智能数字万用表的设计

智能数字万用表的设计

摘要：本智能数字万用表由凌阳SPCE061A单片机、MC14433——3 位A/D 转换电路、自动量程转换电路、交直流转换电路和大、小电阻测量电路组成，能够对交流电压、直流电压、大电阻和小电阻进行精确测量。使用凌阳SPCE061A 单片机作为控制模块，实现量程自动转化；使用MC14433实现A/D转换；使用简易软键盘、凌阳SPLC501液晶显示模组实现输入和显示；使用单片机读取MC14433的数字信号来控制模拟开关，从而改变反馈电阻的大小实现档位的不同选择；本设计能够准确对被测量进行测量，所有性能指标符合要求。

关键词：数字万用表单片机 MC14433 交直流电压测量电阻测量

一、方案论证

1.交流电压的测量：由于交流电压不能直接测量，必须转换为直流电压。转换方案有3种：

方案一、热电偶测量法：根据交流有效值的物理定义来实现测量的，利用热电偶电路平衡原理通过两端的电势比较得到有效值。但热电偶转换线性度差，且热电偶具有配对较难、响应速度慢、负载能力差等缺点。

方案二、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输入信号的有效值。这种方案测量的动态范围小、精度不高且输入信号的幅度变小时，平均器输出电压的平均值下降值很快、输出幅度很小。

方案三、交流整形电路：使用AD637等集成有效值转换芯片，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，在对直流电压进行测量，这种方案电路简单、响应速度快、失真度小、工作稳定可靠。

综上，采用方案三进行交流电压的测量。

2.小电阻的测量：由于小电阻在通入电压后发热，测量出的电阻值会产生较大的误差，对于小电路有3种方案测量：

方案一、直流电桥测量法。直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。采用这两种方法测量时很多操作需要手动，并且对元件精度要求高，通过数字电位器来改变需要的电阻参数，索然可以实现数控，但数字电位器的每一级步进电阻值不确定，调节困难，用单片机处理计算复杂并且测量时操作不便。

方案二、电阻比例法。电阻比例法采用如图1所示的双积分式A/D转换器电路，可实现电阻——数字的转换。由于在电阻上Rx、Rs中流过相同的电流，因

此不需要精密的基准电流，但需要计数器和精密时钟发生器且电路复杂处理难度大。

方案三、采用恒流外加小信号放大法。当测量0~2Ω小电阻时，采用恒流源产生10mA的电流流经电阻产生0~20mV压降再放大10倍即0~200mV测量，这样解决了大电流流经小电阻发热大的问题。此种方案误差主要取决于恒流源的精度，只要恒流源恒定，测量可以达到很高的精度。

综上，采用方案三进行小电阻的测量。

3．A/D转换模块

方案一、采用CC7106。CC7106是CMOS大规模集成电路芯片，它将模拟电路与数字电路集成在一个有40个功能端的电路内，所以只需外接少量元件就可组成一个3 位数字电压表。但是CC7106是以静态方式驱动LCD转换器，无BCD 码输出端，因此不能直接获得降量程信号。

方案二、采用MC14433。MC14433是一个低功耗3 位双积分式A/D转换器,与CC7106相比，MC14433采用动态扫描显示，有多路调制的BCD码输出端和超量程信号输出端，便于实现自动控制。

综上，采用方案二进行A/D转换。

4．自动量程转换模块

方案一、采用软件来实现。通过单片机读取MC14433的数字信号来控制模拟开关，从而改变反馈电阻的大小实现档位的不同选择，能够很容易满足测量范围的要求。此方案是电路比较简单，实现也较容易。

方案二、采用硬件实现。电路的核心是一块双向移位寄存器CC40194，移位方向由MC14433过量程信号控制，并且还要外接一些数字电路才能实现换档，电路比较复杂，不方便。

综上，采用方案一进行自动量程转换。

二、系统实现

1.硬件设计

根据题目要求和本系统的设计思想，系统主要包括图一所示。

测交流电压被测量输入键盘与显示单片机系统电阻测量电路交/直流转换电路自动量程转换电路 A/D转换电路测电阻测直流电压通过拨动开关选择图一设计原理图

SPCE061A单片机是本系统的核心器件，负责控制整个系用的正常工作，包括读取MC14433转换后的结果及10mV、100mV、1V和10V档位的控制；按键输入动作响应；键盘与显示模块的驱动；量程自动控制等。输入的电压信号经过自动量程转换电路进行转换，变成可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。交流电压测量电路的功能是将被测的交流电压经过AD637转换成直流电压进行测量。电阻测量电路中使用2个三极管构成能产生10mA电流的恒流的电路，通过

NE5532后得到被测电阻上的电压，运算得到被测电阻值。A/D转换电路的功能是实现模拟量到数字量的转换，其转换后的数字量由单片机读取并送到键盘与显示模块中显示。

2.不同功能的单元电路

（1）整体电路图

本系统由电源管理电路、A/D转换电路、自动量程转换电路、交直流转换电路和电阻测量电路组成。通过拨动开关和单片机选择所需功能进行测量，被测量通过与之相应的单元电路转化为电压，然后送入A/D转换电路转换成数字信号。单片机将数字信号读入并进行相应操作，然后在液晶显示屏上显示出来。（整体电路图见附录）

(2)交直流转换电路

交流电压测量真有效值的转换电路是测量交流电压的关键部分，其设计的好坏直接影响到交流电压信号的测量精度，在本次设计中我们通过比较采用

AD637来实现交流信号到直流量的转变，将交流电压转换为直流，测量其有效值，电路如图三所示。

Vi是交流电压输入端，V o端输出的是电压信号，输出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。我们在面包板上测试时，第一次输出值偏小，在多次检测后，我们认为是AD637芯片产生的误差。在更换AD637芯片后，结果正确。

（3）电阻测量电路

电阻测量采用在待测电阻上流过恒定电流产生压降，通过测量相应的电压再经MC14433的A/D转换后得到电阻值。

大电阻测量：大电阻测量由TL431芯片、C1、电位器RＴ产生2V恒定电压，被测电阻与10Ω、100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ和1MΩ的标准电阻相串联到地。通过测量Rx两端电压再经过相应的软件处理计算，可得到被测电阻的大小。电路如图四所示。

小电阻测量：小电阻在通过小电流时难以测量，再通过大电流时又有电阻发热的问题。本数字万用表设计采用恒流源产生10mA的小电流流经电阻产生压降，通过测量Rx两端电压再经过相应的软件处理计算，可得到被测电阻的大小。当测量0~2Ω小电阻时产生0~20mV