數(shù)字萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)說(shuō)明(編輯修改稿)
2024-07-27 20:49 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 于直觀地讀數(shù)，通常把數(shù)碼進(jìn)行譯碼后，由數(shù)碼管或液晶屏幕顯示。當(dāng)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)量化之后，還需要進(jìn)行編碼處理，是用二進(jìn)制碼組表示固定電平的量化值。目前普遍使用的是非線性的8位二進(jìn)制編碼，可以將輸入的幅度范圍分成256個(gè)量化級(jí)。由此可知，數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量的核心步驟是模數(shù)轉(zhuǎn)換以及譯碼顯示，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換又可以分為量化及編碼兩大步驟。（1）PCF8591芯片的主要功能特征PCF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗及8位CMOS工藝制造的ADDA器件。PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口。PCF8591的3個(gè)地址引腳A0、A1和A2可用于硬件地址編程。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過(guò)雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。 圖5. PCF8591的內(nèi)部原理圖PCF8591芯片的引腳功能圖6. PCF8591的引腳圖圖6所示為PCF8591的引腳圖。AIN0～AIN3：模擬信號(hào)輸入端；A0～A2：引腳地址端；VDD、VSS：電源端（）；SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線；OSC：外部時(shí)鐘輸入端，內(nèi)部時(shí)鐘輸出端；EXT：內(nèi)部、外部時(shí)鐘選擇線，采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)EXT接地；AGND：模擬信號(hào)地；AOUT：數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出端；VREF：基準(zhǔn)電源端。圖7. 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分原理圖圖7所示為模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。PCF8591芯片作為ADC芯片，使用I2C總線與單片機(jī)通訊，SCL是串行時(shí)鐘，SDA是串行數(shù)據(jù)線，輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。待測(cè)模擬量從AIN0進(jìn)入，其余模擬輸入口因本設(shè)計(jì)不需使用而接地。AGND端是模擬地，接上0Ω電阻，而VDD接上接地電容，有效分割模擬地和數(shù)字地，減少高頻數(shù)字信號(hào)的干擾。（2）多量程數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)圖8. 分壓電路的原理如圖8所示，在基準(zhǔn)數(shù)字電壓表頭前加上一級(jí)電壓信號(hào)衰減電路（分壓電路），可以擴(kuò)展直流電壓測(cè)量的量程。圖中，Vo為輸出電壓，基準(zhǔn)電壓表的量程為2V，四個(gè)分壓電阻串聯(lián)值為10MΩ，則第4個(gè)開關(guān)接入時(shí)輸入電壓Vi可以達(dá)到2000V，同理可得其他檔位量程分別為2V、20V、200V、200V。但基于測(cè)試安全性，第4檔測(cè)試電壓不應(yīng)高于500V。如圖9所示，R1和R2是分壓電阻，其阻值均為按檔位需要計(jì)算后所得，可以將20V的直流電壓衰減為2V輸出，配合20V的直流電壓擋。（3）多量程數(shù)字電流表設(shè)計(jì)圖10. 分流電路的原理如圖10電路所示，萬(wàn)用表測(cè)量電流的原理是，用合適的取樣電阻，將待測(cè)的電流量根據(jù)歐姆定律轉(zhuǎn)換為電壓量，才能進(jìn)行測(cè)量。若取樣電阻阻值為R，根據(jù)歐姆定律，可以獲得被測(cè)電流Ii的值。在基準(zhǔn)數(shù)字電流表頭前在加上電流信號(hào)衰減電路（分流電路），即可實(shí)現(xiàn)直流電流測(cè)量量程的擴(kuò)展。如上圖所示，四個(gè)電阻串聯(lián)值是1kΩ，若選取第1擋，并使輸出電壓不超過(guò)2V，即可計(jì)算出Ii必須小于等于2mA。同理可計(jì)算出其他檔位的滿量程電流分別為20mA、200mA、2A。如圖11所示，R15和R16是分流電阻，其阻值均為按檔位需要計(jì)算后所得，可以將2A的直流電流衰減為200mA，并將電流變換成電壓以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量，配合2A的直流電流檔使用。（4）電阻測(cè)量設(shè)計(jì)數(shù)字萬(wàn)用表通常采用電阻電壓變換電路來(lái)測(cè)量電阻（歐姆檔）。如圖7所示電路，是一種用特殊工藝制造的硅半導(dǎo)體二極管（康華光，2006）。VTVTVDZ1組成恒流源，保持V3的值恒定不變。V3的值等于V1電壓減去VDZ1上的電壓。VT3的基極電壓亦保持不變，，并可得出VT3集電極電流的IC3也是恒定的。其中，接在VT3的發(fā)射極上的一組電阻是基準(zhǔn)電阻，按檔位不同分別是：、22kΩ、220kΩ、2MΩ。通過(guò)選擇不同的檔位開關(guān)，
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