智能数字万用参考模板.doc

PAGE PAGE 5 智能万用表的设计 摘要：采用MSP430F148单片机作为系统的核心控制器件，用AD637集成真有效值转换芯片和电阻—电压转换电路分别将交流电压信号、电阻转换为直流信号，再利用MC14433A/D转换芯片完成电压到数字量的转换。该系统采用直流供电，由直流电压测量模块、交流电压测量模块、电阻测量模块、MC1433A/D转换模块，单片机控制模块、键盘输入模块与显示模块组成，具有测直流电压、测交流电压、测量电阻功能，测量精度高功耗低、抗干扰能力强等特点。 关键词：数字万用表　MC14433　MSP430单片机 1 方案设计与比较 1.1 交流有效值测量方案 方案一：热电偶测量法。热电偶测量法是根据交流有效值的物理定义来实现测量的，利用热电偶电路平衡原理通过两端的电势比较得到有效值。但热电偶转换是非线性的且热电偶配对较难、响应速度慢、过载能力差。 方案二：模拟运算法。根据有效值的数学定义，用集成组件乘法器、开方器等依次对被测信号进行平方、平均、开方等计算直接得到输入信号的有效值。这种方案测量的动态范围小、精度不高且当输入信号的幅度变小时，平均器输出电压的平均值下降很快、输出幅度很小往往导致与失调、漂移电压混淆。 方案三：交流整形电路。采用AD637集成真有效值转换芯片，把交流电压信号转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号，再对直流电压进行测量，这种方案电路简单、响应速度快、失真度小故采用此种方案。 1.2 小电阻测量方案 方案一：直流电桥测电阻。直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。采用这两种方法时很多操作需要手动操作，并且对元件选取要求高，通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，调节困难，需要采用数控电阻，用单片机处理计算杂复并且测量时操作不方便。 方案二：电阻比例法。电阻比例法采用与双斜积分式A/D转换器配合，可实现电阻—数字的转换。此方案由于在电阻上Rx、Rs中流过相同的电流，因此不需要精密的基准电流，但需要计数器和精密时钟发生器且电路复杂处理难度大。 方案三：采用恒流外加小信号放大法。当测量0～2Ω小电阻时采用恒流源产生10mA电流流经电阻产生0~20mV压降再放大10倍即0~200mV测量，这样解决了大电流流经小电阻发热大的问题。此种方案误差取决于恒流源的精度，恒定电流由精密恒流源产生10mA，电流稳定误差小，所以可以达到很高的精度，故采用此种方案。 2 理论分析与计算 直流电压测量分析：直流电压测量用MC14433AD转换芯片完成，MC14433转换精度为0.05% SKIPIF 1 0 1个字，符合题目中的精度要求，MC14433转换电压范围0~2V，所以当直流电压信号大于2V时通过分压电路进行衰减使其电压将为0~2V达到合适量程范围。 交流电压测量分析：交流电压信号经过分压电路进行量程选择后，再通过AD637真有效值转换芯片转换为直流电压信号进行测量，AD637转换芯片精度高、失真小，最大失真误差为0.02% SKIPIF 1 0 2个字，而分压电路没有失真，所以交流电压测量精度完全符合题目要求。 电阻测量分析：电阻测量采用恒流法，使用恒流源产生恒定的电流流经待测电阻产生压降，再测量相应的电压，通过MC14433转换得到电阻值，这种测量方法只要电流恒定测量误差可以降低很小，可以达到题目的精度要求。 3 电路设计 3.1 系统框图如图3-1所示。 图3-1 系统框图 直流电压测量模块：直流电压信号经过分压器选择量程后直接测量。 交流电压测量模块：交流电压信号经分压器选择量程后再通过AD637集成真有效值转换芯片转换为直流量后再进行测量，完成测量交流电压功能。 电阻测量模块：将待测电阻转换为相应的直流电压信号，再测量直流电压通过AD转换间接得到电阻值。 MC14433AD转换模块：AD转换模块采用MC14433A/D芯片完成电压量到数字量的转换。 显示模块：显示模块采用段式BTL003液晶显示，由单片机控制送入显示，液晶显示具有直观、功耗低、方便等特点。 按键控制模块：完成测量功能的转换以及标称值的输入，实现人机对话。 单片机控制模块：是整个控制系统的核心，采用MSP430系列单片机。在实现低功耗方面有明显优势。 3.2 交流电压转换电路 交流电压测量中交流信号真有效值的转换电路是测量交流电压值的关键部分，其设计的好坏直接影响到交流电压信号的测量精度，在本次设计中我们通过比较选择采用AD637来实现交流信号到直流量的转变，AD637是高精度、带宽范围广的真有效值转换芯片，电路如图4所示。 图3-2 AD637转换电路 V0端输出的直流信号电压值等于交流信号u(t)的有效值完成了交流到直流转换，实验检测