【正文】 萬用表已有很久的發(fā)展歷史，雖然不斷改進與完善，仍無法滿足現(xiàn)代電子測量的需要。數(shù)字萬用表自從問世以來，顯示出了強大的生命力，現(xiàn)已成為在電子測量領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種儀表?，F(xiàn)在讓我們來探討一下新型智能 4 3/4 位數(shù)字萬用表。 數(shù)字萬用表的主要特點 數(shù)字電壓表簡稱 DVM，它是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量 轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。智能化數(shù)字萬用表則是大規(guī)模集成電路 (LSI)、數(shù)顯技術(shù)、計算機技術(shù)及自動測試技術(shù) (ATE)的結(jié)晶。 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 5 通過對 DVM 的擴展，即可形成數(shù)字多用表 DMM(Digital Multimeter)。因此，數(shù)字萬用表的功能是電壓表上的擴展。數(shù)字萬用表主要有一下特點： 1 顯示清晰，直觀，讀數(shù)準確 傳統(tǒng)的模擬式萬用表必須借助于指針和刻度來進行讀數(shù)，在讀數(shù)過程中不可避免地會引入認為的測量誤差 (例如視差 )，并且還容易造成視覺疲勞。數(shù)字電壓表則采用先進的數(shù)顯技術(shù)，使顯示結(jié)果一目了然，只要儀 表不發(fā)生跳數(shù)現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的。不僅保證了讀數(shù)的客觀性與準確性，還符合人們的讀數(shù)習慣，能夠縮短讀數(shù)和記錄的時間。 新型數(shù)字萬用表在數(shù)顯的基礎(chǔ)上增加了顯示各種標志符的功能，便于讀數(shù)，又對操作人員給予明顯提示。 2 顯示位數(shù) 顯示位數(shù)通常為 2 1/2 位 ~8 1/2 位 .具體講，有 2 1/2 位、 3位、 3 1/2 位、 3 2/3位、 3 3/4 位、 4位、 4 1/2 位、 4 3/4 位、 5位、 5 1/2 位、 6位、 6 1/2 位、 7 1/2位、 8 1/2 位共 14 種。國外最近還推出了 8 3/4 位和 10 1/2 位數(shù)字儀表。 定數(shù) 字儀表的位數(shù)有兩條原則： ① 能顯示從 0~9 所有數(shù)字的位是整數(shù)位； ② 分數(shù)位的數(shù)值是以最大顯示值中最高位數(shù)字位分子，用滿量程時最高位數(shù)字為分母 .例如，某數(shù)字儀表的最大顯示值為 177。19999 ，滿量程計數(shù)值為 20210,這表明該儀表有 4 個整數(shù)位，而分數(shù)位的分子為 1，分母為 2，故為 4 1/2 位，讀作四位半，其最高位只能顯示 0或 1。 3 準確度高 字電壓表的準確度是測量中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合。它表示測量結(jié)果與真值的一致程度，也反映測量誤差的大小。一般講準確度愈高，測量誤差愈小，反之亦然。 準確度的公式有三種表述方式： 準確度＝ 177。 （ a%RDG+b%FS） ① 準確度＝ 177。 （ a％ RDG+n 個字） ② 準確度＝ 177。 （ a%RDG+b％ FS+n 個字） ③ 式 ① 中， RDG 為讀數(shù)值（即顯示值）， FS表示滿度值。括號中前一項代表 A/D轉(zhuǎn)換器和功能轉(zhuǎn)換器的綜合誤差，后一項是由于數(shù)字化處理而帶來的誤差。 ② 式中，n是量化誤差，反映在末位數(shù)字上的變化量。若把 n 個字的誤差折合成滿量程的百分數(shù)，即變成式 ① ， ③ 式比較特殊，應(yīng)用面較窄。 4 3/4 位萬用表將使用 ② 式來表示準確度。 4 分辨力高 數(shù)字萬用表在最低電壓量程末位 1個字所對應(yīng)的電壓值，稱作儀表的分辨力。它反映出儀表靈敏度的高低。 4 3/4 位的 DVM 的最高分辨力為 10μV 。 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 6 5 測量范圍寬、擴展能力強 6 測量速度快、輸入阻抗高 數(shù)字萬用表在每秒鐘內(nèi)對被測電壓的測量次數(shù)叫測量速率。單位為 “ 次 /s” ，主要取決于 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。 4 3/4 位 DVM 的測量速率一般在 10 次 /s。字 電壓表具有很高的阻抗，通常為 10MΩ ～ 10000MΩ 。 7 集成度高，微功耗 8 抗干擾能力強 數(shù)字萬用表設(shè)計背景 在本 節(jié) 中主要介紹了系統(tǒng)的 設(shè)計原則和總體方案及系統(tǒng)概述等。 數(shù)字萬用表的設(shè)計目的和意義 數(shù)字萬用表是當前電子、電工、儀器、儀表和測量領(lǐng)域大量使用的一種基本測量，已被廣泛應(yīng)用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域，示出強大的生命力。隨著時代科技的進步，數(shù)字萬用表的功能越來越強大，把電量及非電量的測量技術(shù)提高到嶄新水平。 數(shù)字萬用表的設(shè)計依據(jù) 根據(jù)數(shù)字萬用表的原理，結(jié)合以下的設(shè)計要求：“設(shè)計一個數(shù)字萬用表，能夠測量交、直流電壓值，直流電流、直流電阻，四位數(shù)碼顯示。實現(xiàn)多級量程的直流電壓測量，其量程范圍是 200mv、 2v ,20v,200v 和 ，其量程范圍是 200mv、 2v ,20v,200v 和 ，其量程范圍是 2mA ， 20mA， 200mA、 2A 和 ，其量程范圍是 200、2k ,20k,200k 和 2M?！币约半娙轀y量電路。由此設(shè)想出以下的解決方法，即數(shù)字萬用表的系統(tǒng)由分流電阻、分壓電阻、基準電阻、電容測試芯片電路、 51 單片機最小系統(tǒng)、顯示部分、報警部分、 AD 轉(zhuǎn)換和控制部分組成。為使系 統(tǒng)更加穩(wěn)定，使系統(tǒng)整體精度得以保障。 數(shù)字萬用表設(shè)計重點解決的問題 本設(shè)計重點要解決的問題是對不同量程的各種測量內(nèi)容的轉(zhuǎn)換，還有就是各部分電路組合成一個完整的數(shù)字萬用表，而難點解決的問題就是程序的設(shè)計，要保正其可行性從而保證設(shè)計的正確性 。 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 7 萬用表發(fā)展趨勢 90年代以來，數(shù)字萬用表正處于蓬勃發(fā)展的新時期 ,突出表現(xiàn)在新技術(shù)不斷涌現(xiàn) ,新工藝被廣泛采用 ,新產(chǎn)品層出不窮。 1 廣泛采用新技術(shù)，不斷開發(fā)新產(chǎn)品 電子技術(shù)的進步，往往預示著數(shù)字萬用表研制水平的新突破，近年來，各項新技術(shù)愈來愈普遍采 用，并且迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。 2 廣泛采用新工藝 新一代的數(shù)字萬用表正朝著標準模塊化的方向發(fā)展。電子模塊又稱為電子功能組件，簡稱模塊。它是采用微電子技術(shù)和微型電子元器件，按插件組裝成一體，能完成某一種特定的功能的商品化部件?，F(xiàn)在，數(shù)字萬用表的單元電路已基本上被標準化，通用化，系統(tǒng)化的模塊取代。 3 單片大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的采用 1） 帶微處理器的單片 5 1/2 位 A/D轉(zhuǎn)換器 2） 專配微處理器的 4 3/4 位 DMM 集成電路 3） ASIC產(chǎn)品的應(yīng)用 AX133/134 是美國最大集成電路公司最新研制的 專配微處理器的 DMM 芯片。它們配上 4 位或 8位或 16 位微處理器 ,即可構(gòu)成具有高性價比的 4 3/4 位或 3 3/4 位智能數(shù)字萬用表。 4 計算機模塊化儀器與虛擬儀器的發(fā)展 5 安全性能的提高 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計 (論文） 數(shù)字萬用表總體設(shè)計方案 8 2 數(shù)字萬用表總體設(shè)計方案 數(shù)字萬用表的基本原理 數(shù)字萬用表的最基本功能是能夠測量交直流電壓，交直流電流，還有能夠測量電阻，數(shù)字萬用表的基本組成見圖 21。 圖 21 數(shù)字萬用表的基本組成 下面我們分別介紹各個部分的組成： 1 模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路 常見的物理量都是幅值 (大小 )連續(xù)變化的所謂模擬量 (模擬信號 )。指針式儀表可以直接對模擬電壓、電流進行顯示。而對數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號 (通常是電壓信號 )轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進行顯示和處理 (如存儲、傳輸、打印、運算等 )。數(shù)字信號與模擬信號不同，其幅值 (大小 )是不連續(xù)的。這種情況被稱為是“量化的”。若最小量化單位 (量化臺階 )為Δ，則數(shù)字信號的大小一定是Δ的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進制數(shù)碼表示。但為了能直觀地讀出信號大小的數(shù)值，需經(jīng)過數(shù)碼變換 (譯碼 )后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來。 例如，設(shè)Δ = ，我們把被測電壓 U 與Δ比較，看 U 是Δ的多少倍，并把結(jié)果過壓 過流保護 小數(shù)點驅(qū)動（配合被測量與量程） 基準電壓 模數(shù)轉(zhuǎn)換，譯碼驅(qū)動 過壓 過流保護 分檔電阻（量程轉(zhuǎn)換） 分壓器（量程轉(zhuǎn)換） 分流器（量程轉(zhuǎn)換） 交流直流變換器（放大，整流，濾波） 被測量輸入 電壓 電阻 電流 直流 交流 VIN VREF 數(shù)字顯示屏（ LED 或液晶） 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計 (論文） 數(shù)字萬用表總體設(shè)計方案 9 四舍五入取為整數(shù) N (二進制 )。一般情況下， N ≥ 1000 即可滿足測量精度要求 (量化誤差≤ 1/1000=%)。最常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為 1999，被稱為三位半 ( 213 )數(shù)字表。對上述情況，我們把小數(shù)點定在最末位之前，顯示出來的就是以 mV 為單位的被測電壓 U 的大小。如： U 是Δ ( )的 1234 倍，即 N =1234，顯示結(jié)果為(mV )。這樣的數(shù)字表頭， 再加上電壓極 性判別顯示電路， 就可以測量顯示 ～ 的電壓，顯示精度為 。由上可見，數(shù)字測量儀表的核心是模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換、譯碼顯示電路。 A/D 轉(zhuǎn)換一般又可分為量化、編碼兩個步驟。 2 多量程數(shù)字電壓表原理 在基準數(shù)字電壓表頭前面加一級分壓電路 (分壓器 )，可以擴展直流電壓測量的量程。如圖 22 所示， U0為電壓表頭的量程 (如 200mV )， r 為其內(nèi)阻 (如 10MΩ )， r1.、r2為分壓電阻， U10為擴展后的量程。 圖 22 分壓電路原理 圖 23 多量程分壓器原理 由于 rr2，所以分壓比為 21200 rr rUiU ?? 擴展后的量程為 02 210 Ur rrUi ?? 多量程分壓器原理電路見圖 ， 5 檔量程的分壓比分別為 、 、 和 ，對應(yīng)的量程分別為 2021V 、 200V 、 20V 、 2V 和 200mV 。采用圖 23 的分壓電路雖然可以擴展電壓表的量程，但在小量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這數(shù)字電壓表頭 0～ Ui0 r1 r2 r 0～ U0 10M 1M 99K 9K 2021V 200V 20V 2V 數(shù)字電壓表頭 200mA 1K Ui IN+ IN 河北工程大學畢業(yè)設(shè)計 (論文） 數(shù)字萬用表總體設(shè)計方案 10 在實際使 用中是所不希望的。所以，實際數(shù)字萬用表的直流電壓檔電路為圖 24 所示，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達到同樣的分壓效果。 圖 24 使用分壓電路 101054321 54 ?????? ? MKrrrrr rr 其余各檔的分壓比可同樣算出。實際設(shè)計時是根據(jù)各檔的分壓比和總電阻來確定各分壓電阻的。如先確定 MRRRRR 10R 54321 ??????總 再計算 2021V 檔的電阻 5R = 總R =1K 再逐檔計算 4R 、 5R 、 2R 、 1R 。 盡管上述最高量程檔的理論量程是 2021V ，但通常的數(shù)字萬用表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為 1000V 。換量程時，多刀量程轉(zhuǎn)換開關(guān)可以根據(jù)檔位自動調(diào)整小數(shù)點的顯示，使用者可方便地直讀出測量結(jié)果。 3 多量程數(shù)字電流表原理 測量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適 的取樣電阻把待測電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進行測量。如圖 25，由于 r ? R，取樣電阻 R 上的電壓降為 RIU ii ? Ui R1 9M R2 900K R