簡易萬用表的設計

1、東北石油大學課 程 設 計 2012 年 6 月 25 日課 程 電子技術課程設計 題 目 簡易萬用表的設計 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 測控 10-3 學生姓名 曾 潤 學生學號 100601240305 指導教師 路敬祎（副教授） ；曹廣華（教授） 東北石油大學課程設計任務書課程 電子技術課程設計 題目 簡易萬用表的設計 專業(yè) 測控技術與儀器 姓名 曾 潤 學號 100601240305 主要內容：主要內容：本課題主要設計由集成運放組成的簡易數(shù)字萬用表，實現(xiàn)多級量程的直流電壓測量、交流電壓測量、直流電流測量、電阻測量以及電容測量電路。主要內容包括系統(tǒng)的設計原則、總體方案、單元電路的

2、設計、參數(shù)計算、元器件的選擇及系統(tǒng)概述等。基本要求：基本要求：(1)設計由集成運放組成萬用電表。(2)至少能測量電阻、電流和電壓。主要參考資料：主要參考資料：1劉國鈞，陳紹業(yè)，王鳳翥.圖書館目錄M.北京：高等教育出版社，1957.15-18.2 劉潤華,劉立山.模擬電子技術J.自動化,2003.203-2073 郁漢琪,數(shù)字電子技術實驗及課題設計.,北京:高等教育出版社,1995.150-153.4 康華光.電子技術基礎:模擬部分. 北京:高等教育出版社,1988.104-107.5 常健生,檢測與轉換技術,機械工業(yè)出版社,2000 年 2 月.56-579.6 閻石,數(shù)字電子技術基礎,高等教

3、育出版社,1998 年 12 月.49-56.7萬嘉若,林康運，電子線路基礎，高等教育出版社,1986 年 3 月.79-83.完成期限 2012.6.252012.7.4 指導教師 路敬祎（副教授） 曹廣華（教授） 2012 年 6 月 25 日電子技術課程設計目 錄一、設計要求 .1二、方案設計 .11、方案說明 .12、方案論證 .2三、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇 .31、單元電路設計 .32、參數(shù)計算 .53、器件選擇 .8四、系統(tǒng)硬件電路設計 .8五、電路焊接練習 .91、兩管閃光燈電路 .92、占空比和頻率可調的脈沖發(fā)生器 .103、收音機 .11六、總結 .13參考文獻14

4、電子技術課程設計1簡易萬用表的設計一、設計要求(1)設計由集成運放組成萬用電表。(2)實現(xiàn)多級量程的直流電壓測量，其量程范圍是 200mv、2v ,20v,200v 和500v。(3)實現(xiàn)多級量程的交流電壓測量，其量程范圍是 200mv、2v ,20v,200v 和500v。(4）實現(xiàn)多級量程的直流電流測量，其量程范圍是2mA ，20mA，200mA、2A、20A。(5）實現(xiàn)多級量程的電阻測量，其量程范圍是 200k、2k ,20k,200k 和 2M。二、方案設計1、方案說明首先以 A/D 轉換器(MC14433)為核心，設計一個多檔的直流電壓測量電路，再在此基礎上對電路進行擴展,使其能多量

5、程的測量交流電壓、直流電流和電阻的測量電路。其原理框圖如圖 1 所示: 功能選擇電流/電壓變換交流電壓/直流電壓變換電阻/電壓變換量程選擇電源模/數(shù)轉換器計數(shù)、譯碼、顯示被測對象O電子技術課程設計2圖 1 數(shù)字萬用表原理框圖 所以本設計可以分為直流電壓測量電路；交流/直流轉換電路；電流/電壓轉換電路；電阻/電壓轉換電路；功能控制和數(shù)據(jù)顯示電路這五個的主要電路模塊。2、方案論證(1)A/D 轉換電路方案一：采用 ICL7106。ICL7106 是 CMOS 大規(guī)模集成電路芯片，它將模擬電路與數(shù)字電路集成在一個有 40 個功能端的電路內，所以只需外接少量元件就可組成一個 3 1/2 位數(shù)字電壓表。

6、但是 ICL7106 是以靜態(tài)方式驅動 LCD 轉換器，無 BCD 碼輸出端，因此不能直接獲得降量程信號。方案二：采用 MC14433。MC14433 是一個低功耗 3 1/2 位雙積分式 A/D 轉換器,與 ICL7106 相比，MC14433 采用動態(tài)掃描顯示，有多路調制的 BCD 碼輸出端和超量程信號輸出端，便于與單片機相連構成智能控制系統(tǒng)。所以采用方案二。(2)交流/直流轉換電路方案一：半波整流電路。利用二極管的單向導電性，可以很容易的得到直流電壓，且能滿足設計要求。方案二：采用真有效值轉換芯片,性能參數(shù)方面也都能滿足設計要求,并且還能測量非正弦波，但一般真有效值轉換芯片價格比較貴。鑒

7、于此，故采用方案一。三、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設計 (1) 直流電流測量電路,如圖 2 所示：電子技術課程設計3圖 2 數(shù)字萬用表直流電流測量電路原理圖圖中 VD1、VD2 為保護二極管，當基本表 IN+、IN 一兩端電壓大于 2OOmV時，VD1 導通，當被測量電位端接入 IN 一時，VD2 導通，從而保護了基本表的正常工作。R2R5、RC.分別為各擋取樣電阻，組成電流-電壓轉換器(I/U)，即測量時，被測電流在取樣電阻上產生電壓，從而得到了被測電流的量值。 (2) 直流電壓測量電路，如圖 3 所示：該電路是由電阻分壓器所組成的外圍電路和基本表構成。把基本量程為200m

8、V 的量程擴展為五量程的直流電壓擋。圖中斜線區(qū)是導電橡膠，起連接作用。圖 3 數(shù)字萬用表直流電壓測量電路原理圖電子技術課程設計4 (3)交流電壓測量電路，如圖 4：圖 4 數(shù)字萬用表交流電壓測量電路原理圖圖中，C1 為輸入電容。VD11、VD12 是 C1 的阻尼二極管，它可以防止 C1兩端出現(xiàn)過電壓而影響放大器的輸入端。R21 是為防止放大器輸入端出現(xiàn)直流分量而設計的直流通道。VD5、VD6 互為反向連接，起“守門”作用，防止輸入至運算放大器 062 的信號超過規(guī)定值。運算放大器 062 完成對交流信號的放大，放大后的信號經 C5 加到二極管 VD7、VD8 上，信號的負半周通過 VD7，正

9、半周通過VD8，完成對交流信號進行全波整流。經整流后的脈動直流電壓經電阻R26、R31 和電容 C6、C10 組成的濾波電路濾波后，在 R27、RP4 上提取部分信號輸人至基本表的輸人端 IN+。 (4)交流電流測量電路交流電流測量電路與交流電壓測量電路基本相同。只需將圖中的分壓器改成分流器即可。故其分流電阻與直流電流擋共用，耦合電路及其后的電路與交流電壓測量電路共用。 (5)直流電阻測量電路，如圖 5：下圖為數(shù)字萬用表直流電阻測量原理圖，電阻測量原理是利用被測電阻和基準電阻串聯(lián)后接在基準電壓源上，被測電阻上的壓降作為基本表的電壓輸入端，通過選擇開關改變基準電阻的大小，可以實現(xiàn)多量程電阻測量，

10、原理接線如圖：電子技術課程設計5圖 5 直流電阻測量電路原理圖2、參數(shù)計算（1）模數(shù)(A/D)轉換與數(shù)字顯示電路數(shù)字信號與模擬信號不同，其幅值(大小)是不連續(xù)的。這種情況被稱為是“量化的” 。若最小量化單位(量化臺階)為，則數(shù)字信號的大小一定是的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進制數(shù)碼表示。但為了能直觀地讀出信號大小的數(shù)值，需經過數(shù)碼變換(譯碼)后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來。例如，設=0.1mv，我們把被測電壓 U 與比較，看 U 是的多少倍，并把結果四舍五入取為整數(shù) N (二進制)。一般情況下，N1000 即可滿足測量精度要求(量化誤差1/1000=0.1%)。（2）多量程數(shù)字電壓表原理在基準數(shù)字電壓表

11、頭前面加一級分壓電路(分壓器)，可以擴展直流電壓測量的量程。如圖 6 所示，U0 為電壓表頭的量程(如 200mV)，r 為其內阻(如 10M)，r1、r2 為分壓電阻，U10 為擴展后的量程。電子技術課程設計6 圖 6 分壓電路原理 由于 rr2，所以分壓比為21200rrrUUi （1）擴展后的量程為02210UrrrUi （2）實際數(shù)字萬用表的直流電壓檔電路為圖 7 所示，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達到同樣的分壓效果。 圖 7 使用分壓電路電子技術課程設計7 例如：其中 200V 檔的分壓比為001. 010105432154MkRRRRRRR其余各檔的分壓比可同樣算出。實際設計時是

12、根據(jù)各檔的分壓比和總電阻來確定各分壓電阻的。如先確定MRRRRRR1054321總再計算 2000V檔的電阻KRR10001. 05總再逐檔計算4R、5R、2R、1R。盡管上述最高量程檔的理論量程是 2000V，但通常的數(shù)字萬用表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為 1000V。（3）多量程數(shù)字電流表原理測量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測電流轉換為相應的電壓，再進行測量。如圖 8，由于 rR，取樣電阻 R 上的電壓降為iiUI R （3）即被測電流 iiUIR （4）圖 8 電流測量原理 若數(shù)字表頭的電壓量程為 U0，欲使電流檔量程為 I0，則該檔的取樣電阻(也稱分流電阻

13、)為 00URI （5）如 U0=200mV，則 I0=200mA檔的分流電阻為 R=1。實際數(shù)字萬用表的直流電流檔電路為圖 9 所示:圖 9 實用分流器電路電子技術課程設計8如圖 9 中各檔分流電阻的阻值是這樣計算的：先計算最大電流檔的分流電阻5R)( 1 . 022 . 050msIUR （6）再計算下一檔的4R)(9 . 01 . 02 . 02 . 05404RIURm （7）依次可計算出5R、2R和1R。圖中的 BX 是 2A 保險絲管，電流過大時會快速熔斷，超過流保護作用。四、系統(tǒng)硬件電路設計 1 工作原理在測量時先把被測量通過不同的轉換器轉換成直流電壓，然后再用數(shù)字電壓表進行電壓

14、測量，從而得到被測量的數(shù)值. 的測量過程是利用 A/D（模/數(shù)）變換器將被測的模擬電壓變換成相應的數(shù)字量，然后通過電子計數(shù)器計數(shù)，最后把被電子技術課程設計9測電壓值以十進制數(shù)字形式直接顯示在顯示器上。2.原理電路圖，如圖 10 所示：圖 10 原理電路圖 系統(tǒng)需要的元器件清單，如表 1：表 1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1電阻 R100.9912電阻 R8913電阻 R2010014電阻 R2190015電阻 R229K16電阻 R2390K17電阻 R24、R25、R35117K38電阻 R26、R27274K29電阻 R51K1電子技術課程設計1010電阻 R63K111電

15、阻 R730K112電阻 R30、R4100K213電阻 R1150K114電阻 R18、R19、R12、R13、R14、R15220K615電阻 R2470K116電阻 R31M117電阻 R322K118電容 C1100pF119電容 C2、C3、C4、C5100nF420二極管 D31N4007121三極管 Q190131五、電路焊接練習1、兩管閃光燈電路（1）兩管閃光燈電路，如圖 11 所示： 圖 11 兩管閃光燈電路電子技術課程設計11（2）原理說明當給電路通電瞬間，電源正極通過電阻 R1 和 R2 給電解電容 C1 充電，此時C1 兩端電壓由 0V 往上升，也就是 555 的、腳電

16、壓從 0V 往上升，根據(jù)腳電壓小于 13 電源電壓時腳輸出高電平，這時發(fā)光二極管 LEDl 燈亮，LED2燈滅，當 C1 上電壓上升至 4V 時，555 的 6 腳電壓達到了 23 電源電壓，555 電路翻轉，腳輸出低電子，LEDl 燈滅，而 LED2 燈亮，此刻腳電位為 0V，C1上的電荷通過 R2 向腳 0V 放電。當 C1 放電到 2V，即 555 的腳電位降至 13 電源電壓時，腳又輸出高電平，LEDl 燈亮，而 LED2 燈滅，腳又開路，電源又開始通過 R1 和 R2 向 C1 充電，又重復上述過程。所以 LEDl 和 LED2 交替閃亮。（3）焊接情況在老師簡單介紹了電路圖和注意事

17、項后，開始了第一個電路圖的焊接，雖然元件不多，電路圖很簡單，但是各元件之間的連接很復雜，期間遇到了不少問題。一開始我直接用元件上多余的導線與其他元件相連，沒有考慮到短路的情況，結果很不理想，后來又焊了一次，用絕緣導線進行兩元件的連接，才發(fā)現(xiàn)好一點，但由于不太細致，加上電路板空間不足，導致仍然沒有達到預期效果。2、占空比和頻率可調的脈沖發(fā)生器（1）占空比和頻率可調的脈沖發(fā)生器電路圖，如圖 12 所示： 圖 12 占空比和頻率可調的脈沖發(fā)生器（2）原理說明IC1 為閾值檢測器，IC2 為積分器，它的輸出為三角波。IC1 輸出正向電壓使IC2 輸出負向三角波。當負向三角波達到某一值時其正反饋量使 I

18、C1 翻轉，輸出電子技術課程設計12變?yōu)樨?，從而引?IC2 輸出正向三角波。由此周而復始，IC1 的輸入偏置電壓和輸出飽和電壓決定三角波的幅值。IC3 為電壓跟隨器，100K 電位器提供可變的參考電壓。改變參考電壓可改變比較器輸出脈沖的占空比，而且輸出頻率不變。調節(jié) 10K 的變阻器可改變比較器輸出脈沖頻率。（3）焊接情況在第一個的基礎上，焊第二個時速度明顯變快了，其間也遇到了一些新的問題。由于有的元器件之間位置沒有調整好，間隙過小，加上技術不夠成熟，出現(xiàn)了橋接的情況，導致短路，后來在老師的指導下用鋸子割開?？傮w來說，焊的較電路一要平整光滑些，電路關系更加明確，最后焊接很成功，在示波器上出現(xiàn)

19、了穩(wěn)定的方波。3、收音機（1）電路圖如圖 13 所示： 圖 13 收音機電路圖（2）原理說明收音機是把廣播電臺發(fā)射的無線電波中的音頻信號取出來，加以放大，然后通過揚聲器還原出聲音。具體講：從天線（磁棒具有聚集電磁波磁場的能力，而天線線圈是繞在磁棒上）接收到的許多廣播電臺的高頻信號，通過輸入回路（為并聯(lián)諧振回路，具有選頻作用）選出其中所需要的電臺信號送入變頻級的基極，電子技術課程設計13同時由本機振蕩器產生高頻等幅波信號，它的頻率高于被選電臺載波，也送于變頻級的發(fā)射極，二者通過晶體管 be 結的非線性變換，將高頻調幅波變換成中頻調幅波信號。在這個變換過程中，被改變的只是已調幅波載波的頻率，而調幅

20、波的振幅變化規(guī)律（調制信號即聲音）并未改變。變換后的中頻信號通過變頻級集電極接的 LC 并聯(lián)回路選出中頻調幅信號，被送到中頻放大器放大后，再送入檢波器進行幅度檢波，從而還原出音頻信號，然后通過低頻電壓放大和功率放大，再去推動揚聲器，還原出聲音。（3）焊接情況由于焊收音機時電路板上直接畫著電路，包括各元件的位置，雖然元件很多，但較之前面來說在個人發(fā)揮上要簡單許多，可是在焊接技術上要求又高很多。尤其是焊芯片時，各引腳間距離狹窄，很難保證不短路，必須十分小心，很費時間。其他元件都很好焊，所以在老師的詳細講解下，很快就焊接完畢。但發(fā)現(xiàn)出來的只是噪音，經檢查，發(fā)現(xiàn)天線還未安裝，在接完天線后果然出來音樂聲

21、。六、總結本課題設計的數(shù)字萬用表具有以下幾點特點：（1） 測量速率快數(shù)字萬用表在每秒鐘內對被測電壓的測量次數(shù)叫測量速率，單位是“次/秒” 。它主要取決于 A/D 轉換器的轉換速率。一般數(shù)字萬用表的測量速率為 25 次/秒。（2） 輸入阻抗高電壓擋具有很高的輸入阻抗，通常為 1010000M，從被測電路上吸取的電流小，不會影響被測信號源的工作狀態(tài)，能減小由信號源內阻引起的測量誤差。（3） 集成度高，微功耗采用 CMOS 大規(guī)模集成電路的 A/D 轉換器，整機功耗很低。（4） 保護功能完善，抗干擾能力強具有比較完善的保護電路，過載能力強。課題的實用價值：數(shù)字萬用表是當前電子、電工、儀器、儀表和測量領域大量使用的一種基本測量，已被廣泛應用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領域，示出強大的生命力。隨著時代科技的進步，數(shù)字萬用表的功能越來越強大，把電量及非電量的測量技術提高到嶄新水平。為了設計更人性化，可以朝智能方面發(fā)展，也可以將萬用表設計得更精準小巧。電子技術課程設計14收獲和體會： 在設計這樣一個課題后，使我最自己的專業(yè)有了更深入的認識，也進一步將課本上的內容運用到解決實際問題上來，這些天以來，也認真學習了簡易萬用表的內部電路組成，知道了它的工作原理。總體來說，最大的收獲是提高了自我學習的能力