简易万用表的设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2012 年 6 月 25 日 课 程 电子技术课程设计 题 目 简易万用表的设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控 10 3 学生姓名 曾 润 学生学号 100601240305 指导教师 路敬祎 副教授 曹广华 教授 东北石油大学课程设计任务书 课程 电子技术课程设计 题目 简易万用表的设计 专业 测控技术与仪器 姓名 曾 润 学号 100601240305 主要内容 主要内容 本课题主要设计由集成运放组成的简易数字万用表 实现多级量程的直流电压 测量 交流电压测量 直流电流测量 电阻测量以及电容测量电路 主要内容包括 系统的设计原则 总体方案 单元电路的设计 参数计算 元器件的选择及系统概 述等 基本要求 基本要求 1 设计由集成运放组成万用电表 2 至少能测量电阻 电流和电压 主要参考资料 主要参考资料 1 刘国钧 陈绍业 王凤翥 图书馆目录 M 北京 高等教育出版社 1957 15 18 2 刘润华 刘立山 模拟电子技术 J 自动化 2003 203 207 3 郁汉琪 数字电子技术实验及课题设计 北京 高等教育出版社 1995 150 153 4 康华光 电子技术基础 模拟部分 北京 高等教育出版社 1988 104 107 5 常健生 检测与转换技术 机械工业出版社 2000 年 2 月 56 579 6 阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社 1998 年 12 月 49 56 7 万嘉若 林康运 电子线路基础 高等教育出版社 1986 年 3 月 79 83 完成期限 2012 6 25 2012 7 4 指导教师 路敬祎 副教授 曹广华 教授 2012 年 6 月 25 日 电子技术课程设计 目 录 一 设计要求 1 二 方案设计 1 1 方案说明 1 2 方案论证 2 三 单元电路设计 参数计算和器件选择 3 1 单元电路设计 3 2 参数计算 5 3 器件选择 8 四 系统硬件电路设计 8 五 电路焊接练习 9 1 两管闪光灯电路 9 2 占空比和频率可调的脉冲发生器 10 3 收音机 11 六 总结 13 参考文 献 14 电子技术课程设计 1 简易万用表的设计 一 设计要求 1 设计由集成运放组成万用电表 2 实现多级量程的直流电压测量 其量程范围是 200mv 2v 20v 200v 和 500v 3 实现多级量程的交流电压测量 其量程范围是 200mv 2v 20v 200v 和 500v 4 实现多级量程的直流电流测量 其量程范围是 2mA 20mA 200mA 2A 20A 5 实现多级量程的电阻测量 其量程范围是 200k 2k 20k 200k 和 2M 二 方案设计 1 方案说明 首先以 A D 转换器 MC14433 为核心 设计一个多档的直流电压测量电路 再在此基础上对电路进行扩展 使其能多量程的测量交流电压 直流电流和电阻的 测量电路 其原理框图如图 1 所示 功能 选择 电流 电压变 换 交流电压 直流 电压变换 电阻 电压变 换 量程 选择 电源 模 数转 换器 计数 译 码 显示 被测对象 O 电子技术课程设计 2 图 1 数字万用表原理框图 所以本设计可以分为直流电压测量电路 交流 直流转换电路 电流 电压转 换电路 电阻 电压转换电路 功能控制和数据显示电路这五个的主要电路模块 2 方案论证 1 A D 转换电路 方案一 采用 ICL7106 ICL7106 是 CMOS 大规模集成电路芯片 它将模拟 电路与数字电路集成在一个有 40 个功能端的电路内 所以只需外接少量元件就 可组成一个 3 1 2 位数字电压表 但是 ICL7106 是以静态方式驱动 LCD 转换器 无 BCD 码输出端 因此不能直接获得降量程信号 方案二 采用 MC14433 MC14433 是一个低功耗 3 1 2 位双积分式 A D 转换 器 与 ICL7106 相比 MC14433 采用动态扫描显示 有多路调制的 BCD 码输出端 和超量程信号输出端 便于与单片机相连构成智能控制系统 所以采用方案二 2 交流 直流转换电路 方案一 半波整流电路 利用二极管的单向导电性 可以很容易的得到直流 电压 且能满足设计要求 方案二 采用真有效值转换芯片 性能参数方面也都能满足设计要求 并且还 能测量非正弦波 但一般真有效值转换芯片价格比较贵 鉴于此 故采用方案一 三 单元电路设计 参数计算和器件选择 1 单元电路设计 1 直流电流测量电路 如图 2 所示 电子技术课程设计 3 图 2 数字万用表直流电流测量电路原理图 图中 VD1 VD2 为保护二极管 当基本表 IN IN 一两端电压大于 2OOmV 时 VD1 导通 当被测量电位端接入 IN 一时 VD2 导通 从而保护了基本表的 正常工作 R2 R5 RC 分别为各挡取样电阻 组成电流 电压转换器 I U 即测 量时 被测电流 在取样电阻上产生电压 从而得到了被测电流的量值 2 直流电压测量电路 如图 3 所示 该电路是由电阻分压器所组成的外围电路和基本表构成 把基本量程为 200mV 的量程扩展为五量程的直流电压挡 图中斜线区是导电橡胶 起连接作用 图 3 数字万用表直流电压测量电路原理图 电子技术课程设计 4 3 交流电压测量电路 如图 4 图 4 数字万用表交流电压测量电路原理图 图中 C1 为输入电容 VD11 VD12 是 C1 的阻尼二极管 它可以防止 C1 两端出现过电压而影响放大器的输入端 R21 是为防止放大器输入端出现直流分 量而设计的直流通道 VD5 VD6 互为反向连接 起 守门 作用 防止输入至运 算放大器 062 的信号超过规定值 运算放大器 062 完成对交流信号的放大 放大 后的信号经 C5 加到二极管 VD7 VD8 上 信号的负半周通过 VD7 正半周通过 VD8 完成对交流信号进行全波整流 经整流后的脉动直流电压经电阻 R26 R31 和电容 C6 C10 组成的滤波电路滤波后 在 R27 RP4 上提取部分信 号输人至基本表的输人端 IN 4 交流电流测量电路 交流电流测量电路与交流电压测量电路基本相同 只需将图中的分压器改成 分流器即可 故其分流电阻与直流电流挡共用 耦合电路及其后的电路与交流电 压测量电路共用 5 直流电阻测量电路 如图 5 下图为数字万用表直流电阻测量原理图 电阻测量原理是利用被测电阻和基 准电阻串联后接在基准电压源上 被测电阻上的压降作为基本表的电压输入端 通过选择开关改变基准电阻的大小 可以实现多量程电阻测量 原理接线如图 电子技术课程设计 5 图 5 直流电阻测量电路原理图 2 参数计算 1 模数 A D 转换与数字显示电路 数字信号与模拟信号不同 其幅值 大小 是不连续的 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 一般情况下 N 1000 即可满足测量精度要 求 量化误差 1 1000 0 1 2 多量程数字电压表原理 在基准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 如图 6 所示 U0 为电压表头的量程 如 200mV r 为其内阻 如 10M r1 r2 为分压电阻 U10 为扩展后的量程 电子技术课程设计 6 图 6 分压电路原理 由于 r r2 所以分压比为 21 2 0 0 rr r U U i 1 扩展后的量程为 0 2 21 0 U r rr Ui 2 实际数字万用表的直流电压档电路为图 7 所示 它能在不降低输入阻抗的情 况下 达到同样的分压效果 图 7 使用分压电路 电子技术课程设计 7 例如 其中 200V 档的分压比为 001 0 10 10 54321 54 M k RRRRR RR 其余各档的分压比可同样算出 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 MRRRRRR10 54321 总 再计算 2000V档的电阻 KRR10001 0 5 总 再逐档计算 4 R 5 R 2 R 1 R 尽管上述最高量程档的理论量程是 2000V 但通常的数字万用表出于耐压和 安全考虑 规定最高电压量限为 1000V 3 多量程数字电流表原理 测量电流的原理是 根据欧姆定律 用合适的取样电阻把待测电流转换为相 应的电压 再进行测量 如图 8 由于 r R 取样电阻 R 上的电压降为 ii UI R 3 即被测电流 i i U I R 4 图 8 电流测量原理 若数字表头的电压量程为 U0 欲使电流档量程为 I0 则该档的取样电阻 也 称分流电阻 为 0 0 U R I 5 如 U0 200mV 则 I0 200mA档的分流电阻为 R 1 实际数字万用表的直流电流档电路为图 9 所示 图 9 实用分流器电路 电子技术课程设计 8 如图 9 中各档分流电阻的阻值是这样计算的 先计算最大电流档的分流电 阻 5 R 1 0 2 2 0 5 0 m s I U R 6 再计算下一档的 4 R 9 01 0 2 0 2 0 5 4 0 4 R I U R m 7 依次可计算出 5 R 2 R 和 1 R 图中的 BX 是 2A 保险丝管 电流过大时会快速 熔断 超过流保护作用 四 系统硬件电路设计 1 工作原理 在测量时先把被测量通过不同的转换器转换成直流电压 然后再用数字电压 表进行电压测量 从而得到被测量的数值 的测量过程是利用 A D 模 数 变换 器将被测的模拟电压变换成相应的数字量 然后通过电子计数器计数 最后把被 电子技术课程设计 9 测电压值以十进制数字形式直接显示在显示器上 2 原理电路图 如图 10 所示 图 10 原理电路图 系统需要的元器件清单 如表 1 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1 电阻 R10 0 991 2 电阻 R8 91 3 电阻 R20 1001 4 电阻 R21 9001 5 电阻 R22 9K1 6 电阻 R23 90K1 7 电阻 R24 R25 R35 117K3 8 电阻 R26 R27 274K2 9 电阻 R5 1K1 电子技术课程设计 10 10 电阻 R6 3K1 11 电阻 R7 30K1 12 电阻 R30 R4 100K2 13 电阻 R1 150K1 14 电阻 R18 R19 R12 R13 R14 R15 220K6 15 电阻 R2 470K1 16 电阻 R3 1M1 17 电阻 R32 2K1 18 电容 C1 100pF1 19 电容 C2 C3 C4 C5 100nF4 20 二极管 D3 1N40071 21 三极管 Q1 90131 五 电路焊接练习 1 两管闪光灯电路 1 两管闪光灯电路 如图 11 所示 图 11 两管闪光灯电路 电子技术课程设计 11 2 原理说明 当给电路通电瞬间 电源正极通过电阻 R1 和 R2 给电解电容 C1 充电 此时 C1 两端电压由 0V 往上升 也就是 555 的 脚电压从 0V 往上升 根据 脚 电压小于 1 3 电源电压时 脚输出高电平 这时发光二极管 LEDl 灯亮 LED2 灯灭 当 C1 上电压上升至 4V 时 555 的 6 脚电压达到了 2 3 电源电压 555 电 路翻转 脚输出低电子 LEDl 灯灭 而 LED2 灯亮 此刻 脚电位为 0V C1 上的电荷通过 R2 向 脚 0V 放电 当 C1 放 电到 2V 即 555 的 脚电位降至 1 3 电源电压时 脚又输出高电平 LEDl 灯亮 而 LED2 灯灭 脚又开路 电源又开始通过 R1 和 R2 向 C1 充电 又重复 上述过程 所以 LEDl 和 LED2 交替闪亮 3 焊接情况 在老师简单介绍了电路图和注意事项后 开始了第一个电路图的焊接 虽然 元件不多 电路图很简单 但是各元件之间的连接很复杂 期间遇到了不少问题 一开始我直接用元件上多余的导线与其他元件相连 没有考虑到短路的情况 结 果很不理想 后来又焊了一次 用绝缘导线进行两元件的连接 才发现好一点 但由于不太细致 加上电路板空间不足 导致仍然没有达到预期效果 2 占空比和频率可调的脉冲发生器 1 占空比和频率可调的脉冲发生器电路图 如图 12 所示 图 12 占空比和频率可调的脉冲发生器 2 原理说明 IC1 为阈值检测器 IC2 为积分器 它的输出为三角波 IC1 输出正向电压使 IC2 输出负向三角波 当负向三角波达到某一值时其正反馈量使 IC1 翻转 输出 电子技术课程设计 12 变为负 从而引起 IC2 输出正向三角波 由此周而复始 IC1 的输入偏置电压和 输出饱和电压决定三角波的幅值 IC3 为电压跟随器 100K 电位器提供可变的参 考电压 改变参考电压可改变比较器输出脉冲的占空比 而且输出频率不变 调 节 10K 的变阻器可改变比较器输出脉冲频率 3 焊接情况 在第一个的基础上 焊第二个时速度明显变快了 其间也遇到了一些新的问 题 由于有的元器件之间位置没有调整好 间隙过小 加上技术不够成熟 出现 了桥接的情况 导致短路 后来在老师的指导下用锯子割开 总体来说 焊的较 电路一要平整光滑些 电路关系更加明确 最后焊接很成功 在示波器上出现了 稳定的方波 3 收音机 1 电路图如图 13 所示 图 13 收音机电路图 2 原理说明 收音机是把广播电台发射的无线电波中的音频信号取出来 加以放大 然后 通过扬声器还原出声音 具体讲 从天线 磁棒具有聚集电磁波磁场的能力 而 天线线圈是绕在磁棒上 接收到的许多广播电台的高频信号 通过输入回路 为 并联谐振回路 具有选频作用 选出其中所需要的电台信号送入变频级的基极 电子技术课程设计 13 同时由本机振荡器产生高频等幅波信号 它的频率高于被选电台载波 也送于变 频级的发射极 二者通过晶体管 be 结的非线性变换 将高频调幅波变换成中频 调幅波信号 在这个变换过程中 被改变的只是已调幅波载波的频率 而调幅波 的振幅变化规律 调制信号即声音 并未改变 变换后的中频信号通过变频级集 电极接的 LC 并联回路选出中频调幅信号 被送到中频放大器放大后 再送入检 波器进行幅度检波 从而还原出音频信号 然后通过低频电压放大和功率放大 再去推动扬声器 还原出声音 3 焊接情况 由于焊收音机时电路板上直接画着电路 包括各元件的位置 虽然元件很多 但较之前面来说在个人发挥上要简单许多 可是在焊接技术上要求又高很多 尤 其是焊芯片时 各引脚间距离狭窄 很难保证不短路 必须十分小心 很费时间 其他元件都很好焊 所以在老师的详细讲解下 很快就焊接完毕 但发现出来的 只是噪音 经检查 发现天线还未安装 在接完天线后果然出来音乐声 六 总结 本课题设计的数字万用表具有以下几点特点 1 测量速率快 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 2 5 次 秒 2 输入阻抗高 电压挡具有很高的输入阻抗 通常为 10 10000M 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 3 集成度高 微功耗 采用 CMOS 大规模集成电路的 A D 转换器 整机功耗很低 4 保护功能完善 抗干扰能力强 具有比较完善的保护电路 过载能力强 课题的实用价值 数字万用表是当前电子 电工 仪器 仪表和测量领域大量使用的一种基本 测量 已被广泛应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 示出强大的生命力 随着时代科技的进步 数字万用表的功能越来 越强大 把电量及非电量的测量技术提高到崭新水平 为了设计更人性化 可以 朝智能方面发展 也可以将万用表设计得更精准小巧 电子技术课程设计 14 收获和体会 在设计这样一个课题后 使我最自己的专业有了更深入的认识 也进一步将 课本上的内容运用到解决实际问题上来 这些天以来 也认真学习了简易万用表 的内部电路组成 知道了它的工作原理 总体来说 最大的收获是提高了自我学 习的能力 同时在焊接电路时 也增强了动手能