DDMM8850數字多用表的硬件設計和開發

楊蕓

（浙江行政學院 信息管理部，浙江 杭州 311121）

數字多用表[1]是目前應用最廣泛，發展最快的常規儀器，隨著科學技術的發展，對數字多用表的不確定度和功能要求越來越高，特別是現代控制中的自動測試系統逐漸普遍，可程控的數字多用表是各類自動測試系統中必備的部件。目前，5-1/2位數字多用表正在逐漸替換4-1/2位數字多用表的位置，5-1/2位數字多用表市場有很大空間，而市場基本被進口產品所占領。筆者設計和開發了一種新型數字多用表DDMM8850，其性能指標達到同類進口產品，其成本低，性價比高，非常適合作為普及性儀器使有用。它具有如下的功能:直流電壓測量，交流電壓測量，直流電流測量，交流電流測量，電阻測量和信號頻率測量；并具有量程自動轉換，自動校準，串口通訊等常備功能。目前已經基本完成了該數字表的設計和調試，并試制做出了樣機。文中主要探討其核心部件硬件電路的設計和開發。

1 DDMM8850數字多用表硬件電路的原理

DDMM8850的硬件電路結構如圖1所示，分為內層模擬電路部分和外層數字電路部分。內層模擬電路部分由量程轉換及自校準電路、電流電壓（A/V）轉換、頻率信號整形分頻電路、電阻電壓（Ω/V）轉換、DC/AC緩沖器、量程放大電路、交流真有效值（AC/RMS）轉換、模數轉換器、浮置電源等組成。外層數字部分由SOC單片機組成的微控制器，鍵盤，顯示器，RS232C組成。

為了提高抗干擾能力，內層電路安裝在屏蔽盒內，內層電路與外層電路通過光電耦合通訊聯系，儀器的工作全部在MCU的控制下進行。

圖1 硬件電路的原理框架Fig.1 Principle frame of hardware circuit

2 內層電路分析

內層電路由共用單元電路和各功能專用電路構成。

2.1 共用單元電路

1）模數（ADC）轉換器及其數學模型

模數轉換器[2]是儀表的核心，儀表的分辨率和不確定度主要由模數轉換器的分辨率和被轉換的最大模擬量共同決定的。本設計中采用了HARRIS公司的HI7159A模數轉換器，HI7159A是內含微處理機、采用多重積分轉換、BCD碼輸出的儀表專用芯片，它采用積分轉換摸式，具有較強的抗干擾能力，輸入輸出簡圖如圖2所示。

圖2 模數轉換器輸入輸出簡圖Fig.2 Input and output of A/D converter

假定模數轉換器理想的標定系數為ζ，輸入電壓Vin，輸出量Dout，理想情況輸入輸出如下式表示:

Δ為量化誤差，理想標定系數ζ=1 000 000，Δ?1。

圖2中E2是轉換的非線性等校環節，前置電路的偏移等引起的誤差折算到輸入的電壓量，模數轉換器理想的標定系數為ζ，λ是標定系數的修正量，λ<<1，Dout是輸出直讀量，Δ是量化誤差。

式（3）是模數轉換器系統誤差的數據模型，表示輸入Vin是輸出Dout的線性函數。

2）直流量程轉換網絡數學模型

直流量程轉換網絡在DMM8850中是一電阻衰減器。圖3是量程轉換網絡簡圖。

圖3 量程轉換網絡簡圖Fig.3 Network graph of measure rang conversion

DDMM8850的網絡電阻采用穩定性有保證的EE系列，為了降低費用，適當降低網絡電阻的精度和溫度系數，溫度系數不足用工藝篩選來補償。

3）直流量程放大器數學模型

直流量程放大器[3]的簡圖如圖4所示，它是電壓串聯負反饋電路，反饋系數 β=R2/（R1+R2）。

圖4 直流量程放大器Fig.4 Amplifier of DC rang

2.2 功能單元電路

1）電阻測量電路

測量電阻[4]首先要把電阻轉換成電量，電阻電壓（Ω/V）轉換電路是讓一個基準電流Ix流過被測電阻R1，產生一個與被測電阻成正比的電壓V1，V1=IxR1，因此，測出V1就可以知道R1值。

圖5是簡化Ω/V轉換電路，圖中V1是基準源，R1是被測電阻，R2是高穩定電阻，K是運算放大器的開環放大倍數。

圖5 簡化Ω/V轉換電路Fig.5 Ω/V change-over circuit

2）直流、交流電壓測量電路

直流電壓測量電路主要由量程衰減網絡、直流量程放大器、模數轉換器等組成。輸入電壓有5擋量程，直流量程放大器由新一代自穩零運放 MAXIM公司的ICL7652（U1）、衰減器組成，放大倍數分別為1倍與10倍。

交流電壓有效值測量電路由交流量程轉換電路、交流量程放大電路、交流頻率響應補償電路、AC/RMS（交流/有效值）轉換器、模數轉換器組成。AC/RMS轉換器，模數轉換器是共用電路。

3）直流、交流電流測量電路

直流電流測量電路由I/V轉換電路、直流量程放大電路（放大倍數為10）、模數轉換器組成。直流量程放大電路（X10）、模數轉換器是共用單元。

交流電流測量電路由交流I/V轉換器、交流量程放大器（放大倍數為10）、交流頻率補償電路、AC/RMS轉換器、模數轉換器組成。交流I/V轉換器與直流I/V轉換電路共用。

4）頻率測量

頻率測量前置放大整形、分頻電路如圖6所示，Fin輸入信號經前置放大整形電路、10分頻器74F162分頻后送到MCU，進行等精度模式頻率測量。

3 外層電路分析

1）控制電路

DDMM8850控制電路是以微處理器80C236F[5]為核心，控制電路中片內16 k FLASH作程序存儲器，1 k RAM作數據存儲器，微處理器80C236F通過I/O線控制鍵盤、顯示器、RS232通訊、繼電器陣列等完成各項功能和參數的測量。

圖6 頻率測量前置電路Fig.6 Front end circuit of frequency measurement

圖7 RS232C通訊電路圖Fig.7 RS232C communication circuit diagram

2）通訊電路

圖7是RS232C通訊原理圖[6]。為保證上位機安全，RS232C通訊電路與系統電路是電隔離的。

4 結束語

本文討論分析了一種數字多用表，它不但具有測量直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、電阻信號頻率的功能；并具有量程自動轉換，自動校準，串口通訊等常備功能；由于篇幅有限，此處主要是討論了DDMM8850數字多用表的硬件設計，目前該數字表已完成了設計和調試，并試制做出了樣機，結果符合設計要求，后續的工作主要是提高裝置的可靠性和精度。

[1]徐愛鈞.智能化測量控制儀器原理與設計[M].北京：航空航天大學出版社，2004.

[2]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]Paynter R.電子技術:從交、直流電路到分立器件及運算放大電路[M].北京：科學出版社，2007.

[4]張艷紅，康月兵，周風剛.數字電位器在某武器教學訓練系統中的應用[J].實驗室研究與探索，2005，24（2）:42-44.ZHANG Yan-Hong，KANG Yue-Bing，ZHOU Feng-gang.Application of digitally controlled potentiometer in a simulation training system of some weapon[J].Research and Exploration in Laboratory，2005，24（2）:42-44.

[5]樓然苗，李光飛.單片機課程設計指導[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6]任致程.經典集成電路400例[M].北京：機械工業出版社，2004.