数字万用表自动测量系统的设计
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[ 12] 李川香. 高精度双 积分 A/ D 转 换器 与单片 机接 口的 新方法[ J] . 自动化仪表, 2002, 23( 1) : 53 55.
[ 13] 谭季秋, 龙亮. 嵌入式自 动测量 系统设 计[ J] . 机 电产 品开发与创新, 2004, 17( 2) : 79 82.
ICL7106( 或其同类型芯片) 是在常见的液晶显示数字 测量仪中, 普遍被采用的 A/ D 转换芯片。配上不同的传感 器后, 它们不仅可用于万用表, 还可以测量温度、压力、流 量等非电量[ 5 6] 。这一类型的双积分型 A/ D 转换芯片具有 广泛的 典 型 应 用。 设 计 出 该 系 列 芯 片 与 单 片 机 等 M CU [7 9] 的连接接口, 再为 M CU 添加一些通讯接口, 便可 以使得测量被自动控制、远程操作, 并将测量结果方便的 传输到计算机或别的设备中。从而, 实现自动化测量, 将 测试设备融入到整个自动化系统当中。
图 1 系统总体结构
106
徐 薇 等: 数字万用表自动测量系统的设计
第4期
2 硬件设计
2. 1 ICL7106 的输出特性 一般在数字万用表中, ICL7106 使用 9 V 电池供电, 即
在 ICL7106 的 V+ 和 V- 之间接入 9 V 电源。ICL7106 输 出 7 段码, 直 接驱动段 式 LCD, 如图 2 所 示。A1 ~ G1、 A 2~ G2、A3~ G3、AB4 依次是最低位到最高位的 7 段码 段位, POL 是符号位驱动, BP 是背电极输出[ 11] 。由于液晶 驱动需要交流, 前述段位输出一般为峰峰值 4~ 6 V( 9 V
摘 要 : 介绍了 1 种 将数字万用表改进成自动控制测量设备的方法。ICL7106 及类似的 A / D 转换器是数字万用表等 数 字测量仪器中常见的核心测量元件。通过设计 ICL7106 A/ D 转换器与 M CU 的接口电路, M CU 可以从中获取测量 结果数 据, 配合继电器控制的量程切换系统, 可以实现 M CU 对测量过程的控制。再为 M CU 添加通信接口, 便可以使 得该自 动控制测量系统能够与其他设备互联, 协同工作。 关键词 : 双积分 型 A/ D 转换芯片; ICL7106; 自动测量; 数字万用表 中图分 类号: T P2 文献标识码: A
在线测试与故障诊断
电 子测 量 技 术 ELECT RON IC M EASU REMEN T TECH N OL OGY
第 34 卷 第 4 期 2011 年 4 月
数字万用表自动测量系统的设计
徐 薇1 黄博闻2 关宇东2
( 1. 北京自动化控制 设备研究所 北京 100039; 2. 哈尔滨工业大学电子与信息工程学院 哈尔滨 150001)
位信号的方 波特性 依然 完好。当 Input 电 位高于 C OM 时, 输出 Output 为高电平; 当 Input 低于 COM 时, 输 出 Output 为低。这里 LM211 为漏极开路输出, 使用万用表 的 9 V 供电, 即 V CC 为+ 9 V, Output 后接一级光耦电路 将高电平降低到 T TL 电平即可连接单片机的 IO 口。
图 2 ICL 7106 输出驱动液晶
2. 2 接口电路设计 由于输出段位信号为峰峰值 4~ 6 V 的方波, 要取得
输出信息就需要提取各个段位信号同一个半周期时的相
位。提取相位就需要有参考电位, 由于输出的峰峰值可能 达到 6 V , 而单片机的耐压一般为 5 V, 既而还需要电平的 转换。
电平转换通常可以使用光耦实现, 将正电压转换为逻 辑高( 一般为 3. 3 V) , 负电压转换为逻辑低( 一般为 0 V ) 。 但是, 将所有段位均后接光耦电路时, ICL7106 需要驱动至 少 23 个光耦电路。然而, ICL7106 设计为输出驱动段式液 晶, 芯片驱动能力有限, 当连接 23 个光耦后, 段位信号的 方波波形变差, 边沿变平滑, 而且不稳定有许多毛刺。波 形的恶化, 很容易造成相位的误判。
由于要驱动至少 23 个段位信号, 考虑到 ICL7106 的 驱动能力有限, 从而必须降低 ICL7106 的负载压力。比较 器具有很高的输入电阻, 拉电流很小, 使用比较器提取相 位, 对前级的驱动能力要求低。电路设计如图 3 所示, 使 用 ICL7106 的 COM 端 作 为 相 位 比 较 的 参 考。 图 中 L M211 为比 较器, Input 为某 一段位 信号 输入, COM 为 ICL7106 的 C OM 端, Out put 为输出。实验表明, 使用这样 的方式连接 23 个段位信号, ICL7106 的驱动能力足够, 段
[ 10] 马迎建, 曹洁, 宋彭. 基于 L abVIEW 的 3458A 数 据采集 系统设计[ J] .电子测量技术, 2009,32( 1) : 131 133, 143.
[ 11] 夏永 平, 刘中 元. 从 7106 获 得 BCD 码和 二 进 制 码 [ J] . 电子技术, 1987( 8) : 13.
典型系统主要由数字万用表( 或其他数字测量设备) 测量单元[ 10] 、双积分型 A/ D 转换器( 例如: ICL7106) 、接口 电路、继电器量程切换模块、MCU ( 例如: 8051 单片机) 、通 信接口和液晶等构成。数字万用表测量单元和双积分型 A/ D 转换器是数字万用表的主要构成。这里的接口电路 是指 ICL7106 与 MCU 之间的接口。M CU 通过控制继电 器来切换数字万用表的量程。系统结构如图 1 所示。
[ 2] 沙占友, 王彦明, 杜之涛. 便携式数字万用表原理与维 修[ M ] . 北京: 电子工业出版社, 2009.
[ 3] 刘定强, 李敏毅, 梁显有. 数字万用表与微机通讯及其 应用[ J] . 中国计量, 2003( 10) : 58 59.
[ 4] 商立群. 基于互联网的远程单片机控制[ J] . 仪 器仪表 学报, 2002, 23( z2) : 798 799
107
源自文库
第 34 卷
电子测量技术
条指令同时读取 3 组 IO 口的值, 图 4 所示的系统 BP 的相 位只能保证和最低位的段位信号( 它们连接在同一组 8 位 IO 口, 即 P1 口上) 的相位同时读入。最差的情况是刚好在 方波半周期跳变的时候读取了其他相位的信息, 而这一情 况发生与否是不确知的, 所以需要软件同步( 这里不考虑 中断的发生) , 使得所有信号的读取发生在同一时钟的半 周期内, 如图 5 所示。
图 3 接口电路 综上所述, 如图 4 给出了 1 个完整的系统设计方案。 ICL7106 的输出先通过比较器提取相位。然后, 比较器驱 动光耦。光耦实现电平转换并可以起到抗干扰的作用, 最 后与单片机连接。 由于单片机指令周期的频率远大于段位信号方波的 频率, IO 口与光耦阵列的连接可以采用直接连接的方式, 直接进行电平采样。但是由于一般的单片机不能通过一
供电的情况下) 的等占空比方波[ 12] , 各个段位输出同频且 时钟源 相 同, 频 率 的 典 型 值 为 49 H z, 参 考 零 电 位 在 ICL7106 的 COM 端, 即以 COM 为参考零点则输出段位有 正电压也有负 电压, 幅值约为 2 V。若取 9 V 电源的 地 ( V- ) 为参考电位, 则实验表明段位信号方波的低电平输 出的电位在 1 V 左右, COM 在 3 V 左右。当某段位点亮 时, 则对应的段位信号的输出相位与背电极 BP 的输出相 位相反, 即一个输出为正幅值、一个输出为负幅值; 当某段 位熄灭时, 则对应的段位信号的输出相位与背电极 BP 的 输出同相。
器进行方波相位的判决, 随后用光耦进行了电平转换, 实 现了接口电路。若将数字万用表的量程切换模块, 通过单 片机使用继电器控制, 并为单片机添 加用于通讯的接 口 ( 如 RS232) , 就可以将测试系统与其他设备实现互联[ 13] , 从而可以进行自动测量。
参 考文 献
[ 1] 沙占 友. 33 / 4 位 自动 量 程数 字万 用 表芯 片 ICL7149 [ J] . 电子技术, 1992( 3) : 36 39.
[ 8] 郭鑫, 张立. 便 携式叶绿 素含量 光电检 测仪 设计[ J] . 电子测量与仪器学报 2009, 23( 4) : 92 96.
[ 9] 原玉 磊, 张超, 杨 宇飞. 一 种基 于单 片机 的授 时系 统 [ J] . 国外电子测量技术, 2010, 29( 12) : 81 84.
Abstract: P resents a method t o amelio rate the no rmal digita l multi met er and make it auto contro lled equipment. I CL 7106 and similar A/ D co nv erter chips ar e the measurement kernels of nor mal multi meter s. With an inter face betw een the ICL7106 A / D chip and M CU , M CU is able to o bta in measurement data fr om t he dig ital multi met er, and, t hus, it can co nt rol the measurement pro cess using relay s to manipulating the r ang es and pow er. W ith additional co mmunicatio n int erfaces, M CU is able to co mmunicate, sy nchro nize and co wo rk with o ther equipment implementing auto measurement. Keywords: do uble int eg ra l A / D co nv erter chip; ICL 7106; auto measurement; mult i meter
Design of digital multi meter auto measurement system
Xu Wei1 H uang Bow en2 G uan Y udong2 ( 1. Beijing In st it ut e of A ut omat ic Cont rol Equipm ent , Beiji ng 100039; 2. C ol lege of In format ion Engineering, H arbin In st it ut e of T ech nology, Harbin 150001)
0引 言
1 系统总体设计
数字万用表简单易用、携带方便, 在电力电子等领域 得到广泛的应用。常见的数字万用表通常使用 ICL7106 等 A/ D 转换器实现测量, 并直接驱动段式液晶 输出[ 1 2] 。 随着人们对测量测试自动化的需求、对更高效率的追求, 人们希望数字万用表还能够拥有与其他设备通信连接的 接口, 通过该接口实现自动控制、数据传输, 从而能够获得 连续多次测量的结果、使得整个测试过程自动化、并可以 实现远距离操作等功能[3 4] 。
[ 5] 郭志 友, 孙慧 卿, 张友. 自 动换 量限 的便 携式 测磁 仪 [ J] . 中国仪器仪表, 2002( z1) : 22 24.
[ 6] 林华清, 陈华章. 数字式 海水盐 度计的 研制 [ J] . 广东 工业大学学报, 2002, 19( 3) : 43 45, 49.
[ 7] 江和, 张培铭, 翁桂华. 基于无线通信的高压设备温度 监测系统 的 设 计 [ J] . 仪 器 仪 表 学 报, 2009, 30 ( 9) : 1969 1975.
[ 13] 谭季秋, 龙亮. 嵌入式自 动测量 系统设 计[ J] . 机 电产 品开发与创新, 2004, 17( 2) : 79 82.
ICL7106( 或其同类型芯片) 是在常见的液晶显示数字 测量仪中, 普遍被采用的 A/ D 转换芯片。配上不同的传感 器后, 它们不仅可用于万用表, 还可以测量温度、压力、流 量等非电量[ 5 6] 。这一类型的双积分型 A/ D 转换芯片具有 广泛的 典 型 应 用。 设 计 出 该 系 列 芯 片 与 单 片 机 等 M CU [7 9] 的连接接口, 再为 M CU 添加一些通讯接口, 便可 以使得测量被自动控制、远程操作, 并将测量结果方便的 传输到计算机或别的设备中。从而, 实现自动化测量, 将 测试设备融入到整个自动化系统当中。
图 1 系统总体结构
106
徐 薇 等: 数字万用表自动测量系统的设计
第4期
2 硬件设计
2. 1 ICL7106 的输出特性 一般在数字万用表中, ICL7106 使用 9 V 电池供电, 即
在 ICL7106 的 V+ 和 V- 之间接入 9 V 电源。ICL7106 输 出 7 段码, 直 接驱动段 式 LCD, 如图 2 所 示。A1 ~ G1、 A 2~ G2、A3~ G3、AB4 依次是最低位到最高位的 7 段码 段位, POL 是符号位驱动, BP 是背电极输出[ 11] 。由于液晶 驱动需要交流, 前述段位输出一般为峰峰值 4~ 6 V( 9 V
摘 要 : 介绍了 1 种 将数字万用表改进成自动控制测量设备的方法。ICL7106 及类似的 A / D 转换器是数字万用表等 数 字测量仪器中常见的核心测量元件。通过设计 ICL7106 A/ D 转换器与 M CU 的接口电路, M CU 可以从中获取测量 结果数 据, 配合继电器控制的量程切换系统, 可以实现 M CU 对测量过程的控制。再为 M CU 添加通信接口, 便可以使 得该自 动控制测量系统能够与其他设备互联, 协同工作。 关键词 : 双积分 型 A/ D 转换芯片; ICL7106; 自动测量; 数字万用表 中图分 类号: T P2 文献标识码: A
在线测试与故障诊断
电 子测 量 技 术 ELECT RON IC M EASU REMEN T TECH N OL OGY
第 34 卷 第 4 期 2011 年 4 月
数字万用表自动测量系统的设计
徐 薇1 黄博闻2 关宇东2
( 1. 北京自动化控制 设备研究所 北京 100039; 2. 哈尔滨工业大学电子与信息工程学院 哈尔滨 150001)
位信号的方 波特性 依然 完好。当 Input 电 位高于 C OM 时, 输出 Output 为高电平; 当 Input 低于 COM 时, 输 出 Output 为低。这里 LM211 为漏极开路输出, 使用万用表 的 9 V 供电, 即 V CC 为+ 9 V, Output 后接一级光耦电路 将高电平降低到 T TL 电平即可连接单片机的 IO 口。
图 2 ICL 7106 输出驱动液晶
2. 2 接口电路设计 由于输出段位信号为峰峰值 4~ 6 V 的方波, 要取得
输出信息就需要提取各个段位信号同一个半周期时的相
位。提取相位就需要有参考电位, 由于输出的峰峰值可能 达到 6 V , 而单片机的耐压一般为 5 V, 既而还需要电平的 转换。
电平转换通常可以使用光耦实现, 将正电压转换为逻 辑高( 一般为 3. 3 V) , 负电压转换为逻辑低( 一般为 0 V ) 。 但是, 将所有段位均后接光耦电路时, ICL7106 需要驱动至 少 23 个光耦电路。然而, ICL7106 设计为输出驱动段式液 晶, 芯片驱动能力有限, 当连接 23 个光耦后, 段位信号的 方波波形变差, 边沿变平滑, 而且不稳定有许多毛刺。波 形的恶化, 很容易造成相位的误判。
由于要驱动至少 23 个段位信号, 考虑到 ICL7106 的 驱动能力有限, 从而必须降低 ICL7106 的负载压力。比较 器具有很高的输入电阻, 拉电流很小, 使用比较器提取相 位, 对前级的驱动能力要求低。电路设计如图 3 所示, 使 用 ICL7106 的 COM 端 作 为 相 位 比 较 的 参 考。 图 中 L M211 为比 较器, Input 为某 一段位 信号 输入, COM 为 ICL7106 的 C OM 端, Out put 为输出。实验表明, 使用这样 的方式连接 23 个段位信号, ICL7106 的驱动能力足够, 段
[ 10] 马迎建, 曹洁, 宋彭. 基于 L abVIEW 的 3458A 数 据采集 系统设计[ J] .电子测量技术, 2009,32( 1) : 131 133, 143.
[ 11] 夏永 平, 刘中 元. 从 7106 获 得 BCD 码和 二 进 制 码 [ J] . 电子技术, 1987( 8) : 13.
典型系统主要由数字万用表( 或其他数字测量设备) 测量单元[ 10] 、双积分型 A/ D 转换器( 例如: ICL7106) 、接口 电路、继电器量程切换模块、MCU ( 例如: 8051 单片机) 、通 信接口和液晶等构成。数字万用表测量单元和双积分型 A/ D 转换器是数字万用表的主要构成。这里的接口电路 是指 ICL7106 与 MCU 之间的接口。M CU 通过控制继电 器来切换数字万用表的量程。系统结构如图 1 所示。
[ 2] 沙占友, 王彦明, 杜之涛. 便携式数字万用表原理与维 修[ M ] . 北京: 电子工业出版社, 2009.
[ 3] 刘定强, 李敏毅, 梁显有. 数字万用表与微机通讯及其 应用[ J] . 中国计量, 2003( 10) : 58 59.
[ 4] 商立群. 基于互联网的远程单片机控制[ J] . 仪 器仪表 学报, 2002, 23( z2) : 798 799
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源自文库
第 34 卷
电子测量技术
条指令同时读取 3 组 IO 口的值, 图 4 所示的系统 BP 的相 位只能保证和最低位的段位信号( 它们连接在同一组 8 位 IO 口, 即 P1 口上) 的相位同时读入。最差的情况是刚好在 方波半周期跳变的时候读取了其他相位的信息, 而这一情 况发生与否是不确知的, 所以需要软件同步( 这里不考虑 中断的发生) , 使得所有信号的读取发生在同一时钟的半 周期内, 如图 5 所示。
图 3 接口电路 综上所述, 如图 4 给出了 1 个完整的系统设计方案。 ICL7106 的输出先通过比较器提取相位。然后, 比较器驱 动光耦。光耦实现电平转换并可以起到抗干扰的作用, 最 后与单片机连接。 由于单片机指令周期的频率远大于段位信号方波的 频率, IO 口与光耦阵列的连接可以采用直接连接的方式, 直接进行电平采样。但是由于一般的单片机不能通过一
供电的情况下) 的等占空比方波[ 12] , 各个段位输出同频且 时钟源 相 同, 频 率 的 典 型 值 为 49 H z, 参 考 零 电 位 在 ICL7106 的 COM 端, 即以 COM 为参考零点则输出段位有 正电压也有负 电压, 幅值约为 2 V。若取 9 V 电源的 地 ( V- ) 为参考电位, 则实验表明段位信号方波的低电平输 出的电位在 1 V 左右, COM 在 3 V 左右。当某段位点亮 时, 则对应的段位信号的输出相位与背电极 BP 的输出相 位相反, 即一个输出为正幅值、一个输出为负幅值; 当某段 位熄灭时, 则对应的段位信号的输出相位与背电极 BP 的 输出同相。
器进行方波相位的判决, 随后用光耦进行了电平转换, 实 现了接口电路。若将数字万用表的量程切换模块, 通过单 片机使用继电器控制, 并为单片机添 加用于通讯的接 口 ( 如 RS232) , 就可以将测试系统与其他设备实现互联[ 13] , 从而可以进行自动测量。
参 考文 献
[ 1] 沙占 友. 33 / 4 位 自动 量 程数 字万 用 表芯 片 ICL7149 [ J] . 电子技术, 1992( 3) : 36 39.
[ 8] 郭鑫, 张立. 便 携式叶绿 素含量 光电检 测仪 设计[ J] . 电子测量与仪器学报 2009, 23( 4) : 92 96.
[ 9] 原玉 磊, 张超, 杨 宇飞. 一 种基 于单 片机 的授 时系 统 [ J] . 国外电子测量技术, 2010, 29( 12) : 81 84.
Abstract: P resents a method t o amelio rate the no rmal digita l multi met er and make it auto contro lled equipment. I CL 7106 and similar A/ D co nv erter chips ar e the measurement kernels of nor mal multi meter s. With an inter face betw een the ICL7106 A / D chip and M CU , M CU is able to o bta in measurement data fr om t he dig ital multi met er, and, t hus, it can co nt rol the measurement pro cess using relay s to manipulating the r ang es and pow er. W ith additional co mmunicatio n int erfaces, M CU is able to co mmunicate, sy nchro nize and co wo rk with o ther equipment implementing auto measurement. Keywords: do uble int eg ra l A / D co nv erter chip; ICL 7106; auto measurement; mult i meter
Design of digital multi meter auto measurement system
Xu Wei1 H uang Bow en2 G uan Y udong2 ( 1. Beijing In st it ut e of A ut omat ic Cont rol Equipm ent , Beiji ng 100039; 2. C ol lege of In format ion Engineering, H arbin In st it ut e of T ech nology, Harbin 150001)
0引 言
1 系统总体设计
数字万用表简单易用、携带方便, 在电力电子等领域 得到广泛的应用。常见的数字万用表通常使用 ICL7106 等 A/ D 转换器实现测量, 并直接驱动段式液晶 输出[ 1 2] 。 随着人们对测量测试自动化的需求、对更高效率的追求, 人们希望数字万用表还能够拥有与其他设备通信连接的 接口, 通过该接口实现自动控制、数据传输, 从而能够获得 连续多次测量的结果、使得整个测试过程自动化、并可以 实现远距离操作等功能[3 4] 。
[ 5] 郭志 友, 孙慧 卿, 张友. 自 动换 量限 的便 携式 测磁 仪 [ J] . 中国仪器仪表, 2002( z1) : 22 24.
[ 6] 林华清, 陈华章. 数字式 海水盐 度计的 研制 [ J] . 广东 工业大学学报, 2002, 19( 3) : 43 45, 49.
[ 7] 江和, 张培铭, 翁桂华. 基于无线通信的高压设备温度 监测系统 的 设 计 [ J] . 仪 器 仪 表 学 报, 2009, 30 ( 9) : 1969 1975.