数字万用表电路的毕业设计 (2)

字万用表。在此基础上，设计制作一个能测量直流电压、交流电压、直流电流和电阻的数字测量仪器。电流、电阻的测量主要是运用安培定律，将电流、电阻转化成数字万用表的核心器件A/D转换器能够测量的0～2V的电压量，将得到的二进制数值通过BCD七段译码器/驱动器进行编码，最后送给数码管显示出来。根据设计要求可以初步画出如图2-1所示的设计框图。

共阴极LED显示器基准电压源段译码驱动器位驱动器A/D转换器ACDCA/D转换器MC14433超量程闪烁报警电路输入功能及量程开关电路自动量程电路+6V-6V恒流源稳压电源 图2-1系统设计原理框图

方案一虽然电路简单，但编程复杂，不易实现。方案二虽然电路复杂，但不需要编程，功能实现简单。综合比较，本次数字万用表电路的设计使用方案二。 2.1 直流电压测量方案

为了检测大于2V的直流电压，必须在输入端引入衰减器将电压变换成0～2V，然后在检测显示时再放大同样的倍数。衰减器是用精密电阻构成的分压器，在图3-2所示电路中被测信号和输入到A/D电路的信号之比分别为1、10、100及1000，即被测信号在0～2V、0～20V、0～200V及0～2000V四档范围内，得到的信号均为0～2V。

2.2 交流电压测量方案

为了实现交流电压的测量，首先必须将输入交流信号作衰减，这一点和上面的直流检测是相同的。衰减之后的交流电压还要进行精密整流变成直流电压后才能进入A/D转换器。

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2.3 直流电流测量方案

为了实现电流的检测，就必须将被测电流变成0～2V的直流电压，即实现衰减和I/V变换。使四档输入电流2mA、20mA、200mA及2A都通过一个电阻，经这取样电阻将电流变成相对应的电压值，然后通过一个比例放大器，使比例系数对应1000、100、10及1，则经比例放大后的输出电压均为2V，以此作为A/D转换器的输入。在显示检测结果时将小数点的位置随比例系数作相应的变化。 2.4 电阻测量方案

早期数字仪表采用恒流法测量电阻，通过恒流源和精密运算放大器实现电阻/电压（?/V）转换，因此电路较复杂，成本高，而本次设计使用的是比例法。比例法是测量电阻的一种新方法，很容易将被测电阻值转换成输入电压，实现?/V转换。比例法的优点是电路简单、测量准确度高，成本低。 2.5 显示电路方案

LED数码管是目前常用的一种数显器件。把发光二极管(LED)制成条状，再按一定方式连接，组成数字8，就构成LED数码管。使用时让某些字段上的发光二极管发亮，即可组成0～9的一系列数字。 2.6 量程自动切换电路方案

自动量程切换电路的作用是根据MC14433提供的输入信号情况(在量程、过量程OR=0，欠量程OR=1)，以及时间信号(EOC、DS1、DS2)产生相应的量程信号。当被检测的信号超过当前量程时，使电路模拟开关切换位置，显示器的小数点移动位置，即量程向高位变化。欠量程则向低位变化,而在量程则不发生变化。

3单元电路的设计

3.1 直流电压电路的设计

在基准数字电压表头前面加一级分压电路，可以扩展直流电压测量的量程。如图3-1所示，U0为电压表头的量程，r为其内阻，r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。

由于r>>r2，所以分压比为：

U0r?2 （3-1） Ui0r1?r2即扩展后的量程为：

Ui0?r1?r2U0 （3-2） r2数字电压表的直流电压档测量电路如图3-2所示，各档的分压比介绍如下：

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2V18M20V1.8M200V180K2000V20K动片IN+数字电压表头Ui0r1UiR1U0IN+R2IN-r2r数字电压表头IN-R3R4

图3-1 分压电路原理 图3-2多量程直流电压测量电路

a) 2000V的分压比：

R4=0.001 （3-3）

R1?R2?R3?R4b) 200V的分压比：

R3?R4=0.01 （3-4）

R1?R2?R3?R4c) 20V的分压比：

R2?R3?R4=0.1 （3-5）

R1?R2?R3?R4d) 2V的分压比：

R1?R2?R3?R4=1 （3-6）

R1?R2?R3?R4然后根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻。首先先确定

R总?20K?，以此类推：R总?R1?R2?R3?R4?20M?，然后确定R4?0.001R3?180K?、R2?1.8M?、R1?18M?。

3.2 交流电压转换成直流电压电路的设计

测交流电压必须在直流电压测量电路上增加AC/DC转换器。平均值响应的

AC/DC转换器是由运算放大器和二极管组成的半波（或全波）线性整流电路。它具有线性度好、准确度高、电路简单、成本低廉等优点。但由于是按照正弦波平均值与有效值的关系而定义的，因此所构成的交流数字电压表只能测量正弦波电压。要想准确测量非正弦波形，须采用真有效值/直流（TRMS/DC）转换器。

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平均值响应的五量程交流数字电压表电路如图3-3所示，S2a为量程转换开关。

图3-3 交流电压测量电路

现利用低漂移单运放AR1和二极管D15组成平均值响应的线性半波整流电路。该电路可避免二极管在小信号整流时所引起的非线性误差，使输出电压V0(平均值)与AC/DC转换器的输入电压VIN（有效值）呈线性关系，适合测量40~400Hz的正弦波电压，测量准确度优于±1%。

对半波整流而言，正弦波电压有效值与平均值的关系为

VRMS?2.22VO （3-7）

这就要求电路的电压放大倍数必须大于2.22倍，才能调整的余量。电路中的R35为AR1同相端的输入电阻。R36与R37是负反馈电阻，可将AR1偏置在线性放大区，并且控制运放的增益。为了提高AC/DC转换器的输入阻抗，降低输入信号的衰减，AR1接成同相放大器，其电压放大倍数由下式确定：

K?1?R36?R37 （3-8） R35现取R36?R37?100k?，R35亦取100k?，代入式3-8中可得到K=3>2.22（倍）。显然符号设计要求。

尽管AR1属于低漂移运放，但考虑到AC/DC转换器的输入电压很弱，即使失调电压很低，也会造成测量误差。为此需增加隔直电容C7、C9，不让直流成分（包括AR1的失调电压）进入整流滤波电路。

在正半周期时D15导通，D14截止，AR1的输出电流途径C9→D15→R38→R40→

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，并经过R39对C10进行充电。负半周时D14导通，D15截止，电RP3→地（COM端）

流途径地?RP1。此时C10缓慢地放电，放电时间常数3?R40?D14?C9?AR，故可认为C10两??rINC10。rIN是MC14433的输入电阻，因其阻值极高（1010?）

端的电压维持不变。

由R39和C10组成的平滑滤波器可滤除交流纹波，高频干扰信号则由R41、C11构成的高频滤波器滤掉，从而获得稳定的平均值电压V0。

RP3是交流电压的校准电位器。调整RP3可使整个AC/DC转换器的电压放大系数为2.22倍，令仪表直接显示出被测电压的有效值。

D14在电路中起保护作用。负半周时D14为反向电流提供通路。C6是运放的频率补偿电容。R36和C8还为D13提供一个适合的偏置电压，以减小AC/DC转换器对小信号进行放大时的波形失真。 3.3 直流电流转换成直流电压电路的设计

多量程直流电流测量电路设计是根据欧姆定律，用合适的分流电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。

Ii动片2mAR1100R210UiIN+数字电压表头FUUiIiR20mAU0IN+200mAR31R40.1IN-2Ar数字电压表头IN-D1D2 图3-4 电流测量原理 图3-5 多量程直流电流测量电路

原理图如图3-4所示，由于r>>R，分流电阻R上的电压降为Ui?RIi，即被测电流Ii?Ui。若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I0，则该档的分流R电阻为R?U0。图3-5所示的为直流电流测量电路。 I03.4 电阻转换成直流电压电路的设计

早期数字仪表采用恒流法测量电阻，通过恒流源和精密运算放大器实现电阻/电压（?/V）转换，因此电路较复杂，成本高。比例法是测量电阻的一种新方法，很容易将被测电阻Rx值转换成输入电压UIN，实现?/V转换。比例法的优点是电路简单、测量准确度高，成本低。

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