数字万用表电路的毕业设计

毕业设计说明书

数字万用表电路的设计

专业 电气工程及其自动化

年 月 日

学生姓名 班学

级 号

指导教师 完成日期

数字万用表电路的设计

摘 要：数字万用表是采用数字化测量技术，把连续的模拟信号转换成不连续的、

离散的数字信号并加以显示的仪表，广泛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，显示出强大的生命力。本次设计的数字万用表将使用美国摩托罗拉公司生产的MC14433 A/D转换器，配合分流电阻、分压电阻、基准电阻可以测量交、直流电压，直流电流、电阻并经四位数码管显示。在测量过程中使用量程开关来选择相应的电压、电流、电阻档位进行数据采集，之后将采集的信号一律转换为0～2V的直流电压值送到A/D转换器MC14433，转换为数字信号后，将此数字信号送至锁存-译码器，变成BCD码，再由LED显示器显示出来。其中，量程切换电路控制着对应小数点的明暗，从而使LED显示器显示出不同量程的读数。由于操作过程中可能会有超量程现象，所以在设计中添加了超量程报警部分，当检测到超量程信号时， LED显示器闪烁，以示报警。设计中采用了先进的数显技术，精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。

关键词：数字万用表；A/D转换器；MC14433；超量程报警

The Design of Digital Multimeter

Abstract: Digital multimeter are using digital measurement techniques, the continuous

analog signal to discontinuous, discrete digital signal and to display instrumentation, widely used in electronics and electrical measurement, industrial automation instruments, automatic test systems and other intelligent measurement, shows a strong vitality. The design of the digital multimeter will use the Motorola company produces the MC14433 A/D converter, cooperate to shunt resistance, dividing resistor, benchmark resistance can measure ac voltage ,dc voltage, dc current, resistance and the four digital display. In the measurement process using the scale setting switch to choose corresponding voltage, current, resistance gear in data collection, followed by the acquisition of the signal be converted to 0 to 2V DC voltage to the A / D converter MC14433, converted to A digital signal, the digital signal sent to lock to save-decoder, become BCD, again by LED display shows out. Among them, the range switching circuit controls the brightness of the corresponding decimal point so that the LED display shows a different range of readings. Operation may be over-range phenomenon, so add in the design of the alarm portion of the over-range, when the range signal is detected, the LED display flashes to show the alarm. The design of advanced digital display technology, high precision, strong anti-jamming capability, scalability, strong, easy integration.

Key Words: Digital multimeter; A / D converter; MC14433; over range alarm

目 录

1概述 ................................................................ 1 2总体方案论证 ........................................................ 1

2.1 直流电压测量方案 .............................................. 2 2.2 交流电压测量方案 .............................................. 2 2.3 直流电流测量方案 .............................................. 3 2.4 电阻测量方案 .................................................. 3 2.5 显示电路方案 .................................................. 3 2.6 量程自动切换电路方案 .......................................... 3 3单元电路的设计 ...................................................... 3 3.1 直流电压电路的设计 ............................................ 3 3.2 交流电压转换成直流电压电路的设计 .............................. 4

3.3 直流电流转换成直流电压电路的设计 .............................. 6 3.4 电阻转换成直流电压电路的设计 .................................. 6 3.5 数字电压表电路的设计 .......................................... 8

3.5.1 A/D转换器MC14433 ....................................... 8 3.5.2 七路达林顿驱动器阵列MC1413 ............................. 12 3.5.3 七段译码驱动器CD4511 ................................... 12 3.5.4 高精度低漂移能隙基准电压源MC1403 ....................... 13 3.5.5 显示器 ................................................. 15 3.6 量程自动切换电路的设计 ....................................... 16

3.6.1 量程转换电路 ........................................... 18 3.6.2 小数点显示电路 ......................................... 19 3.6.3 超量程闪烁报警电路 ..................................... 20 3.6.4 双向移位寄存器CD40194 .................................. 20 3.6.5 四输入异或门CD4070 ..................................... 21 3.6.6 双上升沿D触发器CD4013 ................................. 22 3.7 稳压电源的设计 ............................................... 23 4结束语 ............................................................. 23 参考文献 ............................................................ 25 致 谢 ............................................................ 26 附 录 ............................................................ 27

附录1：数字万用表电路原理图 ..................................... 28 附录2：数字万用表电路PCB图 ..................................... 29

数字万用表电路的设计

1概 述

数字万用表是一种用途很广的数字测量仪器，能测量直流电压、交流电压、直流电流、电阻等,涉及到模拟电子技术和数字电子技术的许多内容。本设计要求以

11MC14433 A/D转换器为核心构成3位数字电压表。其中3位是指十进制数

220000-1999，所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为0-9，而所谓半位是指千位数，它不能从0变化到9，而只能由0变到1，即二值状态，所以称为半位。

11该设计电路主要分为3位A/D转换器、7段译码驱动器及位驱动器、3位共阴极

22LED显示器、超量程闪烁报警电路、基准电压源、AC/DC转换器、功能及量程开关电路、自动量程电路、恒流源和±6V稳压电源部分组成。本设计的任务是能够完成四级量程的直流电压测量，其量程范围为2V、20V、200V、2000V；完成四级量程的交流电压测量，其量程范围为2V、20V、200V、2000V；完成四级量程的直流电流测量，其量程范围为2mA、20mA、200mA、2A；完成四级量程的电阻测量，其量程范围为2K?、20 K?、200 K?、2M?；完成量程手动自动切换功能。本课题主要运用《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《电路》、《电子测量技术》等几门课程的基本理论知识，采用了先进的数显技术，把连续的模拟量转换成离散的数字量并加以显示，从而设计出准确度高、分辨力强、测量功能完善、测量速率快、显示直观、保护功能完善、耗电省、便于携带、性价比很高的数字万用表。由于数字式万用表诸多的优越性能，从而使得数字万用表正在逐步取代传统的指针式(即模拟式)万用表，成为现代电子测量及维修工作中最常用的数字仪表。数字万用表的检测及应用技术是电子测量的基础，也是电子工作者需要掌握的基本技能。大量实践证明，数字万用表除用于常规测量之外，还可以进一步扩展其测量功能，实现“一表多用”，在一定程度上代替了多种专用电子测量仪器完成检测任务。

2总体方案论证

方案一：使用单片机AT89C51与ADC0809设计一个数字万用表，配合分流电阻、分压电阻、基准电阻测量交直流电压、直流电流、直流电阻并经四位数码管显示。

1方案二：以美国摩托罗拉公司生产的MC14433 A/D转换器为核心构成3位数

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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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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w1hh.html