示直观。

另外，由于其分辨率高，测量速度快，测量功能强，输入阻抗高，低功耗保护电路比较完善等优点而得到了广泛应用。

按照人们的直观看法，数字万用表可分为手持式和台式两种。

手持式由于其便携性能得到了人们的广泛喜爱，然而由于其体积小决定了其精度不可能做的太高，这样台式万用表就显示出其强大的生命力。

高端台式数字万用表既可以作为单独的仪器设备使用，也可以与其他设备组成一个完各种测试、测量任务。

万用表精度的高低直接决定着它的性能，精度的高低主要有硬件和软件共同决定。

硬件方面A/D转换电路是其最关键的环节。

数字多用表对输入信号的采样以多斜率多重积分式A/D转换器为核心。

多斜率多重积分式A/D转换器是在四斜式A/D转换器基础上发展起来的。

输入被测电压在一固定的时间内接入积分器，机内参考电压也在此固定时间内多次接入，使积分器输出幅度一直保持在一定范围内。

在这一固定时间结束后，机内参考电压将积分器输出电压反向积分过零。

由于在积分的不同阶段，机内参考电压各不相同，使得在整个转换过程中既是多重积分循环，又在每个循环中出现了多种斜率。

这种转换方法既解决了转换时间与高分辨率的矛盾，也解决了积分电路失调、噪声、积分电容介质吸附效应等不理想因素对转换精度的影响。

测量仪器在我国的发展正是朝气蓬勃阶段，新技术不断的被应用到测量行业中，数字万用表作为主要的测量仪器，对其进行研究也就显得意义非凡。

1.2国内外的研究动态及发展趋势

1.2.1国外研究概况

经过几十年的发展，国外的测量仪器已经是一个成熟的行业，进入21世纪以来，国外仪器仪表行业的发展呈现出一些新的特点：

（1）新技术普遍应用

目前普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术（SMT）等技术。

随着现代计算机技术的高速发展、计算机硬件价格的不断下降，通用硬件平台和虚拟仪器也正在成为趋势。

通用硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等带有共性的硬件，例如微型计算机、A/D和D/A变换器、显示器等，有了这些通用硬件平台，根据不同仪器的具体技术要求，开发出相应的软件，就可以产生不同的测试功能，输出多种测试信号。

虚拟仪器充分利用了微型计算机强大的软硬件技术，可以设计出风格不同的人机操作界面，并且易于随着计算机软、硬件的升级而升级。

虚拟仪器允许用户在通用硬件平台上根据自己的需要构造仪器，充分发挥计算机或数字信号处理器的作用，对仪器功能进行变换组合，因而比实物仪器更具有灵活性。

在当今科技的高速发展中，测量技术和实验手段的现代化己成为科技现代化的重要条件和标志。

随着计算机技术与智能传感技术的不断发展，检测仪器也将朝着“更快、更宽、更深”方向发展。

（2）产品结构发生简化

在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。

注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软化。

随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。

今后的仪器归纳成一个简单的公式：

“仪器—AD/DA+CPU+软件”。

AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。

1.2.2国内研究概况

八十年代，我国仪器行业受到了国外冲击，承受了巨大压力。

原有的骨干企业大多数不景气，效益滑坡，但同时高科技民营企业发展迅速。

这十多年来大家都在积极转变观念，通过不断深化改革，调整企业结构、产品结构，选择了有限目标，稳住和发展量大面广的中、低挡仪器，充分发挥电子测量技术的渗透力和结合力，使得极其困难的仪器行业有了长足的进展。

综观“八·五”期间电子仪器行业的发个个大的测试柜，快速地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。

1.3数字万用表设计重点解决的问题

本课题首先对数字万用表中所采用的脉冲宽度调制型ADC原理和性能进行了理论分析；然后对基于模拟RMS/DC运算法的传统有效值测量方法进行了深入的理论研究，并且提出了补偿算法和改进方案。

主要完成了一下几方面工作：

（1）对脉冲宽度调制型ADC进行了研究。

它是整个系统直流测量的核心，影响着整个系统的性能和测量精度。

（2）在传统间接型IWS/DC测量方法数学模型分析的基础上，运用频域补偿原理，

推导出了交流RMS/DC补偿算法，并提出了一种实际可行的改进的间接型S/DC测量方法。

（3）介绍了高精度数字万用表的硬件原理，对AT89S52在系统中的应用以及如何实现系统的各项功能进行了研究。

（4）介绍了系统软件的功能划分和程序的