数字万用表设计报告

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

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。XXXXXXXXXXX

2.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

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

I C L 7135

单片机液晶显示

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=C

X

I U R

,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。

三、系统软件设计

主程序流程图如图6所示

Y

Y

Y

Y

N

N

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

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：15MHz Agilent 33120A信号源

示波器：60MHz (1Gs/s )Tektronix TDS1002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20mV 0.023V 20mV 0.056V

50mV 0.044V 50mV 0.075V

100mV 0.092V 80mV 0.098V

500mV 0.485V 100mV 0.118V

1V 0.962V 200mV 0.198V

1.5V 1.494V 500mV 0.504V

2V 1.996V 1V 0.998V

2.5V 2.525V 2V 2.000V

3V 3.003V 3V 3.048V

4V 4.042V 4V 4.119V

5V 5.008V 5V 5.133V

8V 8.159V 6V 6.113V

10V 10.054V 7V 7.108V

电阻实际值显示值20K 20.2K 16.912 150 150.3 140.12 1K 995 10445 5.1K 5.02K 30235 820 817 810.14