DDMM8850數(shù)字多用表的硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)

楊蕓

（浙江行政學(xué)院 信息管理部，浙江 杭州 311121）

數(shù)字多用表[1]是目前應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最快的常規(guī)儀器，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)字多用表的不確定度和功能要求越來越高，特別是現(xiàn)代控制中的自動(dòng)測試系統(tǒng)逐漸普遍，可程控的數(shù)字多用表是各類自動(dòng)測試系統(tǒng)中必備的部件。目前，5-1/2位數(shù)字多用表正在逐漸替換4-1/2位數(shù)字多用表的位置，5-1/2位數(shù)字多用表市場有很大空間，而市場基本被進(jìn)口產(chǎn)品所占領(lǐng)。筆者設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種新型數(shù)字多用表DDMM8850，其性能指標(biāo)達(dá)到同類進(jìn)口產(chǎn)品，其成本低，性價(jià)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(hào)頻率測量；并具有量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)校準(zhǔn)，串口通訊等常備功能。目前已經(jīng)基本完成了該數(shù)字表的設(shè)計(jì)和調(diào)試，并試制做出了樣機(jī)。文中主要探討其核心部件硬件電路的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

1 DDMM8850數(shù)字多用表硬件電路的原理

DDMM8850的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為內(nèi)層模擬電路部分和外層數(shù)字電路部分。內(nèi)層模擬電路部分由量程轉(zhuǎn)換及自校準(zhǔn)電路、電流電壓（A/V）轉(zhuǎn)換、頻率信號(hào)整形分頻電路、電阻電壓（Ω/V）轉(zhuǎn)換、DC/AC緩沖器、量程放大電路、交流真有效值（AC/RMS）轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、浮置電源等組成。外層數(shù)字部分由SOC單片機(jī)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(nèi)層電路安裝在屏蔽盒內(nèi)，內(nèi)層電路與外層電路通過光電耦合通訊聯(lián)系，儀器的工作全部在MCU的控制下進(jìn)行。

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

2 內(nèi)層電路分析

內(nèi)層電路由共用單元電路和各功能專用電路構(gòu)成。

2.1 共用單元電路

1）模數(shù)（ADC）轉(zhuǎn)換器及其數(shù)學(xué)模型

模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率和被轉(zhuǎn)換的最大模擬量共同決定的。本設(shè)計(jì)中采用了HARRIS公司的HI7159A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，HI7159A是內(nèi)含微處理機(jī)、采用多重積分轉(zhuǎn)換、BCD碼輸出的儀表專用芯片，它采用積分轉(zhuǎn)換摸式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，輸入輸出簡圖如圖2所示。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入輸出簡圖Fig.2 Input and output of A/D converter

假定模數(shù)轉(zhuǎn)換器理想的標(biāo)定系數(shù)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(biāo)定系數(shù)ζ=1 000 000，Δ?1。

圖2中E2是轉(zhuǎn)換的非線性等校環(huán)節(jié)，前置電路的偏移等引起的誤差折算到輸入的電壓量，模數(shù)轉(zhuǎn)換器理想的標(biāo)定系數(shù)為ζ，λ是標(biāo)定系數(shù)的修正量，λ<<1，Dout是輸出直讀量，Δ是量化誤差。

式（3）是模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)誤差的數(shù)據(jù)模型，表示輸入Vin是輸出Dout的線性函數(shù)。

2）直流量程轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型

直流量程轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)在DMM8850中是一電阻衰減器。圖3是量程轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)簡圖。

圖3 量程轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)簡圖Fig.3 Network graph of measure rang conversion

DDMM8850的網(wǎng)絡(luò)電阻采用穩(wěn)定性有保證的EE系列，為了降低費(fèi)用，適當(dāng)降低網(wǎng)絡(luò)電阻的精度和溫度系數(shù)，溫度系數(shù)不足用工藝篩選來補(bǔ)償。

3）直流量程放大器數(shù)學(xué)模型

直流量程放大器[3]的簡圖如圖4所示，它是電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，反饋系數(shù) 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(zhuǎn)換成電量，電阻電壓（Ω/V）轉(zhuǎn)換電路是讓一個(gè)基準(zhǔn)電流Ix流過被測電阻R1，產(chǎn)生一個(gè)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(zhuǎn)換電路，圖中V1是基準(zhǔn)源，R1是被測電阻，R2是高穩(wěn)定電阻，K是運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)。

圖5 簡化Ω/V轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)、直流量程放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)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(wěn)零運(yùn)放 MAXIM公司的ICL7652（U1）、衰減器組成，放大倍數(shù)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(zhuǎn)換電路、交流量程放大電路、交流頻率響應(yīng)補(bǔ)償電路、AC/RMS（交流/有效值）轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。AC/RMS轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路、直流量程放大電路（放大倍數(shù)為10）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。直流量程放大電路（X10）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器是共用單元。

交流電流測量電路由交流I/V轉(zhuǎn)換器、交流量程放大器（放大倍數(shù)為10）、交流頻率補(bǔ)償電路、AC/RMS轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。交流I/V轉(zhuǎn)換器與直流I/V轉(zhuǎn)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，F(xiàn)in輸入信號(hào)經(jīng)前置放大整形電路、10分頻器74F162分頻后送到MCU，進(jìn)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(nèi)16 k FLASH作程序存儲(chǔ)器，1 k RAM作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(xiàng)功能和參數(shù)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(jī)安全，RS232C通訊電路與系統(tǒng)電路是電隔離的。

4 結(jié)束語

本文討論分析了一種數(shù)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(hào)頻率的功能；并具有量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)校準(zhǔn)，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(shù)字多用表的硬件設(shè)計(jì)，目前該數(shù)字表已完成了設(shè)計(jì)和調(diào)試，并試制做出了樣機(jī)，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，后續(xù)的工作主要是提高裝置的可靠性和精度。

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[4]張艷紅，康月兵，周風(fēng)剛.數(shù)字電位器在某武器教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)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.

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