简易万用表的设计

东北石油大学课程设计2012年6 月25日东北石油大学课程设计任务书课程电子技术课程设计题目简易万用表的设计专业测控技术与仪器姓名曾润学号100601240305主要内容：本课题主要设计由集成运放组成的简易数字万用表，实现多级量程的直流电压测量、交流电压测量、直流电流测量、电阻测量以及电容测量电路。

主要内容包括系统的设计原则、总体方案、单元电路的设计、参数计算、元器件的选择及系统概述等。

基本要求：(1)设计由集成运放组成万用电表。

(2)至少能测量电阻、电流和电压。

主要参考资料：[1]刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录[M].北京：高等教育出版社，1957.15-18.[2] 刘润华,刘立山.模拟电子技术[J].自动化,2003.203-207[3] 郁汉琪,数字电子技术实验及课题设计.,北京:高等教育出版社,1995.150-153.[4] 康华光.电子技术基础:模拟部分. 北京:高等教育出版社,1988.104-107.[5] 常健生,检测与转换技术,机械工业出版社,2000年2月.56-579.[6] 阎石,数字电子技术基础,高等教育出版社,1998年12月.49-56.[7]万嘉若,林康运，电子线路基础，高等教育出版社,1986年3月.79-83.完成期限2012.6.25—2012.7.4指导教师路敬祎（副教授）曹广华（教授）2012年6 月25 日目录一、设计要求 (1)二、方案设计 (1)1、方案说明 (1)2、方案论证 (2)三、单元电路设计、参数计算和器件选择 (3)1、单元电路设计 (3)2、参数计算 (5)3、器件选择 (8)四、系统硬件电路设计 (8)五、电路焊接练习 (9)1、两管闪光灯电路 (9)2、占空比和频率可调的脉冲发生器 (10)3、收音机 (11)六、总结 (13)参考文献 (14)简易万用表的设计一、设计要求(1)设计由集成运放组成万用电表。

(2)实现多级量程的直流电压测量，其量程范围是200mv、2v ,20v,200v和500v。

(3)实现多级量程的交流电压测量，其量程范围是200mv、2v ,20v,200v和500v。

(4）实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是2mA ，20mA，200mA、2A、20A。

(5）实现多级量程的电阻测量，其量程范围是200k、2k ,20k,200k和2M。

二、方案设计1、方案说明首先以A/D转换器(MC14433)为核心，设计一个多档的直流电压测量电路，再在此基础上对电路进行扩展,使其能多量程的测量交流电压、直流电流和电阻的测量电路。

其原理框图如图1所示:图1 数字万用表原理框图所以本设计可以分为直流电压测量电路；交流/直流转换电路；电流/电压转换电路；电阻/电压转换电路；功能控制和数据显示电路这五个的主要电路模块。

2、方案论证(1)A/D转换电路方案一：采用ICL7106。

ICL7106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 1/2位数字电压表。

但是ICL7106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 1/2位双积分式A/D转换器,与ICL7106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，便于与单片机相连构成智能控制系统。

所以采用方案二。

(2)交流/直流转换电路方案一：半波整流电路。

利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，且能满足设计要求。

方案二：采用真有效值转换芯片,性能参数方面也都能满足设计要求,并且还能测量非正弦波，但一般真有效值转换芯片价格比较贵。

鉴于此，故采用方案一。

三、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计(1) 直流电流测量电路,如图2所示：图2 数字万用表直流电流测量电路原理图图中VD1、VD2为保护二极管，当基本表IN+、IN一两端电压大于2OOmV 时，VD1导通，当被测量电位端接入IN一时，VD2导通，从而保护了基本表的正常工作。

R2～R5、RC.分别为各挡取样电阻，组成电流-电压转换器(I/U)，即测量时，被测电流△在取样电阻上产生电压，从而得到了被测电流的量值。

(2) 直流电压测量电路，如图3所示：该电路是由电阻分压器所组成的外围电路和基本表构成。

把基本量程为200mV的量程扩展为五量程的直流电压挡。

图中斜线区是导电橡胶，起连接作用。

图3 数字万用表直流电压测量电路原理图(3)交流电压测量电路，如图4：图4 数字万用表交流电压测量电路原理图图中，C1为输入电容。

VD11、VD12是C1的阻尼二极管，它可以防止C1两端出现过电压而影响放大器的输入端。

R21是为防止放大器输入端出现直流分量而设计的直流通道。

VD5、VD6互为反向连接，起“守门”作用，防止输入至运算放大器062的信号超过规定值。

运算放大器062完成对交流信号的放大，放大后的信号经C5加到二极管VD7、VD8上，信号的负半周通过VD7，正半周通过VD8，完成对交流信号进行全波整流。

经整流后的脉动直流电压经电阻R26、R31和电容C6、C10组成的滤波电路滤波后，在R27、RP4上提取部分信号输人至基本表的输人端IN+。

(4)交流电流测量电路交流电流测量电路与交流电压测量电路基本相同。

只需将图中的分压器改成分流器即可。

故其分流电阻与直流电流挡共用，耦合电路及其后的电路与交流电压测量电路共用。

(5)直流电阻测量电路，如图5：下图为数字万用表直流电阻测量原理图，电阻测量原理是利用被测电阻和基准电阻串联后接在基准电压源上，被测电阻上的压降作为基本表的电压输入端，通过选择开关改变基准电阻的大小，可以实现多量程电阻测量，原理接线如图：图5 直流电阻测量电路原理图2、参数计算（1）模数(A/D)转换与数字显示电路数字信号与模拟信号不同，其幅值(大小)是不连续的。

这种情况被称为是“量化的”。

若最小量化单位(量化台阶)为∆，则数字信号的大小一定是∆的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。

但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换(译码)后由数码管或液晶屏显示出来。

例如，设∆=0.1mv ，我们把被测电压U 与∆比较，看U 是∆的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N (二进制)。

一般情况下，N ≥1000即可满足测量精度要求(量化误差≤1/1000=0.1%)。

（2）多量程数字电压表原理在基准数字电压表头前面加一级分压电路(分压器)，可以扩展直流电压测量的量程。

如图6所示，U0为电压表头的量程(如200mV)，r 为其内阻(如10MΩ)，r1、r2为分压电阻，U10为扩展后的量程。

图6 分压电路原理由于r>>r2，所以分压比为21200r r r U U i += （1）扩展后的量程为02210U r r r U i += （2）实际数字万用表的直流电压档电路为图7所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。

例如：其中200V 档的分压比为001.010*********==+++++M k R R R R R R R其余各档的分压比可同样算出。

实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。

如先确定 M R R R R R R 1054321=++++＝总再计算2000V 档的电阻K R R 10001.05＝总= 再逐档计算4R 、5R 、2R 、1R 。

尽管上述最高量程档的理论量程是2000V ，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为1000V 。

（3）多量程数字电流表原理测量电流的原理是：根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。

如图8，由于r<<R ，取样电阻R 上的电压降为i i U I R = （3）即被测电流 i i U I R = （4）图7 使用分压电路图8电流测量原理若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻(也称分流电阻)为 00U R I = （5）如U0=200mV ，则I0=200mA 档的分流电阻为R=1Ω。

实际数字万用表的直流电流档电路为图9所示:如图9中各档分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最大电流档的分流电阻5R)(1.022.050Ω===m s I U R （6）图9 实用分流器电路再计算下一档的4R)(9.01.02.02.05404Ω=-=-=R I U R m （7）依次可计算出5R 、2R 和1R 。

图中的BX 是2A 保险丝管，电流过大时会快速熔断，超过流保护作用。

四、系统硬件电路设计1工作原理在测量时先把被测量通过不同的转换器转换成直流电压，然后再用数字电压表进行电压测量，从而得到被测量的数值. 的测量过程是利用A/D （模/数）变换器将被测的模拟电压变换成相应的数字量，然后通过电子计数器计数，最后把被测电压值以十进制数字形式直接显示在显示器上。

2.原理电路图，如图10所示：图10 原理电路图系统需要的元器件清单，如表1：表1 元器件清单五、电路焊接练习1、两管闪光灯电路（1）两管闪光灯电路，如图11所示：图11 两管闪光灯电路（2）原理说明当给电路通电瞬间，电源正极通过电阻R1和R2给电解电容C1充电，此时C1两端电压由0V往上升，也就是555的②、⑥脚电压从0V往上升，根据②脚电压小于1／3电源电压时⑧脚输出高电平，这时发光二极管LEDl灯亮，LED2灯灭，当C1上电压上升至4V时，555的6脚电压达到了2／3电源电压，555电路翻转，⑧脚输出低电子，LEDl灯灭，而LED2灯亮，此刻⑦脚电位为0V，C1上的电荷通过R2向⑦脚0V放电。

当C1放电到2V，即555的②脚电位降至1／3电源电压时，⑧脚又输出高电平，LEDl 灯亮，而LED2 灯灭，⑦脚又开路，电源又开始通过R1和R2向C1充电，又重复—上述过程。

所以LEDl和LED2交替闪亮。

（3）焊接情况在老师简单介绍了电路图和注意事项后，开始了第一个电路图的焊接，虽然元件不多，电路图很简单，但是各元件之间的连接很复杂，期间遇到了不少问题。

一开始我直接用元件上多余的导线与其他元件相连，没有考虑到短路的情况，结果很不理想，后来又焊了一次，用绝缘导线进行两元件的连接，才发现好一点，但由于不太细致，加上电路板空间不足，导致仍然没有达到预期效果。

2、占空比和频率可调的脉冲发生器（1）占空比和频率可调的脉冲发生器电路图，如图12所示：图12占空比和频率可调的脉冲发生器（2）原理说明IC1为阈值检测器，IC2为积分器，它的输出为三角波。

IC1输出正向电压使IC2输出负向三角波。