基于单片机的高精度数字万用表_彭洪涛

[1] 冯占岭.数字电压表及数字多用表检测技术[M].北京:中国计量出版社,2003. [2] 杜虎林.数字万用表实用测量技法与故障检修[M].北京:人民邮电出版社,2003. [3] 林占江,张乃国.电子测量技术[M].北京:电子工业出版社,2003. [4] 卢文科.电子检测技术[M].北京:国防工业出版社,2002. [5] 刘国林,殷贯西.电子测量[M].北京:机械工业出版社,2003.
V
式中， n 为每周期 采样点数， vi 为第 i 次采样的电压瞬 时值。 上述算法对 应的程序流程如 图 8 所示。 假设信 号周期为 T， 则两 次采样之间的时 间间隔为 T/n。 相位检测通 过检测不同相的 过零时间间隔来 实现， 电阻测量对 应的电压为恒定
I out I R11 IU 3
R2 10K Vin R1 10K R3 10K U1A 1 D1 6 5 B R4 10K
8
1
1.1
硬件电路设计
硬件整体框图
2 3 A
U1B 7
8
Vout
系统原理框图如图 1 所示，包括电压测量模 块、电流测量模块、相位检测模块、电阻测量模 块、参数设置模块、显示模块、报警模块、通讯 模块以及数字信号处理器等部分，其中参数设置 模块用于设置一些参数， 以提高仪表的适用范围。
在电力系统中， 电压和电流是两个基本参数。 但是随着越来越多的开关电器的使用，电网中包 含的谐波越来越多，波形畸变也日趋严重。为了 有效地监控电网的质量，必须对电网的电压和电 流进行更快的采样。原来普遍采用直流采样，由 于测量精确度直接受整流电路的影响、整流电路 参数调整困难、受波形因素影响大等缺点，已经 无法适应该要求了。为此有必要研制一种基于微 处理器的，能快速准确测量复杂多变电信号的万 用表。 本文介绍了基于单片机的数字万用表，包括 系统的主要硬件电路和程序流程， 实验结果表明， 本文所设计的数字万用表不仅能够实现电压和电 流的真有效值的瞬时测量，而且还具有低值电阻 及相位的测量功能。
求和运算
否
已采 n 个点？ 是 开方运算
结束
1.5
多量程电路
图8
真有效值计算程序流程
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机电技术
2013 年 6 月
电压，它们的测量计算原理均较简单，本文就不 再赘述了。
3
结语
通过硬件上采用精密整流电路，软件上采用 真有效值算法，本文所设计的数字万用表具有高
参考文献：
精度的特点。实验结果表明，该万用表直流电压 测量精度为 0.1%，交流电压测量精度为 0.8%， 直流电流测量精度为 0.5%， 交流电流测量精度为 1%，均达到预期的设计目标。
作者简介：彭洪涛(来自百度文库977－)，男，工程师，从事高速公路机电工程方面的研究工作。
4
第3期
彭洪涛：基于单片机的高精度数字万用表
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1.3
过零检测电路
图 4 所示为过零检测电路，其输出信号可用 于计算三相之间的相位。当 Vin>0 时，比较器 U2 的同相输入端电位高于反相输入端，输出为高电 平；反之，输出为低电平。输入信号和过零信号 波形如图 5 所示。
Q2 Q1 R10 R11 Iout
1 n 2 vi n i 1
开始
选择 A/D 通道
1
启动 A/D 转换 否
3 U3 TL431
2
转换已完成？ 是 平方运算
图6
恒流源电路
由于 TL431 的钳位作用，R11 两端的电压固 定为 2.5 V，通过 R11 的电流也相应恒定。Q1、 Q2 构成复合管，其电流增益很大，Q1 所需的电 流很小，因此通过 U3 的电流也基本不变。所以 输出电流 Iout 可以保持恒定。
电压测量模块 电流测量模块 相位检测模块 电阻测量模块 微 处 理 器 显示模块
图2
图3
4
具有放大功能的精密整流电路
精密整流电路输入输出波形
图1
系统原理框图
1.2
精密整流电路
电压信号经过精密整流之后进入数字信号处 理器的 A/D 口经过 A/D 转换后进行计算。 电流信 号经过采样电阻后转为电压信号，后续处理过程 与电压信号相同。
(上接第 21 页)
参考文献： [1] 李建平.中国粉体造粒技术现状与展望[J].中国粉体工业,2005(5):17-20. [2] 马慕尚.影响圆盘造粒的因素[J].磷肥与复肥,1994(2):62-64. [3] 于杰栋,睢相林.无极变速技术的发展与展望[J].机电工程技术,2004,33(2):10-11. [4] 吕凯.变频器的控制及选型[J].应用技术,2006(9):76-77. [5] 张静辉,许成方.浅谈交流变频调速技术的优势及应用[J].黑龙江科技信息,2007(19):47. [6] 王佰成,代尔米,何丽红.化肥生产中的圆盘造粒设备的技术改造[J].吉林化工学院学报,2004,21(2):88-89.
Vout 3 ( R8 R9 ) Vin ( R6 R7 R8 R9 ) R9 Vin ( R6 R7 R8 R9 )
图4
过零检测电路
Vout 4
取 R6=9 MΩ，R7=900 kΩ，R8=90 kΩ，R9=10 kΩ，则：Vout1= Vin，Vout2= Vin /10，Vout3= Vin /100， Vout4= Vin /1000。可见在微处理器能够处理的最大 电压一定的情况下，各相邻档对应的最大输入电 压分别相差 10 倍。
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机电技术
2013 年 6 月
基于单片机的高精度数字万用表
彭洪涛
(福建新大陆电脑股份有限公司，福建 福州 350001) 摘 要：设计了基于单片机的具有电压、电流、相位以及电阻等电参量的测量功能的数字万用表。介绍了主要的硬
件电路设计和软件设计主要原理及流程，实验结果表明该仪表具有测量精度高的优点。 关键词：单片机；高精度；数字；万用表 中图分类号：TM938.1+2 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2013)03-022-03
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图5 输入信号和过零信号波形
软件设计
1.4
电阻测量电路
电阻测量的原理是测量电阻两端的电压及流 过电阻的电流，两者之间的比值即为电阻值，提 高电阻测量精度的关键是获得恒定的电流。图 6 所示为电阻测量模块所采用的恒流源电路。图中 输出电流：
VCC
考虑到电压电流信号通常都含有谐波分量， 为了准确测量其有效值，应采用真有效值算法进 行计算。 不管原始信号是电流信号还是电压信号， 进入 A/D 转换器时都已转换成电压信号，所以下 面分析对电流测量和电压测量均适用。计算真有 效值的离散算法如下：
VCC Vin D2 D3 4 R5 1 OUT
图 7 所示为多量程电路，用于增大仪表的测 量范围以及提高小信号的测量精度。
Vin R6 Vout1 9M R7 Vout2 900K R8 Vout3 90K R9 Vout4 10K
图7
电压挡分压电路
3 2 8
U2A
由于输出节点之后接有缓冲放大器，其输入 阻抗极大，吸取的电流非常小，可以忽略不计， 所以可以认为： ( R7 R8 R9 ) Vout 2 Vin ( R6 R7 R8 R9 )
图 2 所示为具有放大功能的精密整流电路， 用于将交变信号整成数字信号处理器能够处理的 直流信号，和传统的二极管整流电路相比，其没 有导通压降，不会造成信号失真。其工作原理为： 当 Vin<0 时，电流从运放 U1 的第 1 脚经过 D1、 R2 和 R1 流向 Vin，运放 U1 的第 2 脚电位与第 3 脚电位相等，为零电位。令 R2=R1，则 U1 的第 5 脚电位等于-Vin。当 Vin>0 时，由于二极管 D1 的 止逆作用及 U1 第 5 脚的虚断作用，没有电流在 R1 和 R2 上流过， 所以 U1 的第 5 脚电位等于 Vin。 U1B 及其外围电路则构成电压放大电路，放大倍 数为 1+R4/R3。Vout 与 Vin 波形关系如图 3 所示， 其中黄色为 Vin 波形，蓝色为 Vout 波形。