课程设计（论文）-基于MAX134的数字万用表设计.doc

摘要本文全面、深入、系统地介绍了4 3/4位智能数字万用表的系统设计与研究。设计中采用了美国MAXIM公司生产的专配万用表芯片MAX134，。整个系统结构由MAX134外加一些外围元件构成，驱动LED数码显示。文章主要介绍了MAX134的性能特点、内部结构、数字接口、输入输出数据及一些功能和原理。整个设计包括硬件电路设计及软件设计。硬件电路设计包括处理器、外部设备元件的选择及电路设计，而软件设计则主要是实现仪表的各功能的控制。关键词： 数字万用表； 单片机； MAX134； This design introduces the design and research for 4 3/4 Digit DMM Circuit integrally and systemically. The design uses the special DMM chip MAX134 from MAXIM Company as the central IC, which acts as A/D converter, and matches the from Intel Company. In this design, the whole system instructure is constituted by MAX134 and some peripheral component, then connect with the drive the LED figures. The article mainly introduces the performance Characteristic of MAX134, inside structure, digital interface, input and output data, and some main functions. The design of intelligent digital multimeter consists of hardware circuit and software circuit. Hardware circuitelesign includes the choice of Microcontroller, the design of circuit and the choice of outside equipment etc. After the hardware circuit fixed, the main function of the instrument will be realized by the software.Key words: The digital Multimeter； The Microprocessor.； MAX134； 目录摘要1目录2一 系统简介31.数字万用表简介3 高准确度和高分辨力3 电压表具有高的输入阻抗3 测量速率快3 自动判别极性3 全部测量实现数字式直读32.主控芯片MAX134简介4（1）MAX134简介4（2）MAX134引脚图5（3）MAX134基本外围电路5（4）MAX134操作时序53.外部A/D转换ADC08096（1）ADC0809内部结构图6（2）ADC0809操作时序7二 系统设计81.系统总体框图82.单元电路设计8（1）直流电压测量电路8（2）直流电流的测量10（3）交流电压、电流的测量电路11（5）电阻测量电路11（6）A/D转换与数字显示电路13（7）整形电路15三 使用操作方法161、直流电压测量162、交流电压测量163、直流电流测量164、交流电流测量175、电阻测量176、维护事项18四 心得体会19五 参考文献21一 系统简介1.数字万用表简介 高准确度和高分辨力三位半数字式电压表头的准确度为0.5，四位半的表头可达0.03，而指针式万用表中使用的磁电系表头的准确度通常仅为2.5。分辨力即表头最低位上一个字所代表的被测量数值，它代表了仪表的灵敏度。通常三位半数字万用表的分辨力可达到电压0.1mV、电流（指电流强度，下同）0.1A、电阻0.1，远高于一般的指针式万用表。 电压表具有高的输入阻抗电压表的输入阻抗越高，对被测电路影响越小，测量准确性也越高。三位半数字万用表电压挡的输入阻抗一般为10M，四位半的则大于100M。而指针式万用表电压挡输入阻抗的典型值是20100k/V。 测量速率快数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数，它主要取决于A/D转换的速率。三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒24次，高的可达每秒几十次。 自动判别极性指针式万用表通常采用单向偏转的表头，被测量极性反向时指针会反打，极易损坏。而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性，使用起来格外方便。 全部测量实现数字式直读指针式万用表尽管刻画了多条刻度线，也不能对所有挡进行直接读数，需要使用者进行换算、小数点定位，易出差错。特别是电阻挡的刻度，既反向读数（由大到小）又是非线性刻度，还要考虑挡的倍乘。而数字万用表则没有这些问题，换挡时小数点自动显示，所有测量挡都可以直接读数，不用换算、倍乘。2.主控芯片MAX134简介（1）MAX134简介MAX13410EMAX13415E是半双工RS-485/RS-422兼容的收发器，为隔离应用而优化。这些器件提供一个内部低压差稳压器(LDO)、一路驱动器和一路接收器。内部LDO使器件可以工作在高达28V的非稳压电源。AutoDirection功能减少了隔离应用中需要的光隔离器的数量。其他特性包括增强型的ESD保护、失效保护电路、摆率限制和全速工作。 MAX13410EMAX13415E内部LDO产生5V 10%的电源电压，为内部电路供电。MAX13412EMAX13415E将5V输出至VREG，可为其他的外部电路提供高达20mA驱动能力，进一步减少了外部器件。MAX13410E/MAX13411E没有5V输出，提供工业标准的引脚排列，很容易替代现有设计中的器件。 MAX13410EMAX13415E具有1/8单位负载接收器输入阻抗，允许多达256个收发器挂接在总线上。所有驱动器输出提供人体模型的ESD保护。这些器件还包括失效保护电路(仅MAX13410E/MAX13411E/MAX13414E/MAX13415E)，在接收器输入开路或短路时确保输出逻辑高电平。当挂接在总线上的所有发送器均被禁止(高阻态)时，接收器输出逻辑高电平。 MAX13412E/MAX13413E提供Maxim专有的AutoDirection控制。这种架构省去了DE和/RE控制信号。在隔离应用中，该架构减少了所需光电隔离器的数量，从而降低了成本，减小了系统的尺寸。 MAX13410E/MAX13412E/MAX13414E提供降低摆率的驱动器，大大减小EMI和不恰当的电缆端接所引起的反射，实现500kbps的无误码数据传输。MAX13411E/MAX13413E/MAX13415E驱动器不提供摆率限制，可提供高达16Mbps的传输速率。 MAX13410EMAX13415E提供8引脚SO封装，具有裸焊盘以提高功率耗散。器件工作于-40C至+85C扩展级温度范围。（2）MAX134引脚图（3）MAX134基本外围电路（4）MAX134操作时序A. MAX134读时序：B. MAX134写时序：3.外部A/D转换ADC0809（1）ADC0809内部结构图图1 ADC0809内部结构图（2）ADC0809操作时序图2 ADC0809操作时序二 系统设计1.系统总体框图2.单元电路设计（1）直流电压测量电路在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。数字万用表的直流电压档分压电路如图（2）所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到准确的分压效果。例如：其中200 V档的为分压比为：其余各档的分压比分别为：图（2）实用分压器电路档位200mV2V20V200V2000V分压比10.10.010.0010.0001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，如先确定再计算200V档的电阻：，依次可计算出、等各档的分压电阻值。更换量程是需要调整小数点的显示，使用者可方便地读出测量结果。（2）直流电流的测量（3）交流电压、电流的测量电路 数字万用表中交流电压、电流测量电路是在分压器或分流器之后串入了一级交流直流（AC-DC）变换器，如图（5）所示。图（5） 该ACDC变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波电容等组成，还包含一个能调整输出电压高低的电位器：ACDC校准电位器，用来对交流电压档进行校准之用，调整该电位器可使数字电压表头的显示值等于被测交流电压的有效值。 （5）电阻测量电路 数字万用表中的电阻档采用的是比例测量方法，其原理电路见图（6）， 图（6） 电阻测量原理由稳压管DZ提供测量基准电压，流过标准电阻R0和被测电阻Rx的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。 所以A/D转换器的参考电压UREF和输入电压UIN有如下关系： 即 根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与UREF的比值，当UIN=URE时显示“1000”，UIN=0.5UREF时显示“500”，依次类推。所以，当Rx=R0时，表头将显示“1000”，当Rx=0.5R0时显示“500”，这称为比例读数特性。因此，我们只需要选取不同的标准电阻并适当对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量档。 图（7）电阻测量电路对200档，取R05=100，小数点定在十位上。当Rx=100时，表头就会显示出100.0（）。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0. 1测到199.9（其余各档请学生自己进行推导）。各路电阻与MAX134连接图数字万用表多量程电阻档电路如图（7）所示，由上分析可知，R5=R05=100 R4=R04-R05=1000-100=900 R3 =R03-R04=10K-1K=9K 图（7）中由正温度系数（PTC）热敏电阻Rt与晶体管组成了过压保护电路，以防止误用电阻去测高电压时损坏集成电路。当误测量高电压时，晶体管发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。同时Rt随着电流的增加而发热，其阻值迅速增大，从而限制了电流的增加，使晶体管击穿电流不超过允许范围。即晶体管只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，Rt和晶体管均能恢复正常。（6）A/D转换与数字显示电路常见的物理量都是幅值（大小）连续变化的所谓模拟量（模拟信号）。指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号（通常是电压信号）转换成数字信号，再进行显示和处理（如存储、传输、打印、运算等）。数字信号与模拟信号不同，其幅值（大小）是不连续的。就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值。就象人站在楼梯上时，人站的高度只能是某些分立的数值一样。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位（量化台阶）为，则数字信号的大小一定是的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换（译码）后由数码管或液晶屏显示出来。例如，设0.1mV，我们把被测电压U与比较，看U是的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N（二进制）。然后，把N变换为十进制七段显示码显示出来。能准确得到并被显示出来的N是有限的，一般情况下，N000即可满足测量精度要求（量化误差/1000=0.1）。所以，最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半（）数字表。对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV为单位的被测电压U的大小。如：U是（0.1mV）的1234倍，即N=1234，显示结果为123.4（mV）。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示199.9199.9mV的电压，显示精度为0.1mV。由上可见，数字测量仪表的核心是模/数（A/D）转换、译码显示电路。A/D转换一般又可分为量化、编码两个步骤。有关A/D转换、编码、译码的详尽理论超出了本实验所要求的范围，感兴趣的同学可参阅有关专业教材。以上所述的A/D转换及数字显示已是很成熟的电子技术，且已经制成大规模集成电路，一般的仪器仪表生产者、使用者只要知道该类集成电路的管脚及特性，就能使用了。本实验使用的DM-I型数字万用表设计性实验仪，其核心是一个三位半数字表头，它由数字表专用A/D转换译码驱动集成电路和外围元件、LED数码管构成。该表头有个输入端，包括个测量电压输入端（IN+、IN-）、个基准电压输入端（VREF+、VREF-）和个小数点驱动输入端。（7）整形电路三 使用操作方法 1、直流电压测量 （1）将黑色表笔插入COM插孔，红色表笔插入V,插孔。 （2）将功能开关置于DCV量程范围，并将表笔并接在被测负载或信号源上，详见图示。在显示电压读数时，同时会指示出红表笔的极性。(3) 注意事项1）在测量之前不知被测电压的范围时应将功能开关置于高量程挡后逐步调低。 2）仅在最高位显示“1”时，说明已超过量程，须调高一挡。 3）不要测量高于1000V的电压，虽然有可能读得读数，但可能会损坏内部电路。 4）特别注意在测量高压时，避免人体接触到高压电路。2、交流电压测量 （1）将黑表笔插入COM插孔，红表笔插入V插孔。 图1.A.3 DT9101面板图 （2）将功能开关置于ACV量程范围，并将测试笔并接在被测量负载或信号源上。 (3) 注意事项1）同直流电压测试注意事项1）、2）、3）。 2）不要测量高于750V有效值的电压，虽然有可能读得读数，但可能会损坏万用表内部电路。3、直流电流测量 （1）将黑表笔插入COM插孔。当被测电流在2A以下时红表笔插A插孔；如被测电流在220A之间，则将红表笔移至20A插孔。 （2）功能开关置于DCA量程范围，测试笔串入被测电路中，详见图示。红表笔的极性将由数字显示的同时指示出来。（3）注意事项1）如果被测电流范围未知，应将功能开关置于高挡后逐步调低。 2）仅最高位显示“1”说明已超过量程，须调高量程挡级。 3）A插口输入时，过载会将内装保险丝熔断，须予以更换保险丝规格应为2A(外 型520mm)。 4) 20A插口没有用保险丝，测量时间应小于15s。4、交流电流测量测试方法和注意事项类同直流电流测量。5、电阻测量（1）将黑表笔插入COM插孔，红表笔插入V插孔(注意：红表笔极性为“+”)。将功能开关置于所需量程上，将测试笔跨接在被测电阻上。（2）注意事项1）当输入开路时，会显示过量程状态“1”。 2）如果被测电阻超过所用量程，则会指示出量程“1”须换用高挡量程。当被测电阻在1M以上时，本表须数秒后方能稳定读数。对于高电阻测量这是正常的。 3）检测在线电阻时，须确认被测电路已关去电源，同时电容已放电完毕。方能进行测量。 4）有些器件有可能被进行电阻测量时所加的电流而损坏，表1.A.4列出了各挡的电压值和电流值。 表1.A.4 电阻测量时各挡的电压值和电流值量 程A（V）B（V）C(mA)2000.650.080.442k0.650.30.2720k0.650.420.06200k0.650.430.0072M0.650.430.00120M0.650.430.0001表中A是插座上开路电压；B是跨于相当满量程电阻上的电压值；C是通过短路输入插口的电流值（以上所有数字均为典型值）。6、维护事项 DT9101数字万用表是一部精密电子仪表，不要随便改动内部电路以免损坏。1、不要接到高于1000V直流或有效值750V以上交流电压上去。 2、切勿误接量程以免内外电路受损。 3、仪表后盖未完全盖好时切勿使用。 4、更换电池及保险丝须在拔去表笔及关断电池开关后进行。旋出后盖螺钉，轻轻地稍为掀起后盖并同时向前推后盖，使后盖上挂钩脱离表面壳即可取下后盖，按后盖上注意说明的规格要求更换电池或保险丝，本仪表保险丝规格为2A250V，外形尺寸为声5mm20mm。四 心得体会在为期两天的实习期间，我们学习了初步的锡焊以及迷你型数字万用表制作，一开始这门课程所散发出的强大的实践性与趣味性一下子就深深的吸引住了我。第一颗圆滑漂亮的焊点，第一个焊接成功的电阻，以及生平第一次作出了可以使用的电器，好奇，兴奋，强烈的成就感，真的不知道该用什么来形容了，虽然说制作数字万用表的实习一搞就是一天，辛苦那是必然的，可是正所谓乐在其中，每一次的实习都像在做一个极具有挑战性的游戏，再苦也是值得的。一开始拿起洛铁的时候，说实话，心里是虚的，洛铁这东西对于我来说其实是非常熟悉的，小时候就常在家里的工作室里面看到爸爸用这个东西修电器，当时觉得非常的神奇，那个时侯爸爸还曾告诉我，他第一个焊接的东西是收音机，他是他们班第一个组装成功的人，爸爸说这话的语气我到现在都还记得，兴奋、自豪，而我现在手里握着的，是一杆洛铁，那种感觉，是不能用兴奋两个字就能形容的。今天一大早的就是练习一些基本工，练习如何用电烙铁去焊接元件，所以我也很认真地对待这练习的机会。焊接看起来很简单但个中有很多技巧要讲究的，在焊的过程中时间要把握准才行，多了少了都不行！练习时最好边做边想想老师教的动作技巧这样学得比较快一点，虽然时常也不乏出现一些虚焊点或是东倒西歪的焊点，但是我仍然对此有着浓厚的兴趣。而且在练习焊接时，要时刻记得老师所教的步骤，遵循正确的步骤才是最简洁的方法，虽然我有过失败，但从不放弃，我觉得这是接触电子的开始，以后还要接触更多的，为以后