数字万用表设计报告

-1-智能数字万用表郭盛，谢鹏程，王飘，张玙姣摘要：本设计能够精准的测量直流电压、交流电压和电阻。电阻测量是采用xxxxxx；交流测量是用AD637真有效值转换芯片将交流信号转换成直流电压后测量，可以实现10MΩ的输入阻抗和高安全性。电路中关键器件采用精密运算放大器OPA07；ADC采用ICL7135芯片；控制器选用89C52单片机，实现了低功耗，量程自动切换功能。另外，通过利用继电器，实现了测量档位转换的便捷和可靠性。系统采用键盘输入，液晶显示输出，人机交互灵活，界面友好，操作简单。该作品的性能指标达到了题目的设计要求。关键字：数字万用表、ICL7135、89C52单片机-2-一、系统方案1.题目任务要求及相关指标要求分析系统主要分为：直流电压、交流电压和电阻测量三部分。直流电压和交流电压制作的指标都不高，实现起来比较容易。系统最主要的问题是电阻测量。XXXXXXXXXXX2.方案论证与比较（1）交流有效值测量方案方案一：模拟运算法。根据有效值的数学定义，用集成器件乘法器、开放器等依次对被测信号进行平方、平均、开方等计算直接得到交流信号输出有效值。这种方案的测量动态范围小，精度不高且当输入信号的幅度变小时，平均器输出电压的平均值下降很快，输出幅度很小。方案二：交流整形电路。采用AD637集成真有效值转换芯片，把交流电压信号转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号，再对直流电压信号进行测量，这种方案电路简单、响应速度快、失真度小，工作稳定可靠，故采用此种方案。（2）电阻测量部分方案一：电阻比例法。基于双积分式A/D转换，采用比例法构成的电阻-数字的转换。比例法测量原理图如图1所示。此方案由于在电阻Rx、Rs中流过相同的电流，因此不需要精密的基准电流源，但需要计数器和基准时钟发生器且电路复杂。方案二：恒流源法。XXXXXXXXXXX-3-图2系统整体实现框图3.总体方案设计系统框图如图2所示。89C52是本系统的核心器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读取ICL7135转换后的结果及200mV和2V档位的控制；按键输入动作响应；液晶驱动；量程转换；定时关机和开机等。XXXXXXXXXXX二、理论分析与设计1.交流电压转换电路图3交流电压转换电路交流电压转换电路是测量交流电压的关键，其设计的好坏直接影响交流电压信号的测量精度，本次测量采用精度较好的AD637来实现交流到直流的转换，电路如图3所示。被测信号直流信号交流信号恒流源真有效值转换被测电阻量程转换ICL7135单片机液晶显示-4-2、恒流源测间接测电阻电路图4恒流源测间接测电阻电路通过电压基准TL431使R1两端电压恒定为U0，由于三极管Ic=Ie，故Rx两端电压Ux=Rx*Ic，从而得到Rx=CXIUR,由于测量的有误差，所以我们根据选择不同的测量电阻Rx用不同的R0从而得到不同的电流Ie，不仅使测量准确还可以控制不同的量程。电路如图4所示。（200,2k,20k,200k,2M）3、放大衰减跟随电路图5放大衰减跟随电路运放选择OP07，本题不考虑带宽，OP07的带宽足够了，并且题目要求的输入主抗是10M，OP07的最大输入阻抗是80M，满足题目要求。电路如图5所示。当P1.0,P1.1释放的时候，电路跟随；当P1.0释放，P1.1吸合，电路放大；当P1.0吸合，P1.1释放，电路衰减。-5-三、系统软件设计主程序流程图如图6所示YYYYNN开始系统初始化允许定时中断开总中断及电源标志位恢复各变量保护前状态低功耗标志位是否为1？关总中断及显示系统低功耗状态低功耗标志位清0有键按下？flag=1？flag=2？flag=3？直流电压档直流量程转换交流量程转换交流电压档电阻档按键扫描LED显示-6-五、测试数据与分析1、使用仪器及型号电源：SG17133SB3A直流稳压稳流电源信号源：15MHzAgilent33120A信号源示波器：60MHz(1Gs/s)TektronixTDS1002型数字示波器万用表：FLUKE17B多用数字万用表2、测试数据方法及结果直流实际值显示值交流实际值显示值20mV0.023V20mV0.056V50mV0.044V50mV0.075V100mV0.092V80mV0.098V500mV0.485V100mV0.118V1V0.962V200mV0.198V1.5V1.494V500mV0.504V2V1.996V1V0.998V2.5V2.525V2V2.000V3V3.003V3V3.048V4V4.042V4V4.119V5V5.008V5V5.133V8V8.159V6V6.113V10V10.054V7V7.108V电阻实际值显示值20K20.2K16.912150150.3140.121K995104455.1K5.02K30235820817810.14-7-51K51.02K3467310K10.01K780263、测试分析交流直流电压测量基本完成要求，但是显示的最后2位数字有跳动。环境影响系统正常工作是有可能的，室内温度，电磁场干扰等等都是值得重视的问题。解决系统的干扰问题应该从几个方面考虑。一是，提高系统本身的抗干扰能力，我们组对集成运放的两极进行了去耦，效果比较明显。二是，AD637交直流转换这里引入了误差，因为637的转换输入值是0.7V~7V，我们组没有对小于0.7V的信号进行处理，导致测量小信号误差较大。三是，电阻对大信号进行分压，衰减10倍，本题要求输入电阻大于10M，所以要用10M以上的电阻进行分压，但是实验室条件有限，没有理想的电阻，所以我们组不得不用电位器进行分压，所以分压出来的电压不是很稳，但是我们依然坚持赵主任说的能不用电位器就不用电位器的坚定思想。下次我们将考虑采取TL431电压基准进行稳压，这次经验不够，下次继续努力。此外，我们组做的这个数字万用表对电阻阻值的测量的误差非常大。原因如下：我们设计的恒流源很稳定，而且换不同的电阻档位会得到一组不同的电流值（1uA，10uA，100uA，1mA,10mA）根据不同的电流在电阻2端形成不同的压降范围是0.2V到2V，通过20V的量程，把这个压降送入了ICL7135AD采样，再经过单片机处理，结果有一定误差。