【正文】 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。數(shù)字顯示屏（LED或液晶）過壓過流保護(hù)小數(shù)點驅(qū)動（配合被測量與量程）基準(zhǔn)電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換，譯碼驅(qū)動過壓過流保護(hù)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VINVREF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(jìn)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(jìn)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(jìn)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)果四舍五入取為整數(shù)N (二進(jìn)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()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，(mV )。這樣的數(shù)字表頭， 再加上電壓極性判別顯示電路， ～ 的電壓， 。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(zhǔn)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。IN+IN數(shù)字電壓表頭0～Ui0r1r2r0～U010M1M99K9K2000V200V20V2V數(shù)字電壓表頭200mA1KUi圖22 分壓電路原理 圖23 多量程分壓器原理由于rr2，所以分壓比為擴展后的量程為 ，5 檔量程的分壓比分別為 ，對應(yīng)的量程分別為2000V 、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(dá)到同樣的分壓效果。例如：其中200V 檔的分壓UiR1 9MR2 900KR3 90KR4 9KR5 1K2000V2V20V200V動片2數(shù)字電壓表頭IN+IN200mV200mV圖24 使用分壓電路 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。如先確定再計算2000V 檔的電阻= =1K再逐檔計算、。盡管上述最高量程檔的理論量程是2000V ，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(jìn)行測量。如圖25，由于r ?R，取樣電阻R 上的電壓降為即被測電流 數(shù)字電壓表頭數(shù)字電壓表頭IiUiIN+INrR1K100101200uA2mA20mA200mA2AIiUiIN+IN圖25 電流測量原理 圖26 多量程分流器電路 若數(shù)字表頭的電壓量程為U0，欲使電流檔量程為I0，則該檔的取樣電阻(也稱分流電阻)為 如=200mV ，則=200mA 檔的分流電阻為R=1Ω。多量程分流器原理電路見圖26。圖26 中的分流器在實際使用中有一個缺點，就是當(dāng)換檔開關(guān)接觸不良時，被測電路的電壓可能使數(shù)字表頭過載，所以，實際數(shù)字萬用表的直流電流檔電路為圖27 所示。圖27 中各檔分流電阻的阻值是這樣計算的：先計算最大電流檔的分流電阻 再計算下一檔的依次可計算出、。圖中的BX 是2A 保險絲管，電流過大時會快速熔斷，超過流保護(hù)作用。兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管DD2 為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過壓保護(hù)作用。正常測量時，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航?，二極管截止，對測量毫無影響。 ，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被限制住( )，保護(hù)儀表不被損壞。4 交流電壓電流測量處理原理數(shù)字萬用表中交流電壓，電流測量電路是在直流電壓、電流測量電路的基礎(chǔ)上，在分壓器或分流器之后加入了一級交流直流(ACDC)變換器，圖28 為其理簡圖。該ACDC 變換器主要由集成運算放大器、整流二極管、RC 濾波器等組成，還包含一個能調(diào)整輸出電壓高低的電位器，用來對交流電壓檔進(jìn)行校準(zhǔn)之用。調(diào)整該電位器可使數(shù)字表頭的顯示值等于被測交流電壓的有效值。同直流電壓檔類似，出于對耐壓、安全方面的考慮，交流電壓最高檔的量限通常限定為700V (有效值)。5 電阻測量原理數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例測量法，其原理電路見圖29。由穩(wěn)壓管ZD 提供測量基準(zhǔn)電壓，流過標(biāo)準(zhǔn)電R0和被測電阻RX的電流基本相等(數(shù)字表頭的輸入阻抗很高，其取用的電流可忽略不計)。所以A/D 轉(zhuǎn)換器的參考電壓和輸入電壓有如下關(guān)系： 即根據(jù)所用A/D 轉(zhuǎn)換器的特性可知，數(shù)字表顯示的是UIN與UREF的比值，當(dāng)UIN=UREF時顯示“1000”，UIN=“500”， 以此類推。所以，當(dāng)RX=R0時表頭將顯示“1000”，當(dāng)RX=“500”，這稱為比例讀數(shù)特性。因此，我們只要選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻并適當(dāng)?shù)貙π?shù)點進(jìn)行定位，就能得到不同的電阻測量檔。如對200Ω檔，取 R01=100，小數(shù)點定在十位上。當(dāng)RX=100Ω時。當(dāng)RX變化時，顯示值相應(yīng)變化。又如對2 kΩ檔，取R02=1KΩ，小數(shù)點在千位上。當(dāng)RX變化時，顯示值相應(yīng)變化， KΩ。其余各檔道理相同，同學(xué)們可自行推演。數(shù)字萬用表多量程電阻檔電路見圖210。由上分析可知，R1= R01=100ΩR2= R02 R01=1000100=900BΩR3= R03 R02=10K1K=9K﹍﹍﹍﹍圖210中由正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻R1與晶體管T組成了過壓保護(hù)電路，以防誤用電阻檔去測高電壓時損壞集成電路。當(dāng)誤測高電壓時，晶體管T 發(fā)射極將擊穿從而限制了輸入電壓的升高。同時R1隨著電流的增加而發(fā)熱，其阻值迅速增大，從而限制了電流的增加，使T 的擊穿電流不超過允許范圍。即T 只是處于軟擊穿狀態(tài)，不會損壞，一旦解除誤操作，R1和T都能恢復(fù)正常。IiBXD1D2動片2200uA2mA20mA200mA200mA900909R1R2R3R4R5UiIN+IN數(shù)字電壓表頭圖27 實用分流器電路ZDR0R5VREF+VREFIN+INUREFUINA／D 轉(zhuǎn)換及數(shù)字表頭直流電壓輸出交流電壓校準(zhǔn)你交流電壓輸入圖28 ACDC 變換器原理簡 圖29 電阻測量 6 6 電容測量原理電容測量是根據(jù)電容充電原理其充電電壓與時間成一定的指數(shù)關(guān)系。根據(jù)電壓和時間可以計算出電容的值。RtA／D轉(zhuǎn)換及數(shù)字表頭RSPTCT100200ΩΩ9002 KΩ9K20KΩ90K200KΩ900K2MΩΩ+VVREF+VREFIN+IN動片2R5R4R3R2R1圖210 電阻測量 數(shù)字萬用表的硬件系統(tǒng)設(shè)計總體框架圖如下圖211 所示，本萬用表由以下幾部分功能組成，復(fù)位電路、震蕩電路、ADC輸入、被測量顯示、超限報警、ADC 使能控制。復(fù)位電路用來清零，進(jìn)行下一次的測量；震蕩電路用來消除一些外來干擾，使電路工作更加穩(wěn)定；ADC 輸入則是將輸入量進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換；測量顯示就是顯示測量的數(shù)值；超限報警部分則是用作當(dāng)測量量超出量程范圍時發(fā)出警報，以便提醒用戶更改大量程；ADC 使能控制則用來對輸入量進(jìn)行控制，允許輸入或者不允許。復(fù)位電路震蕩電路ADC輸入89c51被測量顯示超限報警ADC使能控制圖211. 總體電路設(shè)計原理圖河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 選用芯片介紹及硬件電路設(shè)計方案3 選用芯片介紹及硬件電路設(shè)計方案 芯片選擇及功能簡介 AT89c51 芯片功能特性描述AT89c51 引腳框圖： 1 40 Vcc 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 RST/Vpd 9 32 RXD 10 31 EA/Vpp（內(nèi)1/外0 程序選擇） TXD 11 30 ALE/P （地址鎖存輸出）INT0 12 29 PSEN（外部程序讀選通輸出） INT1 13 28 T014 27 T1 15 26 WR 16 25 R