基于max134的多功能表设计.doc

数字万用表设计摘要：本文介绍利用MAXIM公司的数字万用表集成芯片MAX134和ATMEL公司的ATMEGA16单片机设计一款智能数字万用表。该数字万用表具有测量电压、电阻（可进行在线测电阻）电流、电容测量、频率、照度测量、温度测量、信号发生器等功能。采用按键控制功能之间的切换，并且实现电压、电流、电阻、电容档位量程的自动转换。此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、在线测电阻电路、光照度测量电路、频率计电路、温度测量电路、信号发生器电路、AVR单片机最小系统、LCD显示部分、AD转换和控制部分等部分组成。利用MAX134自身的优势以及ATMEGA16的超强的可编程优势，两者配合大大地简化了万用表的外围电路，缩小了体积。相比普通数字万用表或者纯粹的信号发生器、频率计、照度计，该智能数字万用表有较大优势。关键词：数字万用表、MAX134、单片机、ATMEGA16Abstract: This article describes the use of MAXIMs MAX134 chip and integrated digital multimeter ATMEL ATMEGA16 microcontroller to design a companys intelligent digital multimeter. The digital multimeter can measure voltage, resistance (resistance measurement can be online) current, capacitance measurement, frequency, illumination measurement, temperature measurement, signal generator and other functions. By button control to switch between, and the voltage, current, resistance, capacitance range of the automatic gear change. This system consists of shunt resistors, voltage resistance, base resistance, line resistance measurement circuit, light measurement circuit, frequency counter circuit, temperature measurement circuit, the signal generator circuit, AVR microcomputer system, LCD display part, AD conversion and control section, etc. parts. Using MAX134 its own advantages and ATMEGA16 the powerful programmable edge, both greatly simplify the multimeter with the external circuit, reducing the volume. Compared to ordinary digital multimeter or a pure signal generator, frequency meter, according to meters, the greater advantage of intelligent digital multimeter.Keywords: digital multimeter, MAX134, SCM, ATMEGA16 一、 设计背景及意义现代万用表已全部数字化，并被专称为数字万用表（DMM，Digital MultiMeter）。在这种设备中，被测量信号被转换成数字电压并被数字的前置放大器放大，然后由数字显示屏直接显示该值。这样就避免了在读数时视差带来的偏差，同时更好的电路系统和电子学，也提高了测量精度。旧的模拟仪表的基本精度在5%到10%之间，现代便携数字万用表则可以达到0.025%，而工作台设备更高达百万分之一的精度。数字万用表有用于基本故障诊断的便携式装置，也有放置在工作台的装置，有的分辨率可以达到七、八位数。它具有用途多，量程广，使用方便等优点，是电子测量中最常用的工具。它可以用来测量电阻，交直流电压和直流电压。当前市场上有各式各类日常维修使用的万用表，它们各有所长，在用户的使用过程中，总会感觉有些美中不足，能准确测量电压、电阻、电流，但是，每次还需要手动去选择档位，在实际应用之中，就显得有点麻烦，或者说多此一举。万用表能测量电路中的电阻、电压、电流、电容，就不能测量室内温度，要测量电路中的电阻时，还要煞费苦心地想办法，想要测量频率时，却还要去找示波器，想要一个简单的信号时，还需要一个函数发生器，为什么万用表就不能实现这些功能呢？我们同样可以在万用表内扩展这些功能，这更能体现出万用表的“万用”。尤其是对于电子技术工作者、家用电器维修工作者、电子爱好者等万用表用户来说，他们更需要一个功能比较齐全、智能化的一个万用表，这不仅会减少他们的工作量，提高他们的工作效率，还从一定程度上还节省了他们的经济支出，这就会显得万用表更人性化，使用范围更贴切与我们的日常生活。二、设计指标及方案选定2.1 性能要求根据数字万用表的原理，在原有数字万用表能够测量交、直流电压值，直流电流、直流电阻并通过LCD显示。实现多级量程的交直流电压测量，其量程范围是200mv-4000v.实现多级量程的直流电流测量，其量程范围是2mA- 20A.实现多级量程的电阻测量，其量程范围是200-20M。”以及电容测量电路的基础之上，还采用按键式换挡以及在线测电阻，又整合了频率计、信号发生器、温度计、光照度计。主要指标：1 显示清晰直观，易于读数。数字万用表主要采用LCD和LED显示。2 具有高准确度和高分辨率。例如三位半、四位半数字万用表的准确度分别可达+-0.3%、+-0.5%、数字万用表的在最低电压量程上末位一个字所代表的电压值，成为仪表的分辨率，它反映了仪表灵敏度的高低。3 测试功能强。不仅可以测量交直流电压、交直流电流、电阻、二极管正向压降、晶体管共发射极电流放大系数，许多产品还附有测量电容、电感、温度和频率等功能。用蜂鸣器档能检查线路的通断。大多数数字万用表还有自动转换量程、自动关机等等。4 测量范围宽。数字万用表可满足常规电子测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。5 测量速度快。数字万用表在每秒钟内对被测电压的测量次数叫测量速率，单位是“次/秒”。它主要取决于A/D转换器的转换速率。一般数字万用表的测量速率为25次/秒。有的能达到20次/秒以上，另有的一些比这个还要高得多。数字万用表可满足不同用户对测量速率的需要。6 输入阻抗高。数字万用表电压挡具有很高的输入阻抗，通常为1010000M，从被测电路上吸取的电流小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。7 集成度高，微功耗。新型数字万用表普遍采用CMOS大规模集成电路的A/D转换器，整机功耗很低，3位半，4位半手持式数字万用表的整机功耗仅几十毫瓦，可用9V叠层电池供电。8 自动调零。2.2方案确定本设计是利用美国麦克西姆公司推出的专用数字万用表芯片MAX134和ATMEL公司ATMEGA16单片机设计一款智能数字万用表。下面分别介绍一下两芯片的特点以及选择该芯片的理由。2.21 MAX134的管脚简介数字地； 数字地输出；模拟输入电压的低端（端未引出）；接外部基准电压的高端，基准电压的低端接COM ；可选=655mV (50HZ 工频) 或545mV （60HZ 工频）； SOURCE欧姆源，测电阻时外接1.2V能隙基准电压源；400 m V IN直流400 m V量程的高输入端；测量电流时的输入端；、分别为写信号、读信号端；片选端 / 地址位端；地址锁存使能端 / 端；缓冲器时钟输出端 / 地址位端；、振荡器引出端，外接32768HZ石英晶体构成晶振电路，亦可输入外时钟；转换结束标志信号；蜂鸣器（BZ）驱动器；、分别为积分器输入、输出端；、外部滤波电阻的输入、输出端，配电容构成有源滤波器；、滤波放大器的输入、输出端；1k、10k、101k、1.11M、10M外接分压电阻（兼作电阻档的标准电阻）端；、接外部转换器；、分别为缓冲输出1、缓冲输出2，外接两只301k的积分电阻；、4位双向数据总线，能够输出以9为补码的BCD码数据（A/D转换结果），其中是最高位（MSB）、是最低位（LSB）;也可以接受微处理器的控制信号。第24、25脚为为空脚（NC）。对于MAX133而言，第21脚也是空脚。MAX134的21脚则是GND OUT。2.2 MAX134的主要性能特点（1）采用余数倍增式A/D转换。在不进行0读数校正时，最大值为+49520。由于0读数最大+5000，因此校正后的读数位+44520。通常取N=+39999，可以构成3 的数字万用表。（2）A/D转换准确度为0.025%，最高分辨率达5uv。单独时钟晶振，能够达到指标要求。（3）芯片内部-包括A/D转换器、量程转换开关、电池低电压检测器、蜂鸣器电路等电路。因此在构成万用表的时候只需要简单的外围电路就可以达到要求。（4）测量结果通过数字接口输出地为BCD码。使用很灵活，具有很强的开发潜力。在配上微处理器以后，能够实现20多种测试功能。（5）能够使用9V的干电池或正负5V的干电池对芯片进行供电。仪表在较长时间不用时和可以选择备用模式。让芯片进入睡眠模式从而降低了功耗，节省了宝贵的电源。综合上述的特点以及优点，结合采用单片机编程控制的可编程器件，使数字多用表的功能达到最多的可能，故选择MAX134作为主要测量芯片。2.23ATMEGA16单片机的功能简介ATMEGA16是由ATMEL公司生产的基于AVR RISC结构的8位高性能、低功耗COMS微处理器。AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。三、硬件电路设计3.1系统框图本设计的核心器件包括MAX134和MGE16。微处理器MEG16通过MAX134的数字接口对MAX134进行控制。MAX134的外围器件主要包括三部分：测量电压、电阻电流的模块；交流测量模块；电容以及蜂鸣器模块。MAX将测量到的数据通过数据接口传给单片机，让单片机对数据处理后再将数据显示在12864显示器上。电源模块为整个系统提供所需电源，其大小为9V的干电池，为MEG16提供的电源为5V。功能选择模块通过单片机来控制，从而减少了按键的个数。通过单片机对max134控制来实现量程的自动量程转换，从而实现了万用表的智能化。电源模块输入信号输入信号功能选择模块直流电压、电流、电阻测量模块电容、二极管、三极管测量交流测量模块频率计、温度计、信号发生器等模块Max134最小系统MEG16单片机12864显示器3.2各电路模块设计3.2.1 max134外围电路上图为MAX134组成数字多用表的多用基本电路。其外围电路主要还包括：AC/DC转换电路、电压测量电路、电流测量电路、电阻测量电路、二极管三极管测量电路。其最重要的电路为AD转换的积分电路，由Rint1、Rint2、Rint1 、Rint2 以及Cint构成了积分电路。鉴于x2模式要精确的2倍乘，所以两个积分电阻必须相等。Rint1、Rint2通常选择301k，单位了精准起见，我们在二者间加上了20k的滑动变阻器。从而使反向积分阶段输出的电流为2u A。Max134采用了高Q值、微功耗的32768Hz放入晶振，其串联电阻小于30k。震荡电容的电容值一般为10p F。第1620脚是测量电路，其采用的是高精密的分压电阻。其中R8、ICL、RP构成稳定的1.2V基准电压源，为系统测量提供准确的基准电压。管脚14、15、23、31构成有源滤波器，该滤波阻止在1M3M，具有更好的抗干扰性。3.2.2 交流电压测量电路采用MAX134测量交流电压时，还需要外接AC/DC转换器。上图为AC/DC转换电路，工作方式是按平均值响应。电路中采用了精密的双运算放大器LM358。C8为隔直电容，U4A与R9R10构成同相放大器。其中D3,D4是对运放的双向保护。U4B与D5构成半波整流器，D6为保护二极管。R17、R18、C12、C13构成两级RC型滤波器。RPx为电路校正电位器。AC/DC的输入端接max134的AC OUT端，输出接AC IN端。3.2.3电阻、电压测量电路图中的V为拨码开关，用于选择测量信号的种类。P16、P17、P18、P19、P20、P27分别接在MAX134的16、17、18、19、20、27管脚上，这些管脚是不同的测量单位。MAX134采用的比例法测量电阻，他以标准电阻R0压降作为基准电压。将被测电阻上的压降作为输入电压。测量电阻的档位分别为400、4k、40k、400k、4M，测量标准电阻分别为：1k、10k、101k、1.11M、10M。40M和4M的电阻公用10M的标准电阻。因为如果取100M的电阻会引入很大的噪声，为了减小噪声，所以公用10M电阻。测量电阻时，将拨码开关拨到电阻测量档位。4k40M的挡的测试电压均为3V，由MAX134的V+和COM脚的基准点呀来提供。晶体管T1 、T2均采用硅管9015，均作为二极管使用，它们的热敏电阻系数具有保护测试电路的作用。正常测量时，T1、T2均截止，对电路的工作没有影响。当不慎误用电阻档测量交流电压时，正半周T1正向导通，T2被反向击穿；负半周T2正向导通，T1被反向击穿。利用钳位作用将标准电阻上的电压限定在芯片允许的范围以内，保护芯片不被损坏。同样，R6对输入端也有一定的保护作用。在测量电压时，通过标准电阻分压后，仍然测量其电压大小，再乘以其参数即可达到测量电压的目的。3.2.4电流测量电路该电路用于测量电流的电路。当测量电流小于400m A时，则直接进入MAX134进行测量；当测量电流大于400m A时，通过分流后将等效的电流传入MAX134，最高能够测量到达10A。图中的FV为熔断丝，其大致电流为略大于400m A。D1、D2为双向过压保护二极管，对MAX134芯片具有一定保护作用。3.2.5 蜂鸣器电路上图为具有光、声的蜂鸣器原理图。利用低功耗运放LM234作为电路的核心芯片，在该电路中作为比较器使用，其同相输入端的电压为0.41V。当测量两端（BEEP和COM）之间断开时，反向端电压趋近于2.8V。因为反相端电压较大，LM234输出低电平，迫使门控停止震动，同时LED熄灭。当有一电阻时，T3导通，LED发出红光，振荡器也起振，驱动蜂鸣器发出声音。3.2.6 二极管测试电路如图，将被测二极管的电压转化为直流电压，然后用400m V数字电压挡，并显示出来。3V基准电压源经过R31、D7、R32向被测二极管提供大约1m A的电流。二极管正向压降为0.550.7V（硅管）或0.150.3V（锗管），需经过R34分压才能送到400m V挡测量。二极管挡的保护电路由D7、D8、R32组成，该电路对于不慎拿去测交流有保护作用。3.2.7 三极管测试电路晶体管电流放大系数近似等于：k=Ic/Ib，现以NPN管进行说明。R36为三极管测量提供偏置电压，在取样电阻R38上形成压降，作为仪表测量的输入电压。因为IcIe，则U=IeR38=Ic*R38=K*Ib*R2。选择400m V的数字电压表，将Y的单位取0.1m V,再另小数点消隐后直接读增益值。3.28 电源系统本系统的电源采用的是9V的干电池，为了提供的电压更加的稳定，我们采用了LM2576稳压芯片。其中C1、C2为稳压电容，D1是，L1对输出电压的稳定具有提高作用。该方案能够更好的节省电源。3.29信号发生器的电路设计函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数（如正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。该函数信号发生器要求能都产生1-300k Hz的信号，为日常的测量提供可靠的基准。ICL8038是集成信号发生器，它能用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路。 频率(或重复频率) 的选定从0.001hz到300khz可以选用电阻器或电容器来调节, 调频及扫描可以由同一个外部电压完成. ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，输出由温度和电源变化范围广而决定。芯片具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过250ppm。其正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围，工作变化周期宽；298之间任意可调，高的电平输出范围。从图上可以知道：8038的4脚、5脚来控制其产生波形的占空比，同时可以通过调节S2上的电阻来达到调节频率范围的目的。对于1脚和12脚，都用上了100k 的滑动变阻来调节正弦波。其中，1脚调节正弦波的正向失真，12脚调节其负向失真。改变信号发生器的频率是通过调节8脚上的R12来调节频率的。在这个电路中，仅需要采用12V的电源就能够使其工作。3.3.MAX134与单片机的数字接口74LS373A0 A1A2MAX 134RDD0 D1D2WRD3Q1 D1Q2 D2Q3 D3OE GMEG16PA0 RDPA1PA2PA3 WR ALEMAX134具有3条独立的地址线（A0A2）和4位双向数据总线（D0D3）。它与单片机的接口包括三条地址线，4条数据线以及两条控制线。通过这些线，单片机可以很容易的控制MAX134的各种测量。A0A2用来选择5个寄存器的序号（04）。MAX134与单片机接口如上图所示：图中的74LS373为锁存器。当ALE得时钟上升沿到来的时候，单片机的数据就进入74LS373的存储器之中，这样MAX134就得到了所需要读写的寄存器的地址。当G=0时，锁存器被关闭，这样，单片机再给MAX134传输数