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

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

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：

309810851

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设计流程。

系统软件实现了交直流测量、计算、显示等功能。

第二章数字万用表的总体设计方案

系统包括硬件部分以及软件部分，它们配合完成整个数字万用表的所有功能。

2.1课程设计的基本思路

由万用表的功能需求可知，本课题设计的这款数字万用表，主要由硬件和软件两部分组成。

硬件是以AT89S52与ADC0809转换器为核心，加之其它电路组成。

软件即为该表的下位机软件，不包括上位机。

用单片机AT89S52与ADC0809转换器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，直流电流、直流电阻，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实现四级量程的电阻测量，其量程范围是2k，20k，200k和2M，并且有超出量程的情况发生时，蜂鸣器发声报警。

2.2测量原理及电路平台

（1）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），可以扩展直流电压测量的量程。

如图2.1所示，U0为电压表头的量程（如200mV），r为其内阻，r1、r2为分压电阻，U2为扩展后的量程。

图2.1分压电路原理图2.2多量程分压器原理

由于r>>r2，所以分压比为：

（2-1）

扩展后的量程为:

（2-2）

多量程分压器原理电路见图2.2，5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2000V、200V、20V、2V和200mV。

采用图2.3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2.3所示，它能在部降低输入电阻的情况下，达到同样的分压效果。

例如：

其中200V档的分压比为：

（2-3）

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:

（2-4）

再计算2000V档的电阻R5=0.0001R总=1k

再逐档计算R4、R5、R2、R1。

尽管上述最高量程档的理论量程是2000V，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1000V。

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。

（2）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2.4，取样电阻R上的电压降为:

（2-5）

即被测电流:

（2-6）

图2.4电流测量原理图2.5多量程分流器电路

若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I1，则该档的取样电阻：

（2-7）

如U0=200mV，则I0=200mA档的分流电阻为R=1。

多量程分流器原理电路见图2.5。

图2.5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2.5所示。

图2.6实用分流器

图2.6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R5：

（2-8）

再计算下一档的R4：

（2-9）

依次可计算出R5、R2和R1。

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0.7V，二极管立即导通，两端电压被限制住（小于0.7V），保护仪表不被损坏。

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2.7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700V（有效值）。

图2.7A/D转换

（3）电阻测量原理

数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，其原理电路见图2.8。

由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻R0和被测电阻RX的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。

所以A/D转换器的参考电压UREF和输入电压UIN有如下关系：

（2-10）

根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与UREF的比值，当UIN=UREF时显示“1000”，UIN=0.5UREF时显示“500”，以此类推。

所以，当RX=R0时，表头将显示“1000”，当RX=0.5R0时显示“500”，这称为比例读数特性。

因此，我们只要选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量档。

如对200档，取R01=100，小数点定在十位上。

当RX=100时，表头就会显示出100.0。

当RX变化时，显示值相应变化，可以从0.1测到199.9。

又如对2K档，小数点定在千位上。

当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.001K测到1.999K。

其余各档道理相同，同学们可自行推演。

数字万用表多量程电阻档电路见图2.8。

图2.8电阻测量

由上分析可知:

（2-11）

由正温度系数（PTC）热敏电阻R1与晶体管T组成了过压保护电路，以防误用电阻档去测高电压时损坏集成电路。

当误测高电压时，晶体管

发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。

同时R1随着电流的增加而发热，其阻值迅速增大，从而限制了电流的增加，使T的击穿电流不超过允许范围。

即T只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，R1和T都能恢复正常。

（4）电容测量原理

电容测量是根据电容充电原理其充电电压与时间成一定的指数关系。

根据电压和时间可以计算出电容的值。

2.3数字万用表的硬件系统设计总体框架图

由万用表的功能需求可知，本课题设计的这款数字万用表，主要由硬件和软件两部分组成。

硬件是以AT89S52单片机与ADC0809转换器为核心，加之其它电路组成。

如下图2.9所示，本万用表由以下几部分功能组成，复位电路、震荡电路、ADC输入、被测量显示、超限报警、ADC使能控制。

复位电路用来清零，进行下一次的测量；震荡电路用来消除一些外来干扰，使电路工作更加稳定；ADC输入则是将输入量进行AD转换；测量显示就是显示测量的数值；超限报警部分则是用作当测量量超出量程范围时发出警报，以便提醒用户更改大量程；ADC使能控制则用来对输入量进行控制，允许输入或者不允许。

图2.9总体电路设计框图

2.4硬件电路设计方案及选用芯片介绍

硬件电路包括模拟电路与数字电路两大部分。

模拟电路主要有开关网络、缓冲器、积分器、比较器，AC/DC转换运算放大器等。

数字电路主要有开关网络控制器、自动量程逻辑、计数器、译码驱动器，时钟振荡器等。

控制逻辑按照一定的时序发出控制信号，自动选定芯片外围电路的相应标准电阻，接通模拟开关，实现电路切换。

其主要部分由前端模拟采集部分和后端数字控制处理部分构。

前端模拟采集部分：

主要完成前端模拟量的采集，以及模拟量数字化的功能。

后端数字控制处理部分：

主要完成对整个下位机的硬件控制，以及数字处理。

模拟部分设计内容分为以下几部分：

（1）功能切换模块：

主要完成各测量模块之间的切换。

（2）欧姆电流源模块：

主要可以提供一个高精度的电流源。

（3）DCV放大模块：

主要完成直流电压的放大。

（4）ACV放大模块：

主要完成交流电压的放大。

（5）交流变直流转化模块：

主要完成交流转化为直流量。

（6）CPLD计数模块：

主要完成频率及电容的测量。

（7）电源模块：

完成对模拟器件和数字器件的供电。

数字部分主要由MCU、AD、FLASH、SDRAM，USB等部分组成。

软件设计方案：

系统软件设计包括管理程序和控制程序两部分，管理程序包括液晶屏幕显示的动态刷新、处理键盘的扫描和响应。

进行掉电保护的处理、执行中断服务操作等。

控制程序是对被控对象进行采样、数据处理、根据控制算法进行计算和输出等。

控制程序包括A/D转换，数据采样，数字处理、中值滤波，越限报警处理等。

本章介绍了系统的硬件设计框架，以及电路原理图的设计。

本文选择AT89S52作为核心芯片。

2.4.1AT89S52芯片功能特性描述

AT89S52引脚框图：

图2.10AT89S52芯片引脚图

AT89S52主要性能：

（1）与MCS-51单片机产品兼容

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器

（3）1000次擦写周期

（4）全静态操作：

0Hz～33Hz

（5）三级加密程序存储器

（6）32个可编程I/O口线

（7）三个16位定时器/计数器

（8）八个中断源

2.4.2模数转换模块

（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

=0.1mV，我们把被测电压U与

比较，看U是

的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N（二进制）。

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：

U是

（0.1mV）的1234倍，即N=1234，显示结果为123.4（mV）。

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-199.9～199.9mV的电压，显示精度为0.1mV。

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）ADC0809介绍

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

图2.11ADC0809的内部逻辑结构

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

ADC0809引脚结构

图2.12ADC0809引脚结构图

IN0－IN7：

8条模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输