毕业综合实践数字万用表的设计与制作.doc
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1、毕业综合实践课题名称: 数字万用表的设计与制作 作 者: 陈夏 学 号:09032110 系 别: 电气电子工程系 专 业: 电机与电器 指导老师: 颜晓河 专业技术职务 2011年 3月 浙江温州目 录1 引 言12 数字万用表设计与制作的目的与要求引 言万用表又称多用表、三用表、复用表,是一种多功能、多量程的测量仪表,一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻等,有的还可以测量交流电流、电容量、电感量以及半导体的一些参数(如)。数字万用表作为电子测试领域不可缺少的产品之一,应用范围最为广泛。数字万用表亦称数字多用表,简称DMM(Digtial Multimeter)。传统的指针式万
2、用表功能单精度低,不能满足数字化时代的需求,数字万用表是利用模/数转换原理,将被测量数据转化为数字量,并将测量结果以数字形式显示出来的一种测量仪表。与指针式万用表相比,新一代数字万用表具有精度高、速度快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、可扩展尾强、集成方便、抗干扰能力强、测量自动化程度高等优点,因而被广泛应用,得到工程师的青睐。2数字万用表设计与制作的目的和要求2.1数字万用表设计与制作的目的通过对一台正式产品数字万用表DT9205A部分零部件的焊接、安装和调试,让我们更好的了解电子产品的生产工艺流程,掌握常用元器件的识别和测试及电子产品生产基本操作技能,培养学生的动手能力。2.2数字万用表设
3、计与制作的要求(1)、学会分析基本的电路(2)、收集数字万用表的各种资料(3)、熟练掌握protel99se和AutoCAD的使用方法(4)、能够对系统进行设计(5)、绘制电路图和面板图(6)、掌握焊接与调试的方法框图3万用表的基本结构万用表的框图、工作原理及特点3.1万用表的框图及工作原理DT9205A 仪表主要部分的方框图如下图。该仪表的心脏是一片大规模集成电路,该芯片(7106)内部包含双积分A/D 转换器,ICL7106集成电路和液晶显示器,参数转换电路四个部分组成,它的工作原理框图见下图。第一阶段,输入仪表的电压或电流信号经过一个开关选择器转换成一个0 到188.8mV 的直流电压。
4、例如输入信号100VDC,就用1000:1 的分压器获得100.0mVDC;输入信号100VAC,首先整流为100VDC,然后再分压成100.0mVDC。电流测量则通过选择不同阻值的分流电阻获得。入端与比较器输出端短接,此时反映到比较器的总失调电压对自动调零电容CAZ充电,以补偿缓冲器,积分器和比较器本身的失调电压,可保证输入失调电压小于10uV,第三,基准电压VREF 向基准电容CREF 充电,使之被充到VREF,为反向积分做准备。第二阶段,正向积分(亦称信号积分或采样)INT(integral):此时SINT 闭合,SAZ 和SDE 断开,切断自动调零电路并去掉短路线,IN+,IN-端分别
5、被接通,积分器和比较器开始工作。被测电压VIN 经缓冲器和积分电阻后送至积分器。积分器在固定时间T1 内,以VIN /(RINT-CINT)的斜率对VIN 进行定时积分。令计数脉冲的频率为FCP,周期为TCP,则T1=1000 TCP。当计数器计满1000 个脉冲数时,积分器的输出电压为 (3.1)式中,K 是缓冲放大器的电压放大系数,T1 也叫采样时间。在正向积分结束时,VIN 的极性即被判定。第三阶段,反向积分,亦称解积分DE(Decompose Integral):在此阶段,SAZ,SINT 断开,SDE+,SDE-闭合。控制逻辑在对VIN 进行极性判断之后,接通相应极性的模拟开关,将C
6、REF 上已充好的基准电压接相反极性代替VIN,进行反向积分,斜率变成VREF/(RINT-CINT)。经过时间T2,积分器的输出又回到零电平,参见示意图3,该图分别绘出对负极当反向积分结束时,有关系式 (3.2)将式(1)代入式(2)中整理后得到 (3.3)假定在T2 时间内计数值(即仪表显示值,不考虑小数点)为N,则T2 为N TCP,代入式(3)中得到 (3.4)分析式4可知,因T1,TCP,VREF 均是固定不变的,故计数值N 仅与被测电压VIN成正比,由此实现了模拟量-数字量转换。在测量过程中,ICL7106 能自动完成下述循环自动调零-正向积分-反向积分-自动调零-A/D 转换器的
7、时序波形如图3 所示,每个阶段的时间分配如下:自动调零时间:1000TCP-3000TCP正向积分时间T1:3000TCP-4000TCP(T1=1000TCP)反向积分时间T2:0-2000TCP每个A/D 转换周期为4000TCP,折合16000T0需作几点说明:(1) 自动调零时间是可变的,必须等上一次反向积分结束后才开始。举例说明,若在0-1850TCP 时间内完成反向积分(T2-1850Tcp),就从1851TCP-3000TCP 的时间内自动调零,此时调零时间为3000TCP -1851TCP=1149TCP(2) T1 是固定不变的,T2 则随VIN 的大小而变化,因为T1/TC
8、P=1000,选基准电压=VREF=100.0mV,所以由式(4)得到 (3.5)即 VIN=0.1N (3.6)只要将小数点定在十位后边便可直读结果。满量程时N=2000,VIN=VM,由式可导出满量程电压VM与基准电压的关系式VM=2VREF (3.7)显然,当VREF=100.0mV 时,VM=200mV,VERF=1000mV 时,VM=2V。式(7)对ICL 系列3 1/2 位A/D 转换器均适用。3 1/2 位DVM,DMM 的最大显示值为1999,满量程时将显示过载符号“1”。 (3) 上述定时关系由7106 本身特性所决定,外界无法改变。 (4) 为提高双积分数字仪表抑制工频干
9、扰的能力,所选采样时间T1 应为工频周期的整倍数。利用正向积分阶段对输入电压取平无均的特点,即可消除外界引入的工频干扰。我国采50Hz 交流电网,其周期为20ms,应选T1=n20ms (3.8)式中n=1,2,3。N 愈大,对串模干扰的抑制能力愈强,但A/D 转换时间延长,测量速率降低,例如可取时钟频率f0=40KHz,即T1=1000TCP=100ms,恰是20ms 的5 倍,欧美国家采用60Hz 交注电网,周期是16 2/3ms。为抑制60Hz 干扰,可选f0=33 1/3KHz,40KHz,48KHz,60KHz 等。实际上考虑到交流电网的频率也会有一定波动(例如在500.5Hz 范围
10、内变化),一般情况下并不要求时钟频率严格等于规定值,允许有一定的偏差。但时钟频率的稳定性应尽量高,否则在T1,T2 两个时间内TCP不等,会影响转换准确度。3.2数字万用表的特点一、显示直观数字万用表采用数显技术,使测量结果一目了然,不仅能准确读数,还能缩短测量时间。DT9205A数字万用表的显示位数为3 1/2位,最大显示1999。二、准确度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合,它表示测量值与真值的一致程度,也反映了测量误差的大小。准确度愈高,测量误差愈小。DT9205A数字万用表的准确度为正负0.1%至正负0.05%。三、灵敏度高数字万用表的分辨力(数字仪表在最低电压量程上末位一个
11、字所对应的数值称分辨力。分辨力是仪表对下限被测量值的反应能力,它反映仪表灵敏度的高低)为三位半数字万用表的分辨力可达0.1mV,即100uV;四位半仪表达10uV;八位半则高达10nV。四、外观结构轻巧数字万用表外壳一般选用ABB工程塑料制成,质量轻,强度高。外形主要有袖珍式和台式。前者普遍采用LCD液晶显示器,后者多使用LED发光二极管显示器。高精度智能型数字万用表一般为台式结构。此外,也有的数字万用表制成笔式、台历式、笔记本式等。3.2.1功能、量程选择可进行直流(200mv、2v、20v、200v、1000v)、交流电压(200mv、2v、20v、200v、750v)、电流、电阻(200
12、、2k、20k)、电容、晶体管的测量。4、A/D转换器数字万用表的A/D转换器一般都采用双积分式原理,并且把A/D转换器与能够直接驱动液晶显示器的显示逻辑集成在一块集成电路芯片上。这样,只要把这块集成电路芯片的周围配上想关的电阻器和电容器,并配上一块液晶显示器,便组成了数字万用表头。因此,A/D转换器的性能从根本上决定了数字万用表的性能和所具有的特点。4.1双积分式A/D转换器的工作原理A/D转换器的原理电路图如图4.1所示。在图4.1中,除显示器之外的电路功能可全部集成在一块芯片上,具有这些功能的芯片就叫做A/D转换器,较常见的有ICL7106等。双积分式A/D转换器内部电路虽然很复杂,但根
13、据图XX的电路可以清楚地说明其工作原理。它在一个测量周期内的工作过程如下:测试开始,计数器清零,积分电容C放电,然后控制逻辑是S2、S3断开,S1接通,积分器对被测电压Vx进行正向积分,正向积分也叫采样,采样期间积分输出V01线性增加,经过零比较器得到过零方波,通过控制逻辑打开门G,计数器开始对时钟计数,当计数到最高位为1时,溢出脉冲通过控制逻辑使S1、S3断开,S2接通,采样结束,计数器复零。S2接通基准电压VREF后,积分器开始第二次积分(反向积分),V01开始线性下降,计数器也重新计数。当V01降至零时,比较器输出的负方波结束,控制逻辑使S2断开,S3接通,积分停止,同时关闭门G,计数停
14、止,一个测量周期结束。图4.1 A/D转换器工作原理电路图4.2单片3 1/2位A/D转换器ICL7106如图6.4所示是ICL7106引脚排列。ICL7106是把双积分式AD转换,七段译码,LCD显示驱动,基准源和时钟等所有必要的电路都集成在同一块芯片上的CMOS集成电路。ICL7106有40个引脚,采用双列直插式封装,封装方式有陶瓷和塑料两种。ICL7106用于直接驱动LCD。因此,ICL7106适于构成袖珍式数字万用表。4.2.1引脚功能:(1) V+、V-:电源的正负极(2) A1-G1、A2-G2、A3-G3:分别为个位、十位和百位数码的字段驱动信号端(3) bc4:千位字段驱动信号
15、端(4) POL:负极性指示输出端(5) BP/GND:液晶显示器背面公共电极(简称背电极)的驱动端(6) INT:积分器输出端,此端接积分电容CINT(7) BUFF:输入缓冲放大器输出端,此端接积分电阻RINT(8) A/Z:积分器和比较器的反相输入端,此端接自动调零电容CAZ(9) IN+、IN-:模拟量输入端(10) COMMON:模拟信号公共端,一般与基准电压的负端相连(11) CREF+、CREF-:外接基准电容CERF的两个端子(12) VREF+、VREF-:基准电压正负端(13) TEST:此引脚有两个功能,其一,在芯片内部TEST引脚通过500欧电阻与内部数字电路电源的负极
16、相连,这种连接使得TEST引脚可以作为外部字段驱动器的电源负极使用,比如用来驱动液晶显示器的小数点字段。其二,TEST引脚可用来做显示器测试。当把TEST引脚的电平上拉到V+时,显示器的所有字段全部被点亮,显示“-1888”。但此时应注意,此引脚长时间地加直流电压,可能会造成液晶显示器的损坏。(14) OSC1-OSC3:时钟振荡器的引出端,此端外接规定的阻容元件可组成产生特定频率的多谐振荡器,作为系统时钟。5、液晶显示器5.1液晶显示器工作机理液晶是一种介于完全规则与不规则状态之间的有机化合物,它既具有液体的流动性和连续性,又呈现某些晶体的光学性质。液晶用于显示器件,主要是基于它的光学特性和
17、电光效应。液晶可使入射光偏向分子轴方向,它还可使入射光的偏振光状态和偏振光方向发生改变。对液晶施加电场时,由于它的折射率、介电常数等具有的各向异性特征,其光学特性会发生变化,即所谓液晶的电光效应。液晶的电光效应有数种,目前用于数字显示的液晶显示器大都利用液晶的扭曲效应。反射式扭曲向列型液晶显示器的工作机理如图7.1所示。液晶是灌在液晶盒内的,液晶盒由刻有透明电极的前后玻璃制成。透明电极材料有氧化锡、氧化铟或它们的混合物,通过喷镀、蒸发或溅射等方法附着在玻璃片上。经过表面处理的玻璃所形成的定向膜使液晶分子在盒内的排列方向呈现90角扭曲。反射片检偏振片后玻璃前玻璃起偏振片液晶盒明暗偏光轴外加电场偏
18、光轴在液晶盒前后放置有起振片和检偏振片。由外界光源射来的光经起振片变成垂直的线偏振光,进入液晶盒内以后其垂直的偏振面旋转了90,呈水平方向。此光线再由水平光轴的检偏振片透出,经反射片反射,再按原光路折回,形成亮视场。当两玻璃片上的电极间施加一电场后,由于液晶是极性分子,其取向具有与电场方向一致的性质,因而扭曲结构消失,射入的垂直向的线偏振光通过液晶盒时其偏振面不被旋转,这样光线无法透过水平光轴的检偏振片,形成暗视场。当去掉电场时,液晶分子的排列恢复扭曲结构,又产生旋光作用。在液晶盒前后放置的起、检偏置片,实际上是一个“光过滤器”。按照起偏振片、检偏振片的偏光轴相互位置的不同,显示效果可为白底黑
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