智能台式数字万用表的设计【文献综述】

文献综述

电气工程及其自动化

智能台式数字万用表的设计

1．前言

数字万用表亦称为数字多用表（Digital Multimeter，简称DMM），是目前在电子测量及维修工作中最常用、最得力的数字仪表。数字万用表作为电子测试领域不可缺少的产品之一，应用范围最为广泛。数字万用表是利用模/数转换原理，将被测量数据转化为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种测量仪表。数字万用表迄今已有几十年的发展历史，最初它是由电子管或晶体管等分立元件构成的，然后逐步向高精度、多功能、集成化、智能化的方向发展。近年来，由大规模集成电路构成的单片数字万用表和高档智能数字万用表大量问世，标志着电子测量领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河。数字万用表具有很高的性价比，与指针式万用表相比，新一代数字万用表具有精度高、速度快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、抗干扰能力强，测量自动化程度高等优点，因而被广泛应用，得到工程师的青睐。

2．发展现状

科学是从测量开始的——这是19世纪著名科学家门捷列夫的名言。到了21世纪的今天，作为信息产业的三大关键技术之一，测试测量行业已经成为电子信息产业的基础和发展保障。而测试仪器作为测试测量行业发展不可或缺的工具，在测试测量行业的发展中起到了巨大的作用。近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也极大地推动了测试测量仪器和设备的快速发展。现代检测和传感技术、显示技术、数字信号处理技术和系统理论的研究，也为测试测量仪器的数字化、智能化创造了条件。

80年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展。

90年代，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步更深

刻地影响仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。

近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。

国际上智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿，其精度可达到±0.1％FS；美国RACA-DANA公司的9303型超高电平表，利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声，测量电平可低达-77dB；美国FLUKE公司生产的超级多功能校准器5520A，内部采用了3个微处理器，其短期稳定性达到1ppm，线性度可达到0.5ppm；美国FOXBORO公司生产的数字化自整定调节器，采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数迅速地整定调节器。这种调节器特别适合于对象变化频繁或非线性的控制系统。由于这种调节器能够自动整定调节参数，可使整个系统在生产过程中始终保持最佳品质。

智能仪器朝着微型化、多功能化、人工智能化、网络化、虚拟仪器发展。

1．微型化与多功能化。微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等技术的综合应用，使仪器朝体积小、功能齐全的智能仪器发展。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。

2．人工智能化。人工智能是计算机应用的一个崭新领域，智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在没有人操纵的情况下自主完成检测或控制功能。人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。

3．网络化。伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向工业控制和

智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。

4．虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段。测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”。传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。

3．智能台式数字万用表的结构

智能数字万用表主要由输入电路、电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路、模拟开关电路、单片机控制电路、LED显示电路等组成。智能台式数字万用表的电路方框图如图1所示。本原理框图利用I—V转换器、R—V转换器、u—V转换器，组成电流测量电路、电阻测量电路、电压测量电路，再将模拟电压输入AVR单片机，经A/D转换，驱动LED显示。并利用单片机经多路开关CD4051来进行量程的自动选择。

图1 原理框图

4．小结

电子技术特别是检测和控制技术的飞速发展，使数字万用表的自动化水平的提高成为可能，能识别测量功能的数字万用表取代手动操作的数字万用表是必然趋势。将测控技术的发展成果应用到数字万用表设计中，对传统数字万用表的结构进行改造，用先进的计算机控制技术代替传统的机械功能/量程选择开关，研制最先进的高度智能化的数字万用表具有重要意义，对于提高我国在仪表制造业方面的国际影响力和数字万用表在国际市场上的竞争力将发挥重大作用。

参考文献

[1]丁化成，耿德根，李君凯. AVR单片机应用设计[M].北京航空航天大学出版社，2002

[2] 沙占友.数字万用表业余制作与检修指南[M].人民邮电出版社，1992

[3] 耿德根，宋建国，马潮，叶勇建.AVR高速嵌入式单片机原理与应用[M].北京航空航天大学出版社，2001

[4] 王汝君，钱秀珍.模拟集成电子电路上册[M].东南大学出版社，1993

[5] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M]，第四版.高等教育出版社，1998