量程自动转换数字万用表设计.docx
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量程自动转换数字万用表设计
学位论文
量程自动转换数字万用表设计
作者姓名：
秦小康
学科专业：
测控技术与仪器
学号：
*********
指导教师：
刘继军（讲师）
完成日期：
2014-06-09
太原工业学院
TaiyuanInstituteofTechnology
诚信申明
本人申明：
本人所提交的毕业论文《量程自动转换数字万用表设计》的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关老师、同学和其他人员对我的论文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本设计和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
特此申明。
本人签名：
2014年月日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
量程自动转换数字万用表设计
系部：
电子工程系专业：
测控技术与仪器学号：
*********
学生：
秦小康指导教师（含职称）：
刘继军（讲师）
1．课题意义及目标
本设计使数字万用表成为了智能化检测仪器，与传统数字万用表相比,提高了测试效率和测试结果的准确性,使用方便。
其中，量程自动转换模块采用程控增益放大器实现。
本设计能够实现以下功能：
第一，量程自动转换；第二，避免万用表被损坏；第三，避免量程选择开关的机械损耗引起的准确度下降。
2．主要任务
（1）明确设计的主要内容：
显示模块、A/D转换模块、量程自动转换模块等的设计
（2）查阅并学习相关文献资料
（3）掌握数字万用表的基本工作原理
（4）掌握自动转换量程的原理
（5）实现设计并仿真
（6）严格按照格式要求撰写论文
3．主要参考资料
[1]张剑平.智能化检测系统及仪器[M].第二版.北京:
国防工业出版社,2009.7.
[2]郭志友.自动换量限的数字万用表[J].仪器仪表学报,2004.2,第25卷（第1期）.
[3]沙占友等.万用表速学巧用一本通[M].第一版.北京:
中国电力出版社,2012.6.
[4]秦辉.全自动数字万用表:
中国,ZL200820301983.2[P].
[5]张华林.MCP41/42系列数字电位器的原理及其应用[J].漳州师范学院学报（自然科学版,2007（第3期）.
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
制定工作计划,掌握课题任务要求，搜集有关资料，完成开题
3月05日～3月11日
2
掌握相关原理和单元电路模块
3月12日～4月01日
3
设计完成整体电路，对电路进行调试，完成中期检查
4月02日～4月24日
4
完成电路设计和仿真
4月25日～6月01日
5
毕业设计资料整改和完善,撰写毕业论文，加深对各个单元电路的理解
6月02日～6月11日
量程自动转换数字万用表设计
摘要
本文主要介绍量程自动转换数字万用表的设计方法。
本设计的主要目的是使数字万用表实现量程自动转换功能。
作为使用者，不必手动选择量程，省去了量程选择过程，数字万用表省去了量程选择旋钮。
量程自动转换功能的过程通过程序控制硬件实现，从而使得测量过程更为方便。
尤其，本设计使数字万用表成为了智能化的仪器，与传统数字万用表相比,提高了测试效率和测试结果的准确性。
其中，量程自动转换模块采用程控增益放大器PGA，用试探法通过采样确定PGA的控制值。
本设计能够实现以下功能：
第一，量程自动转换；第二，避免万用表被损毁；第三，避免量程选择开关的机械损耗引起的准确度下降。
本设计基于AT89C51单片机，是由硬件设计和软件设计两部分组成的。
其中，硬件设计主要包括A/D转换电路、量程自动转换模块设计、单片机控制与显示电路设计、电阻-电压转换电路模块设计、电流-电压转换模块设计。
软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对量程的控制，并且测量结果显示在LED数码管上。
关键词：
量程自动转换，智能仪器，PGA
DesignofAuto-rangedigitalmultimeter
Abstract
The article focusesondescribingthedesignrangedigitalmultimeterdesignedforautomaticconversion.Themainpurposeofthisdesignistomakethedigitalmultimetertorealizeautomaticrangeconversionfunction.Asauser,nottheneedtomanuallyselecttherange,eliminatingtherangeselectionprocess,digitalmultimeteromitstherangeselectorbutton.Theprocessofautomaticrangeswitchingfunctionisrealizedbyprogramcontrolhardware,whichmakesthemeasurementmoreconvenient.Especially,thedesignofthedigitalmultimeterbecomeintelligentinstrument,comparedwiththetraditionaldigitalmultimeter,toimprovetheaccuracyofthetestefficiencyandtestresults.Amongthem,automaticconversionrangemoduleadoptsprogrammablegainamplifierPGA,samplingtodeterminethePGAcontrolvaluesbytrialmethod.Thedesigncanachievethefollowingfunctions:
First,automaticrangeconversion;Second,avoidthemultimeterdamaged;Third,avoidaccuracydeclinecausedbymechanicallossrangeswitch.ThedesignisbasedonAT89C51,consistsofhardwaredesignandsoftwaredesignoftwoparts.Amongthem,thehardwaredesignincludesA/Dconversioncircuit,moduledesign,automaticrangeconversionmicrocomputercontrolanddisplaycircuitdesign,resistancetovoltageconversioncircuitmoduledesign,currenttovoltageconversionmoduledesign.Softwaredesignincludingthemainprogramandeachmoduleofthecontrolprogram,andultimatelytoachievecontroloftherange,andthemeasurementresultsaredisplayedinLEDSegmentDisplays.
Keywords：
Automaticconversionrange,Intelligentinstruments,PGA
1绪论
1.1国内外研究进展
国外研究概况
经过几十年的发展，国外的测量仪器已经是一个成熟的行业，进入21世纪以来，国外仪器仪表行业的发展呈现出一些新的特点：
新技术普遍应用
目前普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术（SMT）等技术。
随着现代计算机技术的高速发展、计算机硬件价格的不断下降，通用硬件平台和虚拟仪器也正在成为趋势。
通用硬件平台主要包括用于数据采集、信号分析处理和信号输出显示等带有共性的硬件，例如微型计算机、A/D和D/A变换器、显示器等，有了这些通用硬件平台，根据不同仪器的具体技术要求，开发出相应的软件，就可以产生不同的测试功能，输出多种测试信号。
虚拟仪器充分利用了微型计算机强大的软硬件技术，可以设计出风格不同的人机操作界面，并且易于随着计算机软、硬件的升级而升级。
虚拟仪器允许用户在通用硬件平台上根据自己的需要构造仪器，充分发挥计算机或数字信号处理器的作用，对仪器功能进行变换组合，因而比实物仪器更具有灵活性。
在当今科技的高速发展中，测量技术和实验手段的现代化己成为科技现代化的重要条件和标志。
随着计算机技术与智能传感技术的不断发展，检测仪器也将朝着“更快、更宽、更深”方向发展。
产品结构发生简化
在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。
注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软化。
随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。
今后的仪器归纳成一个简单的公式：
“仪器=AD/DA+CPU+软件”。
AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。
国内研究概况
八十年代，我国仪器行业受到了国外冲击，承受了巨大压力。
原有的骨干企业大多数不景气，效益滑坡。
先后经历了引进、发展、技术创新三个阶段。
20世纪70年代中期从南韩购置DT830、DT890样机和散件进行研究,生产数量不大,由于国内元器件满足不了要求,加上模具、工艺等方面的差距,发展速度十分缓慢,与国外同类产品相比落后约15年。
但同时高科技民营企业发展迅速，随着深圳万用表工业的飞速发展,目前我国数字万用表的产量已跃居世界首位,每年生产近千万台（块）中、低档数字万用表,并向100多个国家大量出口,占世界中、低档数字万用表总产量的85%以上。
在国内数字万用表的生产厂家中,深圳胜利高电子科技有限公司是最早引进数字万用表生产技术的,所开发的胜利牌（VICTOR）数字万用表不仅在国内外的巿场占有率高,而且享有很高的信誉。
深圳华谊仪表有限公司也开发出一批具有较高水平的智能数字万用表新产品。
但目前,我国所需高档数字万用表仍以进口产品为主。
近年来大家都在积极转变观念，通过不断深化改革，调整企业结构、产品结构，选择了有限目标，稳住和发展量大面广的中、低挡仪器，充分发挥电子测量技术的渗透力和结合力，使得极其困难的仪器行业有了长足的进展。
另外，通过科技攻关、联合开发、合资合作和引进技术消化吸收国产化等多种形式，使中国仪器仪表行业部分中高档主导产品缩小了与国际先进水平的差距，并形成生产能力。
一批国有、集体、民营、三资企业和科研院所通过市场竞争，在行业中脱颖而出，并显现出良好发展势头和后劲，已形成主导、核心力量。
1.2问题的提出
自1977年世界上首台手持式数字万用表问世以来，研究者在万用表的功能和设计上不断创新，新品迭出。
数字万用表是电测技术中的一种常用仪表，它把电子技术、计算技术、自动化技术的成果和电测技术结合在一起，以其操作方便、读数准确、体积小巧、携带方便等优点成为现代测量中不可缺少的仪器。
目前的数字万用表虽然具有很高的灵敏度和准确度,但仍存在不足之处,主要表现在以下几个方面:
（1）没有实现自动化测量。
最突出的问题是在使用中需要经常旋转功能/量程转换开关,操作不便,测量速度慢。
（2）经常被损坏。
数字万用表被烧毁的主要原因是操作者误操作。
例如:
测量电压的时候,误将功能转换开关置于电阻档或置于电流档等。
发生这些情况时,数字万用表很容易被损坏。
虽然在数字万用表电路中增加了保护电路,但保护电路只对误测较低电压有效,当误测较高电压时,一些测量电路和保护电路将同时被烧毁。
所以各种数字万用表使用说明书中均强调不要用数字万用表电阻档测量电压,否则将损坏仪表，但因数字万用表本身对误测缺乏严格的防范措施,此种现象时有发生。
（3）触点接触不良。
功能/量程选择开关属于机械开关,在测量过程中需要人工转动,其弹簧片容易被氧化、损坏和变形而造成弹簧片触点与电路板接触不良,导致数字万用表测量准确度下降,严重时甚至引起失灵。
革除这些弊端一直是设计者苦苦探索但始终未能很好解决的难题。
1.3研究的背景与意义
量程自动选择的数字万用表,除了直观准确的显示测量电压值、减轻应用技术人员工作量、提高效率、高分辨率和高稳定性等优势外，通过加入量程自动选择的功能，使数字万用表成为了智能化的仪器，与传统数字万用表相比,提高了测试效率和测试结果的准确性,使用方便,具有广泛的应用前景。
特别地，随着电子技术特别是检测和控制技术的飞速发展，提高数字万用表自动化水平成为可能，测量量程自动转换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，用先进控制技术代替传统的机械功能量程选择开关，研制世界上最先进的新一代高智能化的数字万用表具有重要的现实意义，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。
1.4主要实现的功能
设计的主要功能是使数字万用表能够自动判断被测量是否超量程，并衰减至相应的测量量程，无需人工选择测量量程。
使用者只需选择测量内容（电阻、电压、电流），通过本设计使数字万用表成为了智能化的仪器，提高了测试效率和测试结果的准确性,使用更加方便。
1.5系统设计方案
测量电阻，将被测量的电阻值转换为直流电压信号给A/D处理显示。
测量电流，将被测量的电流值转换为直流电压信号给A/D处理显示。
由A/D将模拟量转换为数字量，采用AT89C51单片机和程序实现量程自动转换功能，并将确定量程后测量出的数值直观显示到LED。
如图1.1所示。
图1.1量程自动转换数字万用表系统设计方案
1.6万用表的分辨率与精度
（l）分辨率
分辨率也称灵敏度,指数字万用表测量结果的最小量化单位,即可以看到被测信的微小变化。
例如:
如果数字万用表在4V范围内的分辨率是lmV,那么在测量1V的信号时,你就可以看到lmV的微小变化。
数字万用表的分辨率一般用位数或字表示。
数字万用表分辨率是很重要的指标,就像你要测量小于1毫米的长度,你肯定不会用最小单位为厘米的尺子。
一个3位半的表,后三位可以显示三个从0到9的全数字位,前一位只显示一个半位（显示1或显示0）,即3位半的数字表可以达到1999字的分辨率;一块4位半的数字万用表可以达到19999字的分辨率。
用字来描述数字表的分辨率比用位数描述要好。
现在的4位半数字万用表的分辨率已经提高到32000或50000字。
32000字的数字万用表为某些测量提供了更好的分辨率。
例如,一个19999字的表,在测量大于200V的电压时,你不可能显示到0.IV。
而32000字的数字万用表在测320伏特的电压时,仍可显示到0.1V。
在本设计中，根据设计结果，在测量1V的信号时,就可以看到0.01V的微小变化。
即本数字万用表在5V范围内的分辨率是0.01V。
（2）精度
万用表的精度是指在特定的使用环境下,出现的最大允许误差。
换句话说,精度就是用来表明数字多用表的测量值与被测信号的实际值的接近程度。
对于数字万用表来说,精度通常使用读数的百分数表示。
例如,1%的读数精度的含义是数字万用表显示100.OV时,实际的电压可能会在99V到101.OV之间。
在详细说明书中可能会有特定数值加到基本精度中,它的含义就是,对显示的最右端进行变换要加的字数。
在前面的例子中,精度可能会标为
（1%十2）。
因此,如果万用表的读数是100.0V,实际的电压会在98.8V到101.2V之间。
模拟表（或指针万用表）的精度是按全量程的误差来计算的,而不是按显示的读数来计算。
指针万用表的典型精度是全量程的
2%或
3%。
数字万用表的典型基本精度在读数的
（0.7%+l）和
（0.1%+l）之间,甚至更高。
1.7数字万用表与智能仪器
智能仪器简介
智能仪器就是将智能的理论、方法和技术应用于仪器中,使其具有智能功能、智能特性的仪器。
为了有效地实现智能功能、智能特性,该类仪器在一般情况下,都会使用微处理器或者数字信号处理器、专用集成电路,其内部均有很强处理能力的智能软件系统，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。
智能仪器是计算机技术与测量技术及仪器仪表技术相结合的产物。
它具有传统仪器无法比拟的优点,在测量精度、速度、可靠性方面有了根本性的改变。
智能仪器广泛应用于测量、控制、通信、医学仪器以及科学研究等各个方面。
微处理器是智能仪器的核心，智能仪器的结构除了包含微处理器以外,还有存储器RAM、ROM和键盘、显示器及其它接口装置。
数字万用表与智能仪器的关系
经设计的数字万用表采用微处理器（AT89C51）为核心，并针对其设计了特定的程序，能够实现对数据的逻辑判断及自动化操作功能。
所以本设计数字万用表属于智能仪器的范畴。
1.8设计中重点解决的问题
本设计重点解决的问题是如何实现自动转换量程的功能，如何将直流电流量转换为直流电压量，如何将电阻值转换为直流电压量，如何选取所用的芯片，如何设计程序。
2系统整体结构
2.1系统设计方框图
如图2.1所示，当被测量输入时，单片机通过控制电路处理输入量，将输入量转换为符合A/D转换器的输入信号，然后A/D转换器将其输出数据传送到单片机，单片机对数据进行智能化处理后，最后显示在LED显示器上。
图2.1系统设计方框图
2.2系统设计方案
如图2.2所示，首先以AT89C51单片机和A/D转换为核心，设计一个直流电压测量及显示电路，然后在此基础上对电路进行扩展,使其能够实现量程自动转换测量直流电压、直流电流和电阻。
然后通过单片机（AT89C51）编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理，实现对直流电压、直流电流和电阻测量的直观显示，并将测量数据转换为人们日常习惯的十进制数字形式显示在LED显示器上。
所以本设计可以分为A/D转换电路、量程自动转换模块设计、单片机控制与显示电路设计、电阻-电压转换电路模块设计、电流-电压转换模块设计、程序设计等6个主要模块。
其中A/D是将输入量进行AD转换；LED显示就是显示测量的数值；量程自动转换模块控制输入量；电阻-电压转换电路、电流-电压转换电路将电阻、电流输入量转换成为电压输入量；单片机用于控制量程自动转换模块；在实现以上各个分模块的设计之后，再将硬件模块整合到一起，结合软件完成整体电路的搭建与仿真。
其中各模块的具体设计思路和方法在以下硬件设计和软件设计中体现。
图2.2量程自动转换数字万用表系统整体结构
2.3量程自动转换功能的方案设计与论证
量程自动转换的定义：
为了使测量系统具有较高的分辨力和准确性，我们总希望测量到的值尽可能的达到A/D的满量程。
如一个12位的A/D的满量程的最大输入为5V，将可以得到最大为4095的转换值。
有些信号较小，可能达不到5V，需改变放大增益；而有些过大会使A/D饱和，又需要降低增益。
自动改变系统的增益，使输入信号最大值不同的信号都可以达到满量程的测量精度，称为量程自动转换。
（摘自《智能化检测系统及仪器》第二版P106，张剑平著。
）
2.3.1方案设计
量程自动转换模块设计方案一
此方案采用电阻串联分压方式。
系统量程转换根据A/D的超量程和欠量程信号控制单片机实现模拟开关的选通。
电压输入后模拟开关CD4051起到电压量程转换选择作用。
模拟开关后的保护电路采用双向限幅二极管，利用两只1N4001硅整流二极管并联构成双向限幅二极管接入电流挡分流器前面，目的是防止用电流挡去测量电压，而烧分流电阻，这样的话输入电压信号会被双向限幅二极管牵制在0.7V左右也就是二极管的正向导通电压，从而来保护分流器。
OP07构成一个电压跟随器，起到隔离前后通道的作用，其较低的输出电阻还可以提高带负载能力。
最后，Output端接入ADC。
=1k+9k+90k+900k+9M=10M，故有表2.1所示：
表2.1量程分档原理
量程
衰减倍数
200mv
10/10*200mv=200mv
1
2v
1/10*2v=200mv
10
20v
0.1/10*20v=200mv
100
200v
0.01/10*200v=200mv
1000
2000v
0.001/10*2000v=200mv
10000
由方案一设计的量程自动转换模块如图2.3所示：
图2.3量程自动转换模块方案一
量程自动转换模块设计方案二
如图2.4所示,采用反相放大器实现4档增益，需要4个基本放大器，经过4路模拟开关和一个电压跟随器输出，由于电压跟随器的输入阻抗极高，模拟开关的导通电阻对增益的影响可以忽略不计。
因而各级增益完全取决于所选电阻。
实现起来较为方便。
同样的，本系统量程转换根据A/D的超量程和欠量程信号控制单片机实现模拟开关的选通。
电压输入后模拟开关CD4051起到电压量程转换选择作用。
两个IN4001构成一嵌位保护电路，使电路在高电压输入时处于安全状态。
OP07构成一个电压跟随器，起到隔离前后通道的作用。
图2.4量程自动转换模块方案二
量程自动转换模块设计方案三
如图2.5所示，量程自动转换首先需要一个程控增益放大器PGA，有了PGA后，自动量程转换实质上就是求PGA控制值的过程。
详细实现过程为：
当输入信号为直流电压的时候，A/D满量程为
5V，PGA的增益变化范围为1～1000，用试探法通过采样值确定PGA的控制值，基本思路为先探测一个A/D，看A/D的值是否在3072～4090之间，如果不是，改变增益一直达到目的。
一种PGA算法如图2.6所示。
图2.5通过判断采样值确定PGA增益的方案
图2.6增益为1—1000时直流输入时的一种PGA算法
2.3.2方案论证
方案一中系统根据A/D的超量程和欠量程信号控制单片机实现模拟开关的选通，实现不同量程的自动切换，看似已经实现了量程自动转换的功能，但是这样实现的数字万用表仍旧限定了多个量程档位，与手动数字万用表没有本质的差别，同时档位太少决定了一些数据的测量结果必然不准确，因为只有被测量值达到满量程的2/3以上，相对误差才比较小。
鉴于此，不采用方案一。
方案二的短板和方案一是一样的，看似已经实现了量程自动转换的功能，但是这样实现的数字万用表同样不具有较高的测量精度。
鉴于此，不采用方案二。
采用方案三是可行的，由于PGA可以实现增益的连续变化，对于较大的测量信号，超出表头量程时，可以使PGA增益降低，达到衰减输入信号的作用。
与方案一和方案二相比较，PGA增益范围大，测量量程档位更多，经过设计的测量系统具有较高的分辨力和准确性。
由于采用的A/D满量程最大输入设计为5V，所以本设计中表头测量范围为0～5V，所以量程自动转换模块属于转换电路部分，其作用在于当被测电压量为0～5V时，不用处理，直接测量
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