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

上图中电路接法的关键是：在1K 基准电阻上必须流过1mA 电流，这时在1K 电阻上刚好产生1V 基准电压，表头的量程变成2V，可以直接用来测量二极管的正向导通电压值。

当用来测量阻值≤70Ω的电阻值时流过电阻的电流≥1.3mA，在电阻上的电压降≤100mV，而在该测量档位BZEN 通过转换开关接V+，满足发声条件，BZ 端子输出方波信号驱动蜂鸣器发声。

5）通断测试电路

通断检测时,内部产生0.4V 电压（相对于AGND）由R1 输出，经PTC 加到通断待检测点。开关1和2 是拨盘档位开关，通断检测时合上，Rx 取得电压VRx，经R2 输入。由图可知，Rx=（R1+PTC）/50。因此，PTC 的阻值会影响到通断检测的电阻的上限值。当不接PTC 时，若R1 为1kΩ,则蜂鸣器发声的电阻小于30Ω。

6）蜂鸣器驱动电路

本设计采用高阻蜂鸣器接法。

2、数字电压表的设计

1）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2.2所示，U0为电压表头的量程(如200mV)，r 为其内阻(如10M Ω)，r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。

分压电路原理

由于r>>r2，所以分压比为

212

00r r r

U U i +=

扩展后的量程为

02

2

10U r r r U i +=

多量程分压器原理电路见下图，5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为2000V 、200V 、20V 、2V 和200mV 。

实际数字万用表的直流电压档电路为下图所示，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R4、R3、R2、R1。

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 。

换量程时，多刀量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。

2）模数（A/D ）转换芯片的选择

在本设计中，模数（A/D ）转换模块是一个重要的模块，它关系到最后数电压表电压值的精确度。所以，A/D 芯片的选择是设计过程中一个很重要的环节。（1）常用的A/D 芯片简介

常用的A/D芯片有AD0809，AD0832，TLC2543C，ICL7135等几种。下面简单介绍一下这三种芯片。

AD0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它是由一个8路的模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。些A/D转换器是的特点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。

AD0832也是8位逐次逼近型A/D转换器，可支持致命伤个单端输入通道和一个差分输入通道。它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输入通道。

TLC2543C是12位开关电容逐次逼近A/D转换，每个器件有三个控制输入端，片选，输入/输出时钟以及地址输入端。它可以从主机高速传输转换数据。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。

ICL7135是十四位的双积分A/D转换芯片,可以转换输出±20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零).

根据本课题的需要，我们选择ICL7135A/D转换芯片。

（2）ICL7135A/D转换芯片简介

ICL7135引脚图

ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图2所示

ICL7135引脚功能及含义如下:

①与供电及电源相关的引脚(共7脚)

.-V:ICL7135负电源引入端,典型值-5V,极限值-9V;

.+V:ICL7135正电源引入端,典型值+5V,极限值+6V;

.DGND:数字地,ICL7135正,负电源的低电平基准;

.REF:参考电压输入,REF的地为AGND引脚,典型值1V,输出数字量

=10000×(VIN/VREF);

.AC:模拟地,典型应用中,与DGND(数字地)"一点接地";

.INHI:模拟输入正;

.INLO:模拟输入负,当模拟信号输入为单端对地时,直接与AC相连.

②与控制和状态相关的引脚 (共12脚)

.CLKIN:时钟信号输入.当T=80ms时,fcp=125kHz,对50Hz工频干扰有较大抑制能力,此时转换速度为3次/s.极限值fcp=1MHz时,转换速度为25次/s.

.REFC+:外接参考电容正,典型值1μF.

.REFC-:外接参考电容负.

.BUFFO:缓冲放大器输出端,典型外接积分电阻.

.INTO:积分器输出端,典型外接积分电容.

.AZIN:自校零端.

.LOW: 欠量程信号输出端,当输入信号小于量程范围的10%时,该端输出高电平. .HIGH:过量程信号输出端,当输入信号超过计数范围(20001)时,该端输出高电平. .STOR:数据输出选通信号(负脉冲),宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次A/D转换

结束时,该端输出5个负脉冲,分别选通由高到低的BCD码数据(5位),该端用于

将转换结果打到并行I/O接口.

.R/H:自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时;每隔40002个时钟脉冲自动启

动下一次转换;当输入为低电平时,转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲,才能启动下一次转换.

.POL:极性信号输出,高电平表示极性为正.

.BUSY:忙信号输出,高电平有效.正向积分开始时自动变高,反向积分结束时自动变低.

③与选通和数据输出相关的引脚(共9脚)

.B8～B1:BCD码输出.B8为高位,对应BCD码;

.D5:万位选通;

.D4～D1:千,百,十,个位选通.

ICL7135主要参数：

由于本芯片内部没有基准电压，根据需要，我们在外电路输入1V的基准电压，电路原理图如下所示：

3）单片机简介及本设计单片机的选择

(1)常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择

我们选择由单片机系统及数字芯片构建的方法来我们本次设计的数字电压表。

在这一设计中，我们涉及到了一个关键系统模块——单片机系统模块，而目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的8位单片机和高性能的32位单片机，结合本设计各方面因素，8位单片机对于本设计已经是绰绰有余了，但将用哪一种类8的单片机呢。在这里，不得不先简单的介绍一下几种常用的8单片机。

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU，内存，总线系统等。而目前常用的单片机的8位有51系列单片机，AVR单片机，PIC单片机。

应用最广的8位单片机还是intel的51系列单片机。51系列单片机的特点是：硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，世界有许多芯片公司都买了51的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得芯片的运行速度变得更快，性价比更高。

AVR单片机是atmel公司推出较新的单片机，它的显著特点是：高性能，低功能，高速度，指令单周期为主，但性格方面比51单片机要高。有专门的I/O 方向寄存器。虽然有转强的驱动电压，但I/O口使用不比51单片机方便。

PIC单片机系列是美国微芯公司的产品，也是市面上增长最快的单片机之一，属精简指令集单片机，其特点是：高速度，高性能，但在性格方面比51单片机要高，也有专门的I/O方向寄存器，I/O口使用不比51单片机方便。

综合以上各种单片机的基本性能及本设计的满足需要，我们将选择51系列单片机。

(2)本设计使用的单片机的简介

本设计中选用是51系列的AT89S52，它是低电压、低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，片内振荡器及时钟电路，并与MCS-51系列单片机兼容。在设计中，单片机起着连接硬件电路与程序运行及存储数据的任务，一方面，它将A/D转换器、显示器和语音芯片等通过I/O口地址线和数据线连接起来；另一方面，它将用户下载的程序通过控制总线控制数据的输入输出，从而实现测试的功能。

4）各种显示器件的介绍和选择

(1)常用显示器件简介

本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。

数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。但数码管只能是显示0——9的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。

LED点阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具有高亮度，功耗低，视角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，LED点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。但用LED点阵显示的软件程序设计比较麻烦。

1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些

字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。

12864液晶也是一种工业字符型液晶，它不仅能够显示1602液晶所可以显示的字符，数字等信息，而且还可以显示8*4个中文汉字和一些简单的图片，显示信息也非常的清楚。使用时也直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。不过它的价格比1602液晶贵了很多。

在本设计中，我们只需要显示最后电压的数字值和电压的单位，综合上面各种显示器件的特点：数码管只能显示数字，不能显示单位字符，不符合本设计的要求。而点阵显示器件驱动显示软件程序编写麻烦，占用的引脚相对也较多。也不是理解的显示器件。所以在本设计中，我们考虑用液晶显示器件，虽然12864液晶比1602液晶的功能强，不过在价格方面却贵了好多。而1602液晶也足够满足本设计的需要。因此，在本设计实验我们选择1602液晶显示器件。

(2)1602液晶的参数资料

我们选择了1602液晶做为本设计的显示模块的显示器件。以下是1602液晶的各方面参数：

①接口信号说明：

②基本操作时序：

读状态：输入：RS=0，RW=1，E=1。输出：D0-D7为状态字

写状态：输入：RS=0，RW=0，D0-D7为指令码，E为高脉冲。输出：无

读数据：输入：RS=1，RW=1，E=1。输出：D0-D7为数据。

写数据：输入：RS=1，RW=0，D0-D7为数据，E为高脉冲。输出：无

③状态字说明

4．指令的说明

显示模式设置

显示开/关及光标设置

数据控制：

A/D转换、单片机以及LCD液晶显示总体电路原理图如下

5）电源模块、时钟模块以及继电器的设计

①电源模块

在本次的数字万用表设计中，需要+5V,-5V的供电电源对单片机及AD转换芯片进行供电，还需要1V的高精度电压给AD转换芯片作为参考电压。供电电源采用市场上比较好购买到得9V充电电池。采用7805和7905芯片缠上+5V、-5V 的电压，再结合TL431电压基准芯片产生1V的电压基准。具体设计电路如下图所示：

TL431是通用的电压基准：初始精度1%，可调输出电压范围2.495-36V，工作电流1mA-100mA.最小电流调整1mA。

其原理图如下图所示：

电源原理图

②时钟模块

在本次设计中，A/D转换和单片机需要不同的时钟，单片机的时钟是由晶振产生的，本次设计采用12MHZ的时钟，而A/D转换的时钟是125KHZ，由单片机输出时钟是2MHZ，再采用4040芯片分频。电路原理图如下：

单片机时钟电路 A/D转换时钟电路

③继电器

本设计采用单片机控制电压、电流、电阻、二极管测量选挡，由于分别调节量程比较麻烦，为了操作简洁方便，选用74LS138控制继电器来实现的，

工作流程

I/O

通过1602

如右图