数字万用表的设计
单片机数字万用表设计
单片机数字万用表设计一、引言单片机数字万用表是一种多功能仪器，可以用于测量电压、电流、电阻等电气参数，广泛应用于电子工程、通信工程、无线电工程等领域。
本文旨在设计一款单片机数字万用表，结合单片机技术和模拟电路设计，实现功能齐全、精准度高、便携性强的数字万用表。
二、设计原理单片机数字万用表的核心部分是其测量模块，该模块能够接收被测电路的输入信号，并通过ADC（模数转换器）将模拟信号转换为数字信号，然后经过单片机处理和显示模块的处理，最终将结果显示在液晶显示屏上。
整个设计流程主要包括以下几个方面：1.信号输入：设计合适的信号输入接口，能够接收被测电路的电压、电流、电阻等信号，并将其传输给ADC。
2.模数转换：通过ADC将模拟电信号转换为数字信号，通常选择12位或16位的ADC，以保证高精度的测量结果。
3.单片机处理：单片机接收ADC传输的数字信号，并进行处理计算，以得出测量结果。
4.显示模块：将测量结果显示在LCD液晶显示屏上，包括数值显示、单位显示等。
5.供电模块：提供适当的电源供电，保证仪器的正常工作。
基于以上设计原理，我们可以开始具体的设计工作。
三、电路设计1.信号输入接口信号输入接口是单片机数字万用表的核心部分之一，它需要能够接收不同类型的信号，包括电压、电流、电阻等。
为了实现这一功能，我们需要设计相应的信号接收电路，可以通过选择不同的接收电阻和放大电路，使之能够适应不同的输入信号。
对于电压信号的输入，可以设计一个简单的分压电路，将被测电路的电压信号转换为适合ADC输入的电压范围。
同时，为了避免输入电阻对被测电路的影响，可以选择高输入阻抗的运放作为信号接收器。
对于电流信号的输入，可以设计一个电流-电压转换电路，将电流信号转换为相应的电压信号，再进行ADC采集。
对于电阻信号的输入，可以设计一个简单的电桥电路，测量电阻值并将其转换为电压信号，再通过ADC进行采集。
2.模数转换模数转换部分选择12位或16位的ADC芯片，可以根据精度需求做适当选择。
数字万用表的研究与设计
ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本科毕业设计数字万用表的研究与设计The Design of Digital Multimeter系（院）名称：电子信息与电气工程学院QQ 号：309810851目录中文摘要、关键词 (Ⅰ)英文摘要、关键词 (Ⅱ)引言 (1)第一章课题的研究背景 (2)1.1数字万用表研究的目的和意义 (2)1.2国内外的研究动态及发展趋势 (3)1.2.1国内研究概况 (3)1.2.2国外研究概况 (4)1.3数字万用表设计重点解决的问题 (4)第二章数字万用表的总体设计方案 (5)2.1课题设计的基本思路 (5)2.2数字万用表的测量原理及电路平台 (5)2.3数字万用表的硬件系统总体设计框图 (10)2.4硬件电路设计方案及选用芯片介绍 (11)2.4.1 AT89S52芯片功能特性描述 (12)2.4.2模数转换模块介绍 (13)2.4.3显示模块介绍 (15)2.4.4电源模块介绍 (15)2.5数字万用表的硬件设计 (16)第三章系统软件及流程图及仿真过程 (22)3.1软件设计整体思路 (22)3.2系统总流程图 (23)3.3物理采集流程图 (24)3.4系统仿真过程 (24)结论 (26)致谢 (27)参考文献 (28)附录A (29)附录B (33)数字万用表的研究与设计摘要:本次设计用单片机芯片AT89S52设计一个数字万用表，能够测量交、直流电压值、直流电流、直流电阻以及电容，四位数码显示。
此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、电容测试芯片电路、单片机最小系统、显示部分、报警部分、AD转换和控制部分组成。
为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路使用了AD0809数据转换芯片，单片机系统设计采用AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和11.0592MHZ震荡电路，显示芯片用TEC612驱动8位数码管显示。
《数字万用表设计》课件
小巧轻便，可充电，适用于小电路维修
台式数字万用表
交直流通用，精度高，常用于实验室和工厂
专用数字万用表
针对一些特定的测量任务而设计的
数字万用表的构成和原理
构成
熔丝、旋转开关、电池、电源电路等
原理
根据欧姆定律、基尔霍夫定理等，通过电路分析获 得电荷和电流信息
数字万用表的准确性和精度
数字万用表的准确性和精度是评价其好坏的重要指标，精度取决于数码显示 的位数和转换电路的噪声程度。准确性受到测量误差、校准及环境因素等影 响。
数字万用表的常见误差和解决方法
1 电压误差
应选择合适量程，保证电源稳定
3 温度误差
保持恒温环境，适当预热电路
2 电流误差
正确接入测试电路，选择合适的保险丝
4 其他误差
合理放置，合理使用，定期校准
数字万用表的测量范围和分辨率
电压
范围：200mV-1000V，分辨率： 0.1mV-1V
电流
范围：200μA-10A，分辨率： 0.1μA-10mA
电阻
范围：200Ω-200MΩ，分辨率： 0.1Ω-100KΩ
数字万用表的通用性和适用范围
数字万用表通用性强，可用于工业自动化、实验室测量、电路调试等多种场合。适用于电子、通信、计算机、 机械、化工等领域。
数字万用表的常见测量方法
1
直流电压测量
将旋钮拨至VΩmA档位，将电表红表笔连接正极，黑表笔连接负极进行测量
数字万用表与智能化科技的融 合测量
数字万用表将与智能家居、智能汽车、智能医疗等领域紧密结合，呈现多种 形态和使用场景。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数字万用表的研发和生产技术 创新
数字万用表设计实验
数字万用表设计实验By 金秀儒物理三班Pb05206218实验题目：数字万用表设计实验 学号：pb05206218姓名：金秀儒实验目的：1.掌握数字万用表的工作原理、组成和特性2.掌握数字万用表的校准方法和使用方法3.掌握分压及分流电路的连接和计算4.了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用实验仪器：1. DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪2. 三位半或四位半数字万用表实验原理：数字万用表的基本组成图1 数字万用表的基本组成模数（A/D ）转换与数字显示电路数字信号与模拟信号不同，其幅值（大小）是不连续的。
将被测量与最小量化单位比较，并把结果四舍五入取整后变为十进制起段显码显示出来。
一般N ≥1000即可满测量精度要求。
常见数字表头最大示数为1999，称为三位半（213）数字表。
数字测量仪表的核心是模/数（A/D ）转换、译码显示电路。
A/D 转换一般又可分为量化、编码两个步骤。
本实验用实验仪，核心为一个三位半数字表头，由数字表专用A/D 转换译码驱动集成电路和外围元件、LED 数码管构成。
该表头有７个输入端，包括２个测量电压输入端（IN +、IN-）、２个基准电压输入端（V REF+、V REF -）和３个小数点驱动输入端。
数字显示屏（LED 或液晶）模数转换，译码驱动基准电压 小数点驱动（配合被测量与量程）过压过流保护过压过流保护分档电阻（量程转换）分压器（量程转换）分流器（量程转换）交流直流变换器 （放大、整流、滤波）直流 被测量 输 入交流V REF电流电压电阻 V IN直流电压测量电路在数字电压表头前加分压器，可扩展直流电压测量的量程。
如图：分压比为 2120rr r U U i += 扩展后的量程为 02210U r r r U i +=考虑到电压表的输入阻抗，设计实用分压电路如图：R 总=R1 +R2 +R3 +R4 +R5各档的分压比为：200mV:( R1 +R2 +R3 +R4 +R5)/ R 总=12 V:( R2 +R3 +R4 +R5)/ R 总=0.1 20V:( R3 +R4 +R5)/ R 总=0.01 200V:( R4 +R5)/ R 总=0.0012000V: R5/ R 总=0.0001出于耐压和安全考虑，最高电压限为 1000V 。
数字万用表实验设计
8.12 设计数字万用表【实验目的】1.了解数字电表的基本原理、常用双积分模数转换芯片外围参数的选择原则及电表的校准原则；2.了解数字万用表的特性、组成及工作原理；3.掌握分压、分流电路的原理；4.设计制作多量程直流电压表、电流表及电阻表；5.了解交流电压、三极管和二极管相关参数的测量。
【设计要求及实验内容】1.设计制作多量程直流数字电压表，并进行校准（自拟校准表格，量程为：200mv、2v）；2.设计制作多量程直流数字电流表，并进行校准（自拟校准表格，量程为：200mA、20mA）；3.设计制作多量程数字欧姆表，并进行校准（自拟校准表格，量程为：200Ω、2kΩ、20 k Ω）；4.设计制作多量程交流数字电压表，并进行校准（自拟校准表格，量程为：AC, 200mv、2v）；5.二极管正向压降的校准和测量；6.三极管h FE参数的测量。
以上实验，在1至3中选择2～3个实验题目为必做内容，4至6为选做内容。
【主要实验器材】1.DH6505数字电表原理及万用表设计实验仪；2.四位半通用数字万用表；3.标准电阻箱。
【实验原理、方法提示】1. 数字电表原理常见的物理量都是幅值大小连续变化的所谓模拟量，指针式仪表可以直接对模拟电压和电流进行显示。
而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号，再进行显示和处理。
（1）双积分模数转换器（ICL7107）的基本工作原理我们将完成从模拟电信号转换成数字信号的电路称为模数转换器（AD转换器）。
数字万用表常用的转换器为双积分AD转换器。
双积分模数转换电路的原理比较简单，当输入电压为Vx 时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C 进行恒流（电流大小与待测电压Vx 成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q 与被测电压Vx 成正比（式1）；接着让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref 成正比），这样电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。
数字万用表设计
数字万用表设计实验报告实验名称：数字万用表设计 实验日期 ____________温度___________压力___________ 同组者 ___________一、实验预习部分(实验前完成，并检查，教师签名) 1，实验目的：1, 掌握数字万用表的工作原理、组成和特性。
2, 掌握数字万用表的校准和使用。
3, 掌握多量程数字万用表分压、分流电路计算和连接；学会设计制作、使用多量程数 字万用表。
2，实验原理：1、直流电压测量电路在数字电压表头前面加一级分压电路（分压器），可以扩展直流电压测量的量程。
数字万用表的直流电压档分压电路如图（2）所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到准确的分压效果。
例如：其中200 V 档的为分压比为：001.010*********==+++++MKR R R R R R R其余各档的分压比分别为：图（2）实用分压器电路档位 200mV 2V 20V 200V 2000V 分压比 1 0.1 0.010.001 0.0001实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的，如先确定M R R R R R R 1054321=++++=总再计算200V 档的电阻：K R R R 10001.054==+总，依次可计算出3R 、2R 、1R 等各档的分压电阻值。
更换量程是需要调整小数点的显示，使用者可方便地读出测量结果。
2、直流电流的测量测量电流是根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。
如图（3）图（3）电流测量原理实用数字万用表的直流电流档电路，如图（4）所示。
图（4）实用分流器电路图（4）中各档分流电阻是这样计算的，先计算最大电流档（2A ）的分流电阻5R （数字电压表最大输入为200mV ）)(1.022.0505Ω===A V I U R m ，再计算200mA 档的4R ：)(9.01.02.02.05404Ω=-=-=R I U R m 依次可以计算出3R 、2R 和1R ，请同学们自己练习。
数字万用表设计实验报告
数字万用表设计性实验赵龙宇 PB06005068一、实验目的1.掌握数字万用表的工作原理、组成和特性2.掌握数字万用表的校准方法和使用方法3.掌握分压及分流电路的连接和计算4.了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用二、实验仪器1.DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪一台2.三位半或四位半数字万用表一台三、实验原理1.数字万用表的特性与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：⑴高准确度和高分辨力三位半数字式电压表头的准确度为±0.5％，四位半的表头可达±0.03％，而指针式万用表中使用的磁电系表头的准确度通常仅为±2.5％。
分辨力即表头最低位上一个字所代表的被测量数值，它代表了仪表的灵敏度。
通常三位半数字万用表的分辨力可达到电压0.1mV、电流（指电流强度，下同）0.1μA、电阻0.1Ω，远高于一般的指针式万用表。
⑵电压表具有高的输入阻抗电压表的输入阻抗越高，对被测电路影响越小，测量准确性也越高。
三位半数字万用表电压挡的输入阻抗一般为10MΩ，四位半的则大于100MΩ。
而指针式万用表电压挡输入阻抗的典型值是20～100kΩ/V。
⑶测量速率快数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数，它主要取决于A/D转换的速率。
三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒2～4次，高的可达每秒几十次。
⑷自动判别极性指针式万用表通常采用单向偏转的表头，被测量极性反向时指针会反打，极易损坏。
而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性，使用起来格外方便。
⑸全部测量实现数字式直读指针式万用表尽管刻画了多条刻度线，也不能对所有挡进行直接读数，需要使用者进行换算、小数点定位，易出差错。
特别是电阻挡的刻度，既反向读数（由大到小）又是非线性刻度，还要考虑挡的倍乘。
而数字万用表则没有这些问题，换挡时小数点自动显示，所有测量挡都可以直接读数，不用换算、倍乘。
⑹自动调零由于采用了自动调零电路，数字万用表校准好以后使用时无需调校，比指针式万用表方便许多。
实验二十八数字万用表设计性实验
实验⼆⼗⼋数字万⽤表设计性实验实验⼆⼗⼋数字万⽤表设计性实验⼀、实验内容：1、制作量程200mA的微安表（表头）；2、设计制作多量程直流电压表；3、设计制作多量程直流电流表；⼆、实验仪器：三位半数字万⽤表三、实验原理1、数字万⽤表的组成数字万⽤表的组成见图28.1。
图28.1 数字万⽤表的组成数字万⽤表其核⼼是⼀个三位半数字表头，它由数字表专⽤A/D转换译码驱动集成电路和外围元件、LED数码管构成。
该表头有7个输⼊端，包括2个测量电压输⼊端(IN+、IN-)、2个基准电压输⼊端(V REF+、V REF -)和3个⼩数点驱动输⼊端。
2、直流数字电压表头“三位半数字表头”电路单元的功能:将输⼊的两个模拟电压转换成数字，并将两数字进⾏⽐较，将结果在显⽰屏上显⽰出来。
利⽤这个功能，将其中的⼀个电压输⼊作为公认的基准，另⼀个作为待测量电压，这样就和所有量具或仪器的测量原理⼀样，能够对电压进⾏测量了。
见图28.2。
图28.2 200mV(199.9mV)直流数字电压表头及校准电路3、多量程直流数字电压表在数字电压表头前⾯加⼀级分压电路(分压器)，可以扩展直流电压测量的量程。
如图28.3所⽰，U 0为电压表头的量程(如200mV)，r 为其内阻(如10M Ω)，r 1、r 2为分压电阻，U i0为扩展后的量程。
图28.3 分压电路原理图28.4多量程分压器原理电路多量程分压器原理电路见图28.4。
图28.5 实⽤分压器电路采⽤图28.4的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在⼩量程档明显降低了电压表的输⼊阻抗，这在实际使⽤中是所不希望的。
所以，实际数字万⽤表的直流电压档电路为图5所⽰，它能在不降低输⼊阻抗的情况下，达到同样的分压效果。
数字电压表 0～U 00～U i0 r 1r 2 r IN+IN-U 动U4、多量程直流数字电流表测量电流的原理是：根据欧姆定律，⽤合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进⾏测量。
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数字电压表 IN－
图（６）
多量程分流器电路
FUSE
Ii
200μA 900 2mA 90 20mA 9 R3 200mA 0.9 R4 R2 IN+ 数 字 电压表 IN－ R1 Ui
图（７）中各挡分流电阻的阻值是这样计算的： 先计算最大电流挡的分流电阻R5
U 0 0.2 R5 0.1() I m5 2
实验原理
1.数字万用表的基本组成
数字显示屏（LED或液晶） 小数点驱动 （配合被测量与量程） 基准电压
VREF 模数转换，译码驱动 VIN
过压过流保护
分档电阻（量程转换）
电阻 被测量 输 入 电压 电流 分压器（量程转换）
直流 交流
过压过流保护
分流器（量程转换）
交流直流变换器 （放大、整流、滤波）
5
4.直流电流测量电路
测量电流的原理是：根据欧姆定律，用合适的 取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测 量。如图５，由于r>>R，取样电阻R上的电压降为 Ui=RIi 即被测电流 Ii=Ui/R 若数字表头的电压量程为U0，欲使电流挡量程 为I0，则该挡的取样电阻（也称分流电阻）为 R=U0/I0 I 如U0=200mV，则I0=200mA挡的分流电阻为R=1Ω 。
实验目的
（1）了解数字万用表的工作原理、组成、特性和使用方法 （2）掌握分压电路、分流电路、电阻分档电路的连接和计 算 （3）了解整流、滤波电路和过压过流保护电路的功用 （4）掌握数字万用表的校准方法 （5）正确连接、组成测试交直流电压、交直流电流、测试 电阻的基本电路。
实验仪器
DJL-Ⅱ数字万用表设计性实验仪一台； 三位半或四位半数字万用表一台。
再计算下一挡的R4 U 0.2 R4 0 R5 0.1 0.9() I m4 0.2
D1 D2
2A
0.1
R5
依次可计算出R3、R2和R1，请同学们自己练习。 图（７） 实用分流器电路 图中的FUSE是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断， 起过流保护得作用。 两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封硅整流二极管，它 们起双向限幅过压保护作用。正常测量时输入电压小于硅二极管的正向导通压 降，二极管截止，对测量毫无影响。一旦输入电压大于0.7V，二极管立即导通， 两端电压被限制住（小于0.7V），保护仪表不被损坏。 用2A挡测量时，若发现电流大于1A时，应不使测量时间超过20秒，以避免 大电流引起的较高温升影响测量精度，甚至损坏仪表。
10M
1M 99k 9k 1k IN+ 数字电压表 IN－
20V
2V 200mV Ui
图（3）多量程分压器原理
Ui
200mV
采用图３的分压电路虽然可以扩展电压表的量程， 但在小量程挡明显降低了电压表的输入阻抗，这在实 际使用中是所不希望的。所以，实际数字万用表的直 流电压挡电路为图（４）所示，它能在不降低输入阻 抗的情况下，达到同样的分压效果。 例如：其中200V挡的分压比为
Ii Ui IN+ R 数字电压表 IN－
图（５） 电流测量原理
i
200μA 2mA 20mA 200mA 2A
1k 100 10 1 0.1 Ui
IN+
多量程分流器原理电路见图（６）。 图（６）中的分流器在实际使用中有一个缺点， 就是当换挡开关接触不良时，被测电路的电压可能 使数字表头过载，所以，实际数字万用表的直流电 流挡电路为图７所示。
０～Ui0 r1 ０～U0
扩展后的量程为
r1 r2 Ui0 U0 r2
r２ r
数字电压表
图（２）分压电路原理
2000V
多量程分压器原理电路见图（３）， ５挡量程的分压比分别为１、0.1、0.01、 0.001和0.0001，对应的量程分别为200m V、2V、20V、200V和2000V。
200V
图（1）
数字万用表的基本组成
2. 本实验使用的DJL-Ⅱ型数字万用表设计性实验仪，其核心 是一个三位半数字表头，它由数字表专用A/D转换译码驱 动集成电路和外围元件、LED数码管构成。该表头有７个 输入端，包括２个测量电压输入端（IN+、IN-）、２个 基准电压输入端（VREF+、VREF-）和３个小数点驱动输 入端。
5.交流电压、电流测量电路
数字万用表中交流电压、电流测量电路是 在直流电压、电流测量电路的基础上，在分压 器或分流器之后加入了一级交流-直流（AC-DC） 变换器，图（８）为其原理简图。 该AC-DC变换器主要由集成运算放大器、整 流二极管、RC滤波器等组成，还包含一个能调 整输出电压高低的电位器，用来对交流电压挡 进行校准之用。调整该电位器可使数字表头的 显示值等于被测交流电压的有效值。 同直流电压挡类似，出于对耐压、安全方 面的考虑，交流电压最高挡的量限通常限定为 750V（有效值）。 数字万用表交流电压、电流挡适用的频率 范围通常为40~400Hz（如DT830A、M3900等型 号），有些型号的交流挡测量频率可达1000Hz （如M3800、PF72等）。
R1
9M 2V
R2
900k 20V
IN+ 数 字 电压表
R 4 R5 10k 0.001 R1 R2 R3 R4 R5 10M
R3
90k 200V
R4
9k
2000V 其余各挡的分压比可同样算出，请同学们自己计算。 实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各 R 1k 分压电阻的。如先确定 R总＝R1+R2+R3+R4+R5=10M 再计算2000V挡的电阻 R5=0.0001R总=1k 再逐挡计算R4、R3、R2、R1(详见数据处理部分)。 图（４） 实用分压器电路 尽管上述最高量程挡的理论量程是2000V，但通常的数字万用表出于耐压和安全 考虑， 规定最高电压量限为1000V。 换量程时，多刀量程转换开关可以根据挡位自动调整小数点的显示，使用者可方 便地直读出测量结果。
数字万用表的设计
与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性： ⑴ 高准确度和高分辨力 ⑵ 电压表具有高的输入阻抗 ⑶ 测量速率快 ⑷ 自动判别极性 ⑹ 自动调零 ⑸ 全部测量实现数字式直读 ⑺ 抗过载能力强 所以，数字万用表受到用户的青睐，是从事电工、电子工程技术人员 必备的仪器表。本实验采用分体式结构，便于学生进行开放的设计性 实验，了解数字万用表的组成及调试技术，锻炼使用和维修数字万用 表的能力。
3. 直流电压测量电路
在数字电压表头前面加一级分压电路（分压器），可以 扩展直流电压测量的量程。如图２所示，U0为数字电压 表头的量程（如200mV），r为其内阻（如10MΩ ），r1、 r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。
由于r >> r2，所以分压比为
U 0 r2 U i 0 r1 r2