量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)

1、太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)學(xué) 位 論 文量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì) 作 者 姓 名： 秦小康 學(xué) 科 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué) 號(hào)： 102028116 指 導(dǎo) 教 師： 劉繼軍（講師） 完 成 日 期： 2014-06-09 太原工業(yè)學(xué)院Taiyuan Institute of Technology太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)誠(chéng)信申明本人申明：本人所提交的畢業(yè)論文量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)的所有材料是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立研究、寫作、完成的成果，論文中所引用他人的無(wú)論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中加以說(shuō)明；有關(guān)老師、同學(xué)和其他人員對(duì)我的論文的寫作、修訂提出過(guò)并為我在論文中

2、加以采納的意見(jiàn)、建議，均已在我的致謝辭中加以說(shuō)明并深致謝意。本設(shè)計(jì)和資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。特此申明。本人簽名： 2014年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)（論文）題目： 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì) 系部： 電子工程系 專業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)號(hào)： 102028116 學(xué)生： 秦小康 指導(dǎo)教師（含職稱）： 劉繼軍（講師） 1課題意義及目標(biāo) 本設(shè)計(jì)使數(shù)字萬(wàn)用表成為了智能化檢測(cè)儀器， 與傳統(tǒng)數(shù)字萬(wàn)用表相比,提高了測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,使用方便。其中，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊采用程控增益放大器實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：第一，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換；第二，避免萬(wàn)用表被損壞；第三，避免量程選

3、擇開(kāi)關(guān)的機(jī)械損耗引起的準(zhǔn)確度下降。2主要任務(wù)（1）明確設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：顯示模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊等的設(shè)計(jì)（2）查閱并學(xué)習(xí)相關(guān)文獻(xiàn)資料（3）掌握數(shù)字萬(wàn)用表的基本工作原理（4）掌握自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的原理（5）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)并仿真（6）嚴(yán)格按照格式要求撰寫論文3主要參考資料1張劍平.智能化檢測(cè)系統(tǒng)及儀器M.第二版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.7.2郭志友.自動(dòng)換量限的數(shù)字萬(wàn)用表J.儀器儀表學(xué)報(bào),2004.2,第 25 卷(第1期).3沙占友等.萬(wàn)用表速學(xué)巧用一本通M.第一版.北京:中國(guó)電力出版社,2012.6.4秦輝.全自動(dòng)數(shù)字萬(wàn)用表:中國(guó),ZL200820301983.2P.5張華林.

4、 MCP41/42 系列數(shù)字電位器的原理及其應(yīng)用J. 漳州師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版, 2007(第3期).4進(jìn)度安排設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱起止日期1制定工作計(jì)劃,掌握課題任務(wù)要求，搜集有關(guān)資料，完成開(kāi)題3月05日3月11日2掌握相關(guān)原理和單元電路模塊3月12日4月01日3設(shè)計(jì)完成整體電路，對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，完成中期檢查4月02日4月24日4完成電路設(shè)計(jì)和仿真4月25日6月01日5畢業(yè)設(shè)計(jì)資料整改和完善,撰寫畢業(yè)論文，加深對(duì)各個(gè)單元電路的理解6月02日6月11日III量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)摘要本文主要介紹量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)的主要目的是使數(shù)字萬(wàn)用表實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。作為

5、使用者，不必手動(dòng)選擇量程，省去了量程選擇過(guò)程，數(shù)字萬(wàn)用表省去了量程選擇旋鈕。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的過(guò)程通過(guò)程序控制硬件實(shí)現(xiàn)，從而使得測(cè)量過(guò)程更為方便。尤其，本設(shè)計(jì)使數(shù)字萬(wàn)用表成為了智能化的儀器，與傳統(tǒng)數(shù)字萬(wàn)用表相比,提高了測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊采用程控增益放大器PGA，用試探法通過(guò)采樣確定PGA的控制值。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：第一，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換；第二，避免萬(wàn)用表被損毀；第三，避免量程選擇開(kāi)關(guān)的機(jī)械損耗引起的準(zhǔn)確度下降。本設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)，是由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成的。其中，硬件設(shè)計(jì)主要包括A/D轉(zhuǎn)換電路、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制與顯示電路設(shè)計(jì)

6、、電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)、電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序以及各個(gè)模塊的控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)量程的控制，并且測(cè)量結(jié)果顯示在LED數(shù)碼管上。關(guān)鍵詞：量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，智能儀器，PGAVDesign of Auto-range digital multimeter Abstract Thearticlefocuses on describing the design range digital multimeter designed for automatic conversion.The main purpose of this design is to make the digita

7、l multimeter to realize automatic range conversion function.As a user,not the need to manually select the range,eliminating the range selection process,digital multimeteromits the range selector button.The process of automatic range switching function is realized by program control hardware,which ma

8、kes the measurement more convenient.Especially,the design of the digital multimeter become intelligent instrument,compared with the traditional digital multimeter,to improve the accuracy of the test efficiency and test results.Among them,automatic conversion range module adopts programmable gain amp

9、lifier PGA,sampling to determine the PGA control values by trial method.The design can achieve the following functions:First,automatic range conversion;Second,avoid the multimeter damaged;Third,avoid accuracy decline caused by mechanical loss range switch.The design is based on AT89C51, consists of

10、hardware design and software design of two parts. Among them, the hardware design includes A/D conversion circuit, module design,automatic range conversion microcomputer control and display circuit design, resistance to voltage conversion circuit module design,current to voltage conversion module de

11、sign.Software design including the main program and each module of the control program, and ultimatelyto achieve control of the range, and the measurement results are displayed in LED Segment Displays .Key words：Automatic conversion range,Intelligent instruments,PGA目 錄1 緒論11.1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展1 1.2 問(wèn)題的提出21.3

12、 研究的背景與意義31.4 主要實(shí)現(xiàn)的功能31.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案41.6 萬(wàn)用表的分辨率與精度41.7 數(shù)字萬(wàn)用表與智能儀器51.8 設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決的問(wèn)題62 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)72.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖72.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案72.3 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的方案設(shè)計(jì)與論證82.3.1 方案設(shè)計(jì)82.3.2 方案論證113量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表的硬件電路設(shè)計(jì)133.1 A/D轉(zhuǎn)換電路133.2 單片機(jī)控制與顯示電路143.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)153.2.2 LED顯示電路設(shè)計(jì)173.3 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊電路183.4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路223.4.1 繼電器介紹233.5電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路244 量程自動(dòng)

13、轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表的程序設(shè)計(jì)264.1 protues軟件簡(jiǎn)介264.2 編程語(yǔ)言選擇和keil uVision4軟件簡(jiǎn)介264.2.1 編程語(yǔ)言選擇264.2.2 keil uVision4軟件簡(jiǎn)介274.3 軟件設(shè)計(jì)流程314.4 protues與keil uVision4軟件的聯(lián)合調(diào)試325 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表系統(tǒng)測(cè)試346 總結(jié)36致謝38參考文獻(xiàn)39附錄40附錄A：整機(jī)電路圖40附錄B：輸入為15V時(shí)仿真圖41附錄C：超量程時(shí)顯示仿真圖41附錄D：程序源代碼42IX1 緒論1.1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展國(guó)外研究概況經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)外的測(cè)量?jī)x器已經(jīng)是一個(gè)成熟的行業(yè)，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外儀

14、器儀表行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)：新技術(shù)普遍應(yīng)用目前普遍采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、專用集成電路(ASIC)及表面貼裝技術(shù)(SMT)等技術(shù)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展、計(jì)算機(jī)硬件價(jià)格的不斷下降，通用硬件平臺(tái)和虛擬儀器也正在成為趨勢(shì)。通用硬件平臺(tái)主要包括用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析處理和信號(hào)輸出顯示等帶有共性的硬件，例如微型計(jì)算機(jī)、A/D和D/A變換器、顯示器等，有了這些通用硬件平臺(tái)，根據(jù)不同儀器的具體技術(shù)要求，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的軟件，就可以產(chǎn)生不同的測(cè)試功能，輸出多種測(cè)試信號(hào)。虛擬儀器充分利用了微型計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟硬件技術(shù)，可

15、以設(shè)計(jì)出風(fēng)格不同的人機(jī)操作界面，并且易于隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的升級(jí)而升級(jí)。虛擬儀器允許用戶在通用硬件平臺(tái)上根據(jù)自己的需要構(gòu)造儀器，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器的作用，對(duì)儀器功能進(jìn)行變換組合，因而比實(shí)物儀器更具有靈活性。在當(dāng)今科技的高速發(fā)展中，測(cè)量技術(shù)和實(shí)驗(yàn)手段的現(xiàn)代化己成為科技現(xiàn)代化的重要條件和標(biāo)志。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，檢測(cè)儀器也將朝著“更快、更寬、更深”方向發(fā)展。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生簡(jiǎn)化在重視高檔儀器開(kāi)發(fā)的同時(shí)，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機(jī)，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化。隨著各類儀器裝上了CPU，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人力、財(cái)力。今后的

16、儀器歸納成一個(gè)簡(jiǎn)單的公式：“儀器=AD/DA+CPU+軟件”。AD芯片將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)軟件處理變換后用DA輸出。國(guó)內(nèi)研究概況 八十年代，我國(guó)儀器行業(yè)受到了國(guó)外沖擊，承受了巨大壓力。原有的骨干企業(yè)大多數(shù)不景氣，效益滑坡。先后經(jīng)歷了引進(jìn)、發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新三個(gè)階段。20世紀(jì)70年代中期從南韓購(gòu)置DT830、DT890樣機(jī)和散件進(jìn)行研究,生產(chǎn)數(shù)量不大,由于國(guó)內(nèi)元器件滿足不了要求,加上模具、工藝等方面的差距,發(fā)展速度十分緩慢,與國(guó)外同類產(chǎn)品相比落后約15年。但同時(shí)高科技民營(yíng)企業(yè)發(fā)展迅速，隨著深圳萬(wàn)用表工業(yè)的飛速發(fā)展,目前我國(guó)數(shù)字萬(wàn)用表的產(chǎn)量已躍居世界首位,每年生產(chǎn)近千萬(wàn)臺(tái)(塊)中、低檔數(shù)字萬(wàn)

17、用表,并向100多個(gè)國(guó)家大量出口,占世界中、低檔數(shù)字萬(wàn)用表總產(chǎn)量的85%以上。在國(guó)內(nèi)數(shù)字萬(wàn)用表的生產(chǎn)廠家中,深圳勝利高電子科技有限公司是最早引進(jìn)數(shù)字萬(wàn)用表生產(chǎn)技術(shù)的,所開(kāi)發(fā)的勝利牌(VICTOR)數(shù)字萬(wàn)用表不僅在國(guó)內(nèi)外的巿場(chǎng)占有率高,而且享有很高的信譽(yù)。深圳華誼儀表有限公司也開(kāi)發(fā)出一批具有較高水平的智能數(shù)字萬(wàn)用表新產(chǎn)品。但目前,我國(guó)所需高檔數(shù)字萬(wàn)用表仍以進(jìn)口產(chǎn)品為主。近年來(lái)大家都在積極轉(zhuǎn)變觀念，通過(guò)不斷深化改革，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，選擇了有限目標(biāo)，穩(wěn)住和發(fā)展量大面廣的中、低擋儀器，充分發(fā)揮電子測(cè)量技術(shù)的滲透力和結(jié)合力，使得極其困難的儀器行業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。另外，通過(guò)科技攻關(guān)、聯(lián)合開(kāi)發(fā)、合資

18、合作和引進(jìn)技術(shù)消化吸收國(guó)產(chǎn)化等多種形式，使中國(guó)儀器儀表行業(yè)部分中高檔主導(dǎo)產(chǎn)品縮小了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，并形成生產(chǎn)能力。一批國(guó)有、集體、民營(yíng)、三資企業(yè)和科研院所通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，在行業(yè)中脫穎而出，并顯現(xiàn)出良好發(fā)展勢(shì)頭和后勁，已形成主導(dǎo)、核心力量。1.2 問(wèn)題的提出 自1977年世界上首臺(tái)手持式數(shù)字萬(wàn)用表問(wèn)世以來(lái)，研究者在萬(wàn)用表的功能和設(shè)計(jì)上不斷創(chuàng)新，新品迭出。數(shù)字萬(wàn)用表是電測(cè)技術(shù)中的一種常用儀表，它把電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的成果和電測(cè)技術(shù)結(jié)合在一起，以其操作方便、讀數(shù)準(zhǔn)確、體積小巧、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代測(cè)量中不可缺少的儀器。目前的數(shù)字萬(wàn)用表雖然具有很高的靈敏度和準(zhǔn)確度,但仍存在不足之處,

19、主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1) 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。最突出的問(wèn)題是在使用中需要經(jīng)常旋轉(zhuǎn)功能/量程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),操作不便,測(cè)量速度慢。(2) 經(jīng)常被損壞。數(shù)字萬(wàn)用表被燒毀的主要原因是操作者誤操作。例如:測(cè)量電壓的時(shí)候,誤將功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于電阻檔或置于電流檔等。發(fā)生這些情況時(shí),數(shù)字萬(wàn)用表很容易被損壞。雖然在數(shù)字萬(wàn)用表電路中增加了保護(hù)電路,但保護(hù)電路只對(duì)誤測(cè)較低電壓有效,當(dāng)誤測(cè)較高電壓時(shí),一些測(cè)量電路和保護(hù)電路將同時(shí)被燒毀。所以各種數(shù)字萬(wàn)用表使用說(shuō)明書(shū)中均強(qiáng)調(diào)不要用數(shù)字萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量電壓,否則將損壞儀表，但因數(shù)字萬(wàn)用表本身對(duì)誤測(cè)缺乏嚴(yán)格的防范措施,此種現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。(3) 觸點(diǎn)接觸不良。功能/量程選擇

20、開(kāi)關(guān)屬于機(jī)械開(kāi)關(guān),在測(cè)量過(guò)程中需要人工轉(zhuǎn)動(dòng),其彈簧片容易被氧化、損壞和變形而造成彈簧片觸點(diǎn)與電路板接觸不良,導(dǎo)致數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量準(zhǔn)確度下降,嚴(yán)重時(shí)甚至引起失靈。革除這些弊端一直是設(shè)計(jì)者苦苦探索但始終未能很好解決的難題。1.3 研究的背景與意義量程自動(dòng)選擇的數(shù)字萬(wàn)用表,除了直觀準(zhǔn)確的顯示測(cè)量電壓值、減輕應(yīng)用技術(shù)人員工作量、提高效率、高分辨率和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)外，通過(guò)加入量程自動(dòng)選擇的功能，使數(shù)字萬(wàn)用表成為了智能化的儀器，與傳統(tǒng)數(shù)字萬(wàn)用表相比,提高了測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,使用方便,具有廣泛的應(yīng)用前景。特別地，隨著電子技術(shù)特別是檢測(cè)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，提高數(shù)字萬(wàn)用表自動(dòng)化水平成為可能，測(cè)量量程自

21、動(dòng)轉(zhuǎn)換的數(shù)字萬(wàn)用表取代手動(dòng)操作的數(shù)字萬(wàn)用表是必然趨勢(shì)。將測(cè)控技術(shù)的發(fā)展成果應(yīng)用到數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)中，對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字萬(wàn)用表的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，用先進(jìn)控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械功能量程選擇開(kāi)關(guān)，研制世界上最先進(jìn)的新一代高智能化的數(shù)字萬(wàn)用表具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于提高我國(guó)在儀表制造業(yè)方面的國(guó)際影響力和數(shù)字萬(wàn)用表在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力將發(fā)揮重大作用。1.4 主要實(shí)現(xiàn)的功能 設(shè)計(jì)的主要功能是使數(shù)字萬(wàn)用表能夠自動(dòng)判斷被測(cè)量是否超量程，并衰減至相應(yīng)的測(cè)量量程，無(wú)需人工選擇測(cè)量量程。使用者只需選擇測(cè)量?jī)?nèi)容（電阻、電壓、電流），通過(guò)本設(shè)計(jì)使數(shù)字萬(wàn)用表成為了智能化的儀器，提高了測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,使用更加方便。1.5 系

22、統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 測(cè)量電阻，將被測(cè)量的電阻值轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)給A/D處理顯示。測(cè)量電流，將被測(cè)量的電流值轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)給A/D處理顯示。由A/D將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，采用AT89C51單片機(jī)和程序?qū)崿F(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，并將確定量程后測(cè)量出的數(shù)值直觀顯示到LED。如圖1.1所示。圖1.1 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.6 萬(wàn)用表的分辨率與精度(l)分辨率分辨率也稱靈敏度,指數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果的最小量化單位,即可以看到被測(cè)信的微小變化。例如:如果數(shù)字萬(wàn)用表在4V范圍內(nèi)的分辨率是lmV,那么在測(cè)量1V的信號(hào)時(shí),你就可以看到lmV的微小變化。數(shù)字萬(wàn)用表的分辨率一般用位數(shù)或字表示。數(shù)字萬(wàn)用表分辨

23、率是很重要的指標(biāo),就像你要測(cè)量小于1毫米的長(zhǎng)度,你肯定不會(huì)用最小單位為厘米的尺子。一個(gè)3位半的表,后三位可以顯示三個(gè)從0到9的全數(shù)字位,前一位只顯示一個(gè)半位(顯示1或顯示0),即3位半的數(shù)字表可以達(dá)到1999字的分辨率;一塊4位半的數(shù)字萬(wàn)用表可以達(dá)到19999字的分辨率。用字來(lái)描述數(shù)字表的分辨率比用位數(shù)描述要好?，F(xiàn)在的4位半數(shù)字萬(wàn)用表的分辨率已經(jīng)提高到32000或50000字。32000字的數(shù)字萬(wàn)用表為某些測(cè)量提供了更好的分辨率。例如,一個(gè)19999字的表,在測(cè)量大于200V的電壓時(shí),你不可能顯示到0.IV。而32000字的數(shù)字萬(wàn)用表在測(cè)320伏特的電壓時(shí),仍可顯示到0.1V。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)

24、設(shè)計(jì)結(jié)果，在測(cè)量1V的信號(hào)時(shí),就可以看到0.01V的微小變化。即本數(shù)字萬(wàn)用表在5V范圍內(nèi)的分辨率是0.01V。(2)精度 萬(wàn)用表的精度是指在特定的使用環(huán)境下,出現(xiàn)的最大允許誤差。換句話說(shuō),精度就是用來(lái)表明數(shù)字多用表的測(cè)量值與被測(cè)信號(hào)的實(shí)際值的接近程度。對(duì)于數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)說(shuō),精度通常使用讀數(shù)的百分?jǐn)?shù)表示。例如,1%的讀數(shù)精度的含義是數(shù)字萬(wàn)用表顯示100.OV時(shí),實(shí)際的電壓可能會(huì)在99V到101.OV之間。在詳細(xì)說(shuō)明書(shū)中可能會(huì)有特定數(shù)值加到基本精度中,它的含義就是,對(duì)顯示的最右端進(jìn)行變換要加的字?jǐn)?shù)。在前面的例子中,精度可能會(huì)標(biāo)為(1%十2)。因此,如果萬(wàn)用表的讀數(shù)是100.0V,實(shí)際的電壓會(huì)在98.

25、8V到101.2V之間。模擬表(或指針萬(wàn)用表)的精度是按全量程的誤差來(lái)計(jì)算的,而不是按顯示的讀數(shù)來(lái)計(jì)算。指針萬(wàn)用表的典型精度是全量程的2%或3%。數(shù)字萬(wàn)用表的典型基本精度在讀數(shù)的(0.7%+l)和(0.1%+l)之間,甚至更高。1.7 數(shù)字萬(wàn)用表與智能儀器智能儀器簡(jiǎn)介智能儀器就是將智能的理論、方法和技術(shù)應(yīng)用于儀器中,使其具有智能功能、智能特性的儀器。為了有效地實(shí)現(xiàn)智能功能、智能特性,該類儀器在一般情況下,都會(huì)使用微處理器或者數(shù)字信號(hào)處理器、專用集成電路,其內(nèi)部均有很強(qiáng)處理能力的智能軟件系統(tǒng)，擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)運(yùn)算邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能。智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量技術(shù)及儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物

26、。它具有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),在測(cè)量精度、速度、可靠性方面有了根本性的改變。智能儀器廣泛應(yīng)用于測(cè)量、控制、通信、醫(yī)學(xué)儀器以及科學(xué)研究等各個(gè)方面。微處理器是智能儀器的核心，智能儀器的結(jié)構(gòu)除了包含微處理器以外,還有存儲(chǔ)器RAM、ROM和鍵盤、顯示器及其它接口裝置。數(shù)字萬(wàn)用表與智能儀器的關(guān)系 經(jīng)設(shè)計(jì)的數(shù)字萬(wàn)用表采用微處理器（AT89C51）為核心，并針對(duì)其設(shè)計(jì)了特定的程序，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的邏輯判斷及自動(dòng)化操作功能。所以本設(shè)計(jì)數(shù)字萬(wàn)用表屬于智能儀器的范疇。1.8 設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決的問(wèn)題 本設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決的問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的功能，如何將直流電流量轉(zhuǎn)換為直流電壓量，如何將電阻值轉(zhuǎn)換為直流電壓量，如

27、何選取所用的芯片，如何設(shè)計(jì)程序。2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 如圖2.1所示，當(dāng)被測(cè)量輸入時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制電路處理輸入量，將輸入量轉(zhuǎn)換為符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)，然后A/D轉(zhuǎn)換器將其輸出數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理后，最后顯示在LED顯示器上。圖2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 如圖2.2所示，首先以AT89C51單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)直流電壓測(cè)量及顯示電路，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)電路進(jìn)行擴(kuò)展,使其能夠?qū)崿F(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換測(cè)量直流電壓、直流電流和電阻。然后通過(guò)單片機(jī)（AT89C51）編程對(duì)各個(gè)主要模塊的進(jìn)行智能控制和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓、直流電流

28、和電阻測(cè)量的直觀顯示，并將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人們?nèi)粘Ａ?xí)慣的十進(jìn)制數(shù)字形式顯示在LED顯示器上。所以本設(shè)計(jì)可以分為A/D轉(zhuǎn)換電路、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制與顯示電路設(shè)計(jì)、電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)、電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)等6個(gè)主要模塊。 其中A/D是將輸入量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；LED顯示就是顯示測(cè)量的數(shù)值；量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊控制輸入量；電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將電阻、電流輸入量轉(zhuǎn)換成為電壓輸入量；單片機(jī)用于控制量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊；在實(shí)現(xiàn)以上各個(gè)分模塊的設(shè)計(jì)之后，再將硬件模塊整合到一起，結(jié)合軟件完成整體電路的搭建與仿真。其中各模塊的具體設(shè)計(jì)思路和方法在以下硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中體現(xiàn)

29、。圖2.2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)2.3 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的方案設(shè)計(jì)與論證 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的定義：為了使測(cè)量系統(tǒng)具有較高的分辨力和準(zhǔn)確性，我們總希望測(cè)量到的值盡可能的達(dá)到A/D的滿量程。如一個(gè)12位的A/D的滿量程的最大輸入為5V，將可以得到最大為4095的轉(zhuǎn)換值。有些信號(hào)較小，可能達(dá)不到5V，需改變放大增益；而有些過(guò)大會(huì)使A/D飽和，又需要降低增益。自動(dòng)改變系統(tǒng)的增益，使輸入信號(hào)最大值不同的信號(hào)都可以達(dá)到滿量程的測(cè)量精度，稱為量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。（摘自智能化檢測(cè)系統(tǒng)及儀器第二版P106，張劍平著。）2.3.1 方案設(shè)計(jì) 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方案一此方案采用電阻串聯(lián)分壓方式。系統(tǒng)量程轉(zhuǎn)換根

30、據(jù)A/D的超量程和欠量程信號(hào)控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)的選通。電壓輸入后模擬開(kāi)關(guān)CD4051起到電壓量程轉(zhuǎn)換選擇作用。模擬開(kāi)關(guān)后的保護(hù)電路采用雙向限幅二極管，利用兩只1N4001硅整流二極管并聯(lián)構(gòu)成雙向限幅二極管接入電流擋分流器前面，目的是防止用電流擋去測(cè)量電壓，而燒分流電阻，這樣的話輸入電壓信號(hào)會(huì)被雙向限幅二極管牽制在0.7V左右也就是二極管的正向?qū)妷海瑥亩鴣?lái)保護(hù)分流器。OP07構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，起到隔離前后通道的作用，其較低的輸出電阻還可以提高帶負(fù)載能力。最后，Output端接入ADC。=1k+9k+90k+900k+9M=10M，故有表2.1所示：表2.1 量程分檔原理量程衰減倍數(shù)20

31、0mv10/10*200mv=200mv12v1/10*2v=200mv1020v0.1/10*20v=200mv100200v0.01/10*200v=200mv10002000v0.001/10*2000v=200mv10000由方案一設(shè)計(jì)的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊如圖2.3所示：圖2.3 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊方案一量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方案二 如圖2.4所示,采用反相放大器實(shí)現(xiàn)4檔增益，需要4個(gè)基本放大器，經(jīng)過(guò)4路模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)電壓跟隨器輸出，由于電壓跟隨器的輸入阻抗極高，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻對(duì)增益的影響可以忽略不計(jì)。因而各級(jí)增益完全取決于所選電阻。實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便。同樣的，本系統(tǒng)量程轉(zhuǎn)換根據(jù)A/D的超

32、量程和欠量程信號(hào)控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)的選通。電壓輸入后模擬開(kāi)關(guān)CD4051起到電壓量程轉(zhuǎn)換選擇作用。兩個(gè)IN4001構(gòu)成一嵌位保護(hù)電路，使電路在高電壓輸入時(shí)處于安全狀態(tài)。OP07構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，起到隔離前后通道的作用。 圖2.4 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊方案二量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方案三 如圖2.5所示，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換首先需要一個(gè)程控增益放大器PGA，有了PGA后，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上就是求PGA控制值的過(guò)程。詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：當(dāng)輸入信號(hào)為直流電壓的時(shí)候，A/D滿量程為5V，PGA的增益變化范圍為11000，用試探法通過(guò)采樣值確定 PGA的控制值，基本思路為先探測(cè)一個(gè)A/D，看A/D的值是否在30724

33、090之間，如果不是，改變?cè)鲆嬉恢边_(dá)到目的。一種PGA算法如圖2.6所示。圖2.5 通過(guò)判斷采樣值確定PGA增益的方案圖2.6 增益為11000時(shí)直流輸入時(shí)的一種PGA算法2.3.2 方案論證 方案一中系統(tǒng)根據(jù)A/D的超量程和欠量程信號(hào)控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)的選通，實(shí)現(xiàn)不同量程的自動(dòng)切換，看似已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能，但是這樣實(shí)現(xiàn)的數(shù)字萬(wàn)用表仍舊限定了多個(gè)量程檔位，與手動(dòng)數(shù)字萬(wàn)用表沒(méi)有本質(zhì)的差別，同時(shí)檔位太少?zèng)Q定了一些數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果必然不準(zhǔn)確，因?yàn)橹挥斜粶y(cè)量值達(dá)到滿量程的2/3以上，相對(duì)誤差才比較小。鑒于此，不采用方案一。方案二的短板和方案一是一樣的，看似已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能，但是

34、這樣實(shí)現(xiàn)的數(shù)字萬(wàn)用表同樣不具有較高的測(cè)量精度。 鑒于此，不采用方案二。采用方案三是可行的，由于PGA可以實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)變化，對(duì)于較大的測(cè)量信號(hào)，超出表頭量程時(shí)，可以使PGA增益降低，達(dá)到衰減輸入信號(hào)的作用。與方案一和方案二相比較，PGA增益范圍大，測(cè)量量程檔位更多，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)具有較高的分辨力和準(zhǔn)確性。由于采用的A/D滿量程最大輸入設(shè)計(jì)為5V，所以本設(shè)計(jì)中表頭測(cè)量范圍為05V，所以量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊屬于轉(zhuǎn)換電路部分，其作用在于當(dāng)被測(cè)電壓量為05V時(shí)，不用處理，直接測(cè)量；當(dāng)被測(cè)電壓量大于5V時(shí)，將大于5V的電壓量衰減到5V以下，在LED顯示的數(shù)值為處理后的數(shù)值，具體為L(zhǎng)ED顯示值=衰減倍數(shù)衰

35、減后的電壓量。所以在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要首先判斷輸入電壓量與5V的大小，過(guò)程如圖2.7所示：圖2.3 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)方案3量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)字萬(wàn)用表的硬件電路設(shè)計(jì)3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路 隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量(如溫度、壓力、位移、圖像等),要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別，處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對(duì)測(cè)量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測(cè)量電路性能。所以我依據(jù)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求，并綜合A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)和

36、價(jià)格選擇了TLC1543。TLC1543是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的多通道、低價(jià)格的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用串行通信接口，具有輸入通道多、性價(jià)比高、易于和單片機(jī)接口的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TLC1543為20腳DIP封裝的CMOS 10位開(kāi)關(guān)電容逐次A/D逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，引腳排列如圖3.1所示。其中A0A10（19、11、12腳）為11個(gè)模擬輸入端，REF+（14腳，通常為VCC）和REF-（13腳，通常為地）為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端，CS（15腳）為片選端，在CS端的一個(gè)下降沿變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK（18腳）和DATA OUT（16腳）。ADDRESS（17

37、腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，是一個(gè)4位的串行地址用來(lái)選擇下一個(gè)即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測(cè)試電壓。DATA OUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束3態(tài)串行輸出端，它與微處理器或外圍的串行口通信，可對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和格式靈活編程。I/O CLOCK為數(shù)據(jù)輸入/輸出提供同步時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘由片內(nèi)產(chǎn)生。芯片內(nèi)部有一個(gè)14通道多路選擇器，可選擇11個(gè)模擬輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中的任意一個(gè)進(jìn)行測(cè)試。片內(nèi)設(shè)有采樣-保持電路，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC（19腳）輸出端變高表明轉(zhuǎn)換完成。內(nèi)部轉(zhuǎn)換器具有高速（10S轉(zhuǎn)換時(shí)間），高精度（10位分辨率，最大1LSB不可調(diào)整誤差）和低噪聲的特點(diǎn)。如圖3.1所示。A/D轉(zhuǎn)換器的精度為Vref/（）（參考電

38、壓默認(rèn)為5V）3.2 單片機(jī)控制與顯示電路AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器圖3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C5

39、1單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。主要特性：與MCS-51兼容、4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器、壽命：1000寫/擦循環(huán)、數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年、全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz、三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、1288位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。3.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 對(duì)51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/輸出設(shè)備。如圖3.2所示。圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖下面對(duì)圖3.3所示的單片機(jī)最小系統(tǒng)各部分電路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖3.3 51系列單

40、片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路之前，讓我們先了解下51單片機(jī)上的時(shí)鐘管腳：XTAL1（19腳）：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。XTAL2（18腳）：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。XTAL1和XTAL2是獨(dú)立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。圖2中采用的是內(nèi)時(shí)鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2的引腳上外接定時(shí)元件（一個(gè)石英晶體和兩個(gè)電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來(lái)說(shuō)晶振可以在1.212MHz之間任選，甚至可以達(dá)到24MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的11.0592M的石英晶振。

41、和晶振并聯(lián)的兩個(gè)電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時(shí)，電容可以在2040pF之間選擇（本實(shí)驗(yàn)套件使用30pF）；當(dāng)采用陶瓷諧振器件時(shí)，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，?050pF之間。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。復(fù)位電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運(yùn)行不正常）或死機(jī)（停止運(yùn)行）時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（第9管腳）出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動(dòng)復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位。圖2中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方

42、式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時(shí)電容的負(fù)極和RESET相連，電壓全部加在了電阻上，RESET的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒(méi)有被按下的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過(guò)按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的效果。一般來(lái)說(shuō)，只要RST管腳上保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電阻和電容為經(jīng)典值，實(shí)際制作是可以用同一數(shù)量級(jí)的電阻和電容代替，讀者也可自行計(jì)算RC充電時(shí)間或在工作環(huán)境實(shí)際測(cè)量，以確保單片機(jī)的復(fù)位電路可靠。EA/VPP（31腳）的

43、功能和接法 51單片機(jī)的EA/VPP（31腳）是內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器的選擇管腳。當(dāng)EA保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，只訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。 對(duì)于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲(chǔ)器，而是直接使用內(nèi)部的存儲(chǔ)器。P0口外接上拉電阻51單片機(jī)的P0端口為開(kāi)漏輸出，內(nèi)部無(wú)上拉電阻。所以在當(dāng)做普通I/O輸出數(shù)據(jù)時(shí)，輸出級(jí)是漏極開(kāi)路電路，要使“1”信號(hào)（即高電平）正常輸出，必須外接上拉電阻。3.2.2 LED顯示電路設(shè)計(jì)圖3.4 LED顯示電路設(shè)計(jì)圖 因?yàn)轱@示部分只是用于顯示數(shù)字，所以可以選用LED數(shù)碼

44、管，在顯示數(shù)字方面完全可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。3.3 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊電路 PGA的定義 隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為了減少硬件設(shè)備，可以使用可編程增益放大器PGA(Pmgrammable Gain Amplifier)。它是一種通用性很強(qiáng)的放大器，其放大倍數(shù)可以根據(jù)需要用程序進(jìn)行控制。采用這種放大器，可通過(guò)程序調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號(hào)達(dá)到均一化，因而大大提高測(cè)量精度。所謂量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換就是根據(jù)需要對(duì)所處理的信號(hào)利用可編程增益放大器進(jìn)行倍數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足后續(xù)電路和系統(tǒng)的要求?？删幊淘鲆娣糯笃饔袃煞N組合PGA和集成PGA。組合PGA：一般由運(yùn)算放大器、儀器放大器或隔離型放電器再加上一些其他

45、附加電路組成。其工作原理是通過(guò)程序調(diào)整多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接通的反饋電阻的數(shù)值，從而調(diào)整放大器的放大倍數(shù)。常用的儀用測(cè)量放大器采用兩級(jí)放大電路，第一級(jí)采用同向并聯(lián)差動(dòng)放大器，第二級(jí)加了一級(jí)基本差動(dòng)放大器，從而構(gòu)成儀用放大器。改電路的最大優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗高，共模抑制能力強(qiáng)，增益調(diào)節(jié)方便，并由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，矢調(diào)電壓及溫度漂移小，故在傳感器微弱信號(hào)放大系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。集成PGA：專門設(shè)計(jì)的可編程增益放大器電路即集成PGA。集成PGA電路的種類很多，如美國(guó)微芯Microchip公司生產(chǎn)的MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28系列，美國(guó)模擬儀器公司Analog Devices生產(chǎn)的AD8

46、321等，都屬于可編程增益放大器。下面是以MCP6S系列PGA為例說(shuō)明這種電路的原理及應(yīng)用，其他于此類似。MCP6S系列時(shí)一種單端、可級(jí)聯(lián)、增益可編程放大器，MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28分別是1路、2路、6路、8路可編程增益放大器，其主要特點(diǎn)如下：8種可編程增益選擇：+1、+2、+4、+5、+8、+10、+16或+32;SPI串行編程接口;級(jí)聯(lián)輸入和輸出;低增益誤差，最大正負(fù)百分之一;低漂移，最大正負(fù)275uv;低電源電流，典型值為1mA;單電源供電，2.5V5.5V。 綜上所述，本設(shè)計(jì)采用組合PGA，因?yàn)榧蒔GA不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的增益變化。 組合PGA的設(shè)計(jì)

47、 本設(shè)計(jì)采用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)增益可連續(xù)變化的PGA,數(shù)字電位器是一種單片集成電路，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖3.9所示它由多個(gè)相同的電阻、模擬開(kāi)關(guān)、譯碼電路、非易失性數(shù)據(jù)寄存器、接口電路等組成。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字電位計(jì)MCP41010，引腳圖如圖3.10，其特性為： 每個(gè)電位器有256個(gè)抽頭 電位器阻值可以是10k、50k和100k 有單電位器和雙電位器兩種形式 SPI串行接口（模式0,0和1,1） 最大INL和DNL誤差為1LSB 圖3.9 數(shù)字電位器結(jié)構(gòu)示意圖 采用低功耗CMOS技術(shù) 靜態(tài)工作電流最大值為1A 多個(gè)器件可以通過(guò)菊花鏈連接在一起（僅MCP42XXX） 關(guān)斷功能可斷開(kāi)所有電阻電路，最大限度節(jié)

48、省功耗 有硬件關(guān)斷引腳（僅MCP42XXX） 單電源工作（2.7V - 5.5V） 工業(yè)級(jí)溫度范圍：-40C至+85C 擴(kuò)展級(jí)溫度范圍：-40C至+125C引腳說(shuō)明 PA0和PA1 電位器A端接頭。 PB0和PB1 電位器B端接頭。 PW0和PW1 電位器抽頭接頭。 片選（CS） 這是SPI端口片選引腳，在新命令裝入移位寄存器后，引腳執(zhí)行該命令。該引腳上有一個(gè)施密特觸發(fā)器輸入。 串行時(shí)鐘（SCK） 這是SPI端口的時(shí)鐘引腳，用于在向寄存器移入新數(shù)據(jù)時(shí)提供時(shí)鐘。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿送入SI引腳，而在時(shí)鐘下降沿移出SO引腳。該引腳的門控信號(hào)來(lái)自CS引腳（即在CS為高電平時(shí)，即便SCK引腳上有時(shí)鐘信號(hào)，

49、器件也不會(huì)汲取任何電流）。該引腳上有一個(gè)施密特觸發(fā)器輸入。 串行數(shù)據(jù)輸入（SI） 這是SPI端口的串行數(shù)據(jù)輸入引腳。使用該引腳將命令和數(shù)據(jù)字節(jié)送入移位寄存器。該引腳的門控信號(hào)來(lái)自CS引腳（即在CS為高電平時(shí)，即便SI引腳上有時(shí)鐘信號(hào)，器件也不會(huì)汲取任何電流）。該引腳上有一個(gè)施密特觸發(fā)器輸入。 串行數(shù)據(jù)輸出（SO）（僅MCP42XXX器件） 這是SPI端口的串行數(shù)據(jù)輸出引腳，用于將多個(gè)器件用菊花鏈連接起來(lái)。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘下降沿移出SO引腳。這是一種推挽式輸出，在CS為高電平時(shí)不會(huì)進(jìn)入高阻態(tài)，而是被驅(qū)動(dòng)為邏輯低電平。 復(fù)位（RS）（僅MCP42XXX器件） 如果復(fù)位引腳保持低電平至少150ns，它就會(huì)

50、將所有電位器的抽頭置于半量程（編碼80h）位置。當(dāng)CS引腳為低電平時(shí)，該引腳不應(yīng)翻轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)SHDN為低電平時(shí)，該引腳可以翻轉(zhuǎn)。為了使功耗最小，在該引腳配備了一個(gè)有效的上拉電路。當(dāng)該引腳處于邏輯電平“0”和“1”時(shí)，引腳電流可以忽略不計(jì)。不得將該引腳懸空。 圖3.10 MCP41010芯片引腳圖MCP41010的典型應(yīng)用圖3.11 MCP41010的典型應(yīng)用數(shù)量關(guān)系： （式3.1）其中： （=電位器總電阻值） =抽頭設(shè)置為=0至255所以放大倍數(shù)為。 （式3.2） PGA設(shè)計(jì)最終方案 在這里我們用數(shù)字電位器代替反相放大器的輸入電阻或反饋電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)PGA，當(dāng)選用滑動(dòng)觸頭點(diǎn)較多的數(shù)字電位器調(diào)節(jié)

51、增益的時(shí)候，可以認(rèn)為增益變化是連續(xù)的。如圖3.9所示，設(shè)滑動(dòng)抽頭點(diǎn)i從端開(kāi)始計(jì)數(shù)，則有式3.3： （n=256，i最大值為255） （式3.3）首先，它利用運(yùn)放的高輸入阻抗使得模擬開(kāi)關(guān)的的影響消除；其次，它利用正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)原理，使得分子分母各自消除由R得不均勻造成的誤差，不但使R得不均勻造成的增益誤差減到最小，而且克服了電路的增益溫漂。所以設(shè)計(jì)方案可行。 綜上所述，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的PGA不但可以實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)變化，而且，由于其檔位很多，達(dá)到256個(gè)，測(cè)量精度很高，真正實(shí)現(xiàn)了量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)功能。設(shè)計(jì)圖如圖3.12所示。圖3.12 由數(shù)字電位器構(gòu)成的PGA3.4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3.13所

52、示，普通模擬開(kāi)關(guān)可以通過(guò)的電流很微小，所以通過(guò)單片機(jī)控制繼電器來(lái)控制線路導(dǎo)通斷開(kāi)，將被測(cè)電流信號(hào)（0-500mA）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)（0-200mV），然后經(jīng)過(guò)OP07將信號(hào)放大10倍，接到組合PGA的a端，最后輸入A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543的AIN0端。兩個(gè)二極管1N4007構(gòu)成保護(hù)為過(guò)壓保護(hù)電路。阻值為90、9的電阻采用誤差為0.5%的精密金屬膜電阻，而阻值為0.4、0.6的電阻通過(guò)的電流很大必須采用誤差為0.5%的精密繞線電阻。 圖3.13 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路3.4.1 繼電器介紹 圖3.13所示電路是用單片機(jī)控制繼電器的電路，下面再來(lái)介紹一下單片機(jī)和強(qiáng)電之間的橋梁電磁繼電器。電磁繼電

53、器是有觸點(diǎn)電繼電器是有觸點(diǎn)電繼電器的一種。它是利用電磁效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電路開(kāi)、關(guān)控制作用的原件，廣泛應(yīng)用在電子設(shè)備、儀器儀表及自動(dòng)化設(shè)備中。在各種自動(dòng)設(shè)備中，都要求用一個(gè)低電壓電路提控制一個(gè)高電壓的電器電路。這樣不僅可以為電子線路和電器電路提供良好的電隔離，還可以保護(hù)電子電路和人員安全。 圖3.14 典型的繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖圖3.14是典型的繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖，單片機(jī)是一個(gè)弱電器件，一般情況下他們大都工作在5V甚至更低。驅(qū)動(dòng)電流在mA級(jí)以下。而要把它用于一些大功率場(chǎng)合，比如控制電動(dòng)機(jī)，顯然是不行的。所以，就要有一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)銜接，這個(gè)環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅(qū)動(dòng)”。繼電器驅(qū)動(dòng)就是一個(gè)典型的的功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。在這里，繼電器驅(qū)動(dòng)含有兩個(gè)意思：一是對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槔^電器本身對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)就是一個(gè)功率器件：還有就是繼電器去驅(qū)動(dòng)其他負(fù)載，比如繼電器可以驅(qū)動(dòng)中間繼電器，可以直接驅(qū)動(dòng)接觸器，所以，繼電器驅(qū)動(dòng)就是單片機(jī)與其他大功率負(fù)載的接口。3.5電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路方案一：利用運(yùn)算放大器采用反相比例運(yùn)算的方法進(jìn)行測(cè)量。該方法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，且能滿足設(shè)計(jì)要求。方案二：采用分壓原理，利用流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻R0和被測(cè)電阻Rx的電流基本相等來(lái)得到電壓與電阻的關(guān)系，但當(dāng)電阻很小時(shí)電流過(guò)大。鑒于此，故采