四位半的数字万用表

电子测量原理课程设计报告

——数字万用表设计作者：

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目录

一、设计思路 (3)

二、设计原理 (4)

1、DMM调理网络 (4)

1）多量程交流电压测量原理 (4)

2）多量程数字电流表 (6)

3）多量程电阻测量 (7)

4）二极管测量电路 (8)

5）通断测试电路 (9)

2、数字电压表的设计 (10)

1）多量程直流电压测量 (10)

2）模数（A/D）转换芯片的选择 (11)

3）单片机简介及本设计单片机的选择 (14)

4）各种显示器件的介绍和选择 (15)

5）电源模块的设计 (19)

三、项目准备 (21)

1、职责分工 (21)

2、后期准备 (21)

摘要

本次设计的核心是采用AD转换芯片ICL7135和单片机芯片AT89S52设计四位半数字万用表（DMM），能够测量交、直流电压值(AC、DC) 、直流电流、电阻，采用LCD液晶显示测量结果。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、51单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD转换和控制部分组成。为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路使用了ICL7135模数转换芯片，单片机系统设计采用AT89S52单片机作为主控芯片，显示部分用1602液晶。程序每执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。

一、设计思路

数字万用表的基本组成

二、设计原理

1、DMM 网络

1）多量程交流电压测量原理

数字万用表中交流电压测量电路是在直流电压测量

电路的基础上，在分压器之后加入了一级交流-直流

(AC-DC)变换器，右图为其原理简图。 该AC-DC 变换器主要由集成运算放大器、整流二极

管、RC 滤波器等组成，还包含一个能调整输出电压高

低的电位器，用来对交流电压档进行校准之用。调整该

电位器可使数字表头的显示值等于被测交流电压的有效

值。

同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的考虑，

交流电压最高档的量限通常限定为

700V(有效值)。

图2 AC-DC 变换器原理简图

AD737 运用分析：

在本设计中AC/DC转换可以采用图2所示的原理实现。然而出于对测量精度的考虑，本设计中采用AD737芯片进行AC-DC转换。以下为AD737芯片进行AC - DC转换原理及运用, AD737的量程为0~200mV，但是后端A/D网络的输入为0~2V，所以在A/D的输入端需要增加一个直流电压放大，使电压放大到0~2V，以下为AD737A的实现分析。

AD737：

如上图图4为AD737的管脚排列图，图5为RMS-DC变换原理图，AD737就是采用这种原理进行设计的。在本设计中的AD737采用9V单电源供电，原理图如图6所示。

AD737是AD公司推出的真有效值直流变换器。和之前的有效值测量技术不同,真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真实有效值,它不是采用整流加平均测量技术,而是采用信号平方后积分的平均技术。采用AD737可以简化仪器的设计,增加信号测量品种,并且灵敏度、精确度也大大改善。

图6 由AD737构成的真有效值数字电压表电路图（单电源供电）

一个交变信号的有效值的定义为：

这时,VRMS为信号的有效值,T为测量时间,V（t）是信号的波形。V(t)是一个时间的函数,但不一定是周期性的。

对等式的两边进行平方得：

右边的积分项可以用一个平均来近似：

这样式（2）可以简化为：

等式两边除以VRMS得：

这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础、AD公司的真有效值直流变换器也正是采用了这一原理。

对式（4）两边进行开方得：

这样就得到VRMS另一种表示方法。

在实际中公式（5）比公式（6）更有应用价值,因为采用公式（5）将使得器件的动态范围更宽,采用公式（6）,对于一个100:1（0.1～10V）的交变信号来说,平方后的输出的变化范围将为10000:1（1mV～10V）,而使用的平方器电路的误差本身就可能超过1mV,那么,准确率就会和信号的幅度有很大的关系。

2）多量程数字电流表原理

测量电流的原理是：基于欧姆定律实现电流—电压（I—V）的转换，将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量电阻两端的电压，即由R=V/I得到V=R*I，从而得到被测电流。为了实现不同量程的电流测量，选择不同的取样电阻。测量原理图如下图所示：

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R5

R5=2/10=0.2Ω再计算下一档R4=2/2-R5=0.8Ω同理可计算出R3、R2、R1。

BX是保险丝，当电路的电流超过10A时，会快速熔断，起到过流时对电路的保护作用。与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封硅整流二极管，起双向限幅过压保护的作用。当电路两端电压超过2.1V时，二极管导通，两端电压被限制在2.1V以内，保护仪表不会损坏。

测量电阻的原理是：用一个恒压源流过被测电阻，

测量原理图如左图所示

恒压源提供电压，通过电阻，从而得到基准点呀Uref。从原理图可知

U0=-Rx*Ur/R1，从而得出Rx=-U0*R1/Ur。将U0作为A/D转换器的输入，并将Ur直

接作为A/D转换器的参考电压，实现比例测量。

各量程分电阻的计算如下：对200Ω档，取R01=100Ω，小数点定在十位上。当Rx=100Ω时，表头就会显示出100.0欧姆。当Rx 变化时，显示值相应变化，可以从0.01Ω测到199.99Ω。

又如对2kΩ档，取R02=1kΩ，小数点定在千位上。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.0001kΩ测到1.9999kΩ。

4）二极管测量电路