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曾润学号100601240305
主要容：
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]国钧，绍业，王凤翥.图书馆目录[M].：高等教育，1957.15-18.
[2] 润华,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.,:高等教育,1995.150-153.
[4] 康华光.电子技术基础:模拟部分. :高等教育,1988.104-107.
[5] 常健生,检测与转换技术,机械工业,2000年2月.56-579.
[6] 阎石,数字电子技术基础,高等教育,1998年12月.49-56.
[7]万嘉若,林康运，电子线路基础，高等教育,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）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，其量程围是2mA ，20mA，200mA、2A、20A。

(5）实现多级量程的电阻测量，其量程围是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，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
212
00r 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
4
R
)(9.01.02.02
.05404Ω=-=-=
R I U R m （7） 依次可计算出
5
R 、
2
R 和1
R 。

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。

当负向三角波达到某一值时其正反馈量使IC1翻转，输出变为负，从而引起IC2输出正向三角波。

由此周而复始，IC1的输入偏置电压和输出饱和电压决定三角波的幅值。

IC3为电压跟随器，100K电位器提供可变的参考电压。

改变参考电压可改变比较器输出脉冲的占空比，而且输出频率不变。

调节10K 的变阻器可改变比较器输出脉冲频率。

（3）焊接情况
在第一个的基础上，焊第二个时速度明显变快了，其间也遇到了一些新的问题。

由于有的元器件之间位置没有调整好，间隙过小，加上技术不够成熟，出现了桥接的情况，导致短路，后来在老师的指导下用锯子割开。

总体来说，焊的较电路一要平整光滑些，电路关系更加明确，最后焊接很成功，在示波器上出现了稳定的方波。

3、收音机
（1）电路图如图13所示：
图13 收音机电路图
（2）原理说明
收音机是把广播电台发射的无线电波中的音频信号取出来，加以放大，然后通过扬声器还原出声音。

具体讲：从天线（磁棒具有聚集电磁波磁场的能力，而天线线圈是绕在磁棒上）接收到的许多广播电台的高频信号，通过输入回路（为并联谐振回路，具有选频作用）选出其中所需要的电台信号送入变频级的基极，同时由本机振荡器产生高频等幅波信号，它的频率高于被选电台载波，也送于变频级的发射极，二者通过晶体管be结的非线性变换，将高频调幅波变换成中频调幅波信号。

在这个变换过程中，被改变的只是已调幅波载波的频率，而调幅波的振幅变化规律（调制信号即声音）并未改变。

变换后的中频信号通过变频级集电极接的LC并联回路选出中频调幅信号，被送到中频放大器放大后，再送入检波器进行幅度检波，从而还原出音频信号，然后通过低频电压放大和功率放大，再去推动扬声器，还原出声音。

（3）焊接情况
由于焊收音机时电路板上直接画着电路，包括各元件的位置，虽然元件很多，但较之前面来说在个人发挥上要简单许多，可是在焊接技术上要求又高很多。

尤其是焊芯片时，各引脚间距离狭窄，很难保证不短路，必须十分小心，很费时间。

其他元件都很好焊，所以在老师的详细讲解下，很快就焊接完毕。

但发现出来的只是噪音，经检查，发现天线还未安装，在接完天线后果然出来音乐声。

六、总结
本课题设计的数字万用表具有以下几点特点：
（1）．测量速率快
数字万用表在每秒钟对被测电压的测量次数叫测量速率，单位是“次/秒”。

它主要取决于A/D转换器的转换速率。

一般数字万用表的测量速率为2~5次/秒。

（2）．输入阻抗高
电压挡具有很高的输入阻抗，通常为10~10000MΩ，从被测电路上吸取的电流小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源阻引起的测量误差。

（3）．集成度高，微功耗
采用CMOS大规模集成电路的A/D转换器，整机功耗很低。

（4）．保护功能完善，抗干扰能力强
具有比较完善的保护电路，过载能力强。

课题的实用价值：
数字万用表是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量，已被广泛应用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测量领域，示出强大的生命力。

随着时代科技的进步，数字万用表的功能越来越强大，把电量及非电量的测量技术提高到崭新水平。

为了设计更人性化，可以朝智能方面发展，也可以将万用表设计得更精准小巧。

收获和体会：
在设计这样一个课题后，使我最自己的专业有了更深入的认识，也进一步将课本上的容运用到解决实际问题上来，这些天以来，也认真学习了简易万用表的部电路组成，知道了它的工作原理。

总体来说，最大的收获是提高了自我学习的能力，同时在焊接电路时，也增强了动手能力，相信对以后在专业学术上的发展有着辅助作用。

参考文献
[1]国钧，绍业，王凤翥.图书馆目录[M].：高等教育，1957.15-18.
[2] 润华,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[M],：高等教育出版,1995.150-153.
[4] 康华光.电子技术基础:模拟部分[M].：高等教育,1988.104-107.
[5] 常健生,检测与转换技术[M],：机械工业,2000年2月.56-579.
[6] 阎石,数字电子技术基础[M],：高等教育,1998年12月.49-56.
[7]万嘉若,林康运，电子线路基础[M].：高等教育,1986年3月.79-83.
[8]康华光，电子线路基础[M].：高等教育,1982年6月.103-104.
[9]自美，电子线路设计[M].：华中科技大学,2000年5月.92-99.
东北石油大学课程设计成绩评价表
指导教师：年月日。