DDMM8850数字多用表的硬件设计和开发

杨芸

（浙江行政学院 信息管理部，浙江 杭州 311121）

数字多用表[1]是目前应用最广泛，发展最快的常规仪器，随着科学技术的发展，对数字多用表的不确定度和功能要求越来越高，特别是现代控制中的自动测试系统逐渐普遍，可程控的数字多用表是各类自动测试系统中必备的部件。目前，5-1/2位数字多用表正在逐渐替换4-1/2位数字多用表的位置，5-1/2位数字多用表市场有很大空间，而市场基本被进口产品所占领。笔者设计和开发了一种新型数字多用表DDMM8850，其性能指标达到同类进口产品，其成本低，性价比高，非常适合作为普及性仪器使有用。它具有如下的功能:直流电压测量，交流电压测量，直流电流测量，交流电流测量，电阻测量和信号频率测量；并具有量程自动转换，自动校准，串口通讯等常备功能。目前已经基本完成了该数字表的设计和调试，并试制做出了样机。文中主要探讨其核心部件硬件电路的设计和开发。

1 DDMM8850数字多用表硬件电路的原理

DDMM8850的硬件电路结构如图1所示，分为内层模拟电路部分和外层数字电路部分。内层模拟电路部分由量程转换及自校准电路、电流电压（A/V）转换、频率信号整形分频电路、电阻电压（Ω/V）转换、DC/AC缓冲器、量程放大电路、交流真有效值（AC/RMS）转换、模数转换器、浮置电源等組成。外层数字部分由SOC单片机组成的微控制器，键盘，显示器，RS232C组成。

为了提高抗干扰能力，内层电路安装在屏蔽盒内，内层电路与外层电路通过光电耦合通讯联系，仪器的工作全部在MCU的控制下进行。

图1 硬件电路的原理框架Fig.1 Principle frame of hardware circuit

2 内层电路分析

内层电路由共用单元电路和各功能专用电路构成。

2.1 共用单元电路

1）模数（ADC）转换器及其数学模型

模数转换器[2]是仪表的核心，仪表的分辨率和不确定度主要由模数转换器的分辨率和被转换的最大模拟量共同决定的。本设计中采用了HARRIS公司的HI7159A模数转换器，HI7159A是內含微处理机、采用多重积分转换、BCD码输出的仪表专用芯片，它采用积分转换摸式，具有较強的抗干扰能力，输入输出简图如图2所示。

图2 模数转换器输入输出简图Fig.2 Input and output of A/D converter

假定模数转换器理想的标定系数为ζ，输入电压Vin，输出量Dout，理想情况输入输出如下式表示:

Δ为量化误差，理想标定系数ζ=1 000 000，Δ≅1。

图2中E2是转换的非线性等校环节，前置电路的偏移等引起的误差折算到输入的电压量，模数转换器理想的标定系数为ζ，λ是标定系数的修正量，λ<<1，Dout是输出直读量，Δ是量化误差。

式（3）是模数转换器系统误差的数据模型，表示输入Vin是输出Dout的线性函数。

2）直流量程转换网络数学模型

直流量程转换网络在DMM8850中是一电阻衰减器。图3是量程转换网络简图。

图3 量程转换网络简图Fig.3 Network graph of measure rang conversion

DDMM8850的网络电阻采用稳定性有保证的EE系列，为了降低费用，适当降低网络电阻的精度和温度系数，温度系数不足用工艺筛选来补偿。

3）直流量程放大器数学模型

直流量程放大器[3]的简图如图4所示，它是电压串联负反馈电路，反馈系数 β=R2/（R1+R2）。

图4 直流量程放大器Fig.4 Amplifier of DC rang

2.2 功能单元电路

1）电阻测量电路

测量电阻[4]首先要把电阻转换成电量，电阻电压（Ω/V）转换电路是让一个基准电流Ix流过被测电阻R1，产生一个与被测电阻成正比的电压V1，V1=IxR1，因此，测出V1就可以知道R1值。

图5是简化Ω/V转换电路，图中V1是基准源，R1是被测电阻，R2是高稳定电阻，K是运算放大器的开环放大倍数。

图5 简化Ω/V转换电路Fig.5 Ω/V change-over circuit

2）直流、交流电压测量电路

直流电压测量电路主要由量程衰減网络、直流量程放大器、模数转换器等组成。输入电压有5挡量程，直流量程放大器由新一代自稳零运放 MAXIM公司的ICL7652（U1）、衰減器组成，放大倍数分别为1倍与10倍。

交流电压有效值测量电路由交流量程转换电路、交流量程放大电路、交流频率响应补偿电路、AC/RMS（交流/有效值）转换器、模数转换器组成。AC/RMS转换器，模数转换器是共用电路。

3）直流、交流电流测量电路

直流电流测量电路由I/V转换电路、直流量程放大电路（放大倍数为10）、模数转换器组成。直流量程放大电路（X10）、模数转换器是共用单元。

交流电流测量电路由交流I/V转换器、交流量程放大器（放大倍数为10）、交流频率补偿电路、AC/RMS转换器、模数转换器组成。交流I/V转换器与直流I/V转换电路共用。

4）频率测量

频率测量前置放大整形、分频电路如图6所示，Fin输入信号经前置放大整形电路、10分频器74F162分频后送到MCU，进行等精度模式频率测量。

3 外层电路分析

1）控制电路

DDMM8850控制电路是以微处理器80C236F[5]为核心，控制电路中片內16 k FLASH作程序存储器，1 k RAM作数据存储器，微处理器80C236F通过I/O线控制键盘、显示器、RS232通讯、继电器阵列等完成各项功能和参数的测量。

图6 频率测量前置电路Fig.6 Front end circuit of frequency measurement

图7 RS232C通讯电路图Fig.7 RS232C communication circuit diagram

2）通讯电路

图7是RS232C通讯原理图[6]。为保证上位机安全，RS232C通讯电路与系统电路是电隔离的。

4 结束语

本文讨论分析了一种数字多用表，它不但具有测量直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻信号频率的功能；并具有量程自动转换，自动校准，串口通讯等常备功能；由于篇幅有限，此处主要是讨论了DDMM8850数字多用表的硬件设计，目前该数字表已完成了设计和调试，并试制做出了样机，结果符合设计要求，后续的工作主要是提高装置的可靠性和精度。

[1]徐爱钧.智能化测量控制仪器原理与设计[M].北京：航空航天大学出版社，2004.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]Paynter R.电子技术:从交、直流电路到分立器件及运算放大电路[M].北京：科学出版社，2007.

[4]张艳红，康月兵，周风刚.数字电位器在某武器教学训练系统中的应用[J].实验室研究与探索，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]楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[6]任致程.经典集成电路400例[M].北京：机械工业出版社，2004.