數(shù)字萬用表的研究與設(shè)計

高利

摘要：為了實現(xiàn)電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，精準(zhǔn)、便攜的數(shù)字萬用表的研究與設(shè)計具有舉足輕重的地位，本文對數(shù)字萬用表從軟件模塊和硬件模塊兩方面入手，研究并闡述了數(shù)字萬用表使用的注意事項，為今后的數(shù)字萬用表的研究與使用提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：萬用表 電流 電壓 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TM938.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0163-02

科技的發(fā)展是一個國家進(jìn)步的標(biāo)志之一，對其中的電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)給予更多的重視和研究。與此同時，電子行業(yè)的發(fā)展與測量儀器的進(jìn)步是相輔相成的，尤其便攜、精準(zhǔn)的測量儀器的研發(fā)更是促進(jìn)了電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

1 數(shù)字萬用表的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于測量儀器的發(fā)展較為緩慢，主要原因是受到了國外測量儀器進(jìn)入，導(dǎo)致國內(nèi)效益明顯下降，國內(nèi)的中端和高端的測量儀器主要是來源于國外，國內(nèi)的種類和質(zhì)量的競爭力較小。但是經(jīng)過專家學(xué)者多年的研制，國內(nèi)電子儀器類的技術(shù)與銷售量有了明顯的改善和提高，并且大量的電子測量儀器已經(jīng)遠(yuǎn)銷海外，具有一定的市場份額。

國外電子測量儀器的發(fā)展較國內(nèi)的狀況更為成熟，因此現(xiàn)在國外的電子測量技術(shù)具有以下幾個特點：首先是新技術(shù)能夠廣泛傳播與應(yīng)用，計算技術(shù)帶領(lǐng)著科技的發(fā)展，與此同時計算機硬件的成本也逐漸降低，多種研發(fā)的軟件更為適用于數(shù)字萬用表之中，測量技術(shù)已經(jīng)逐漸成為科技水平的標(biāo)志和重要條件；其次是國外對數(shù)字萬用表的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更新，對數(shù)字萬用表中的軟件設(shè)計和整體應(yīng)用效果給予了更高的重視；同時由于產(chǎn)品的指向定位更加符合市場定律，創(chuàng)造更加符合用戶需求的測量儀器，將通用的測量儀器方向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷I(yè)測量方向，讓產(chǎn)品更具有自己的特性，使得產(chǎn)品能夠具有競爭力，擴大企業(yè)的市場范圍，并且通過生產(chǎn)線進(jìn)行逐一測試，可以實現(xiàn)快速自動的生產(chǎn)與統(tǒng)計；最后通過小型化的設(shè)計目標(biāo)，實現(xiàn)測量儀器的便攜性，并在此基礎(chǔ)之上實現(xiàn)測量儀器的多功能特性，最終達(dá)到價格、功能、體積等指標(biāo)的最佳匹配。

2 數(shù)字萬用表軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計思想

數(shù)字萬用表的主要功能是實現(xiàn)對電壓和電流數(shù)據(jù)的采集和處理，通過中央處理器將信號傳輸?shù)诫娮悠林?，用戶通過選項按鍵使用相對應(yīng)的功能。數(shù)字萬用表的軟件設(shè)計主要采用模塊化的思想，模塊化的實現(xiàn)便于今后功能的完善與升級，并對后續(xù)開發(fā)具有借鑒意義。軟件結(jié)構(gòu)的主要組成分為四個部分，分別是系統(tǒng)和程序的管理模塊、數(shù)據(jù)收集與處理模塊、按鍵管理模塊和電子顯示管理模塊。

2.2 模塊設(shè)計

軟件設(shè)計系統(tǒng)和程序的管理模塊主要包括程序的管理和控制的管理，程序的管理主要包含在電子屏中的顯示效果和對功能按鍵的響應(yīng)，同時還肩負(fù)著中斷處理等問題，程序的控制是包含數(shù)字模擬之間的轉(zhuǎn)換，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)視的流程主要分為5步，（1）啟動attemper，轉(zhuǎn)到（2）；（2）進(jìn)行一般處理，轉(zhuǎn)到（3）；（3）判定任務(wù)是否已經(jīng)激活，如果已經(jīng)激活傳到（4），若沒有激活轉(zhuǎn)到（5）；（4）進(jìn)行任務(wù)激活處理，重新執(zhí)行（2）；（5）不用執(zhí)行激活任務(wù)重新執(zhí)行（2）。

數(shù)據(jù)收集與處理模塊中，主要是對AD數(shù)據(jù)的收集和處理，主要分為以下幾個流程：（1）采樣工作，通過判定值判斷進(jìn)行下一步，如果值為0則轉(zhuǎn)到（2），如果值為1則轉(zhuǎn)到（3），如果值為2則轉(zhuǎn)到（4）；（2）根據(jù)采樣類型為0進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)到（5）；（3）根據(jù)采樣類型為1進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)到（5）；（4）根據(jù)采樣類型為2進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)到（5）；（5）啟動定時采樣工作，轉(zhuǎn)到（6）；（6）對數(shù)據(jù)是否進(jìn)行處理的標(biāo)志位是否置為1，如果是則轉(zhuǎn)到（7），如果不是則轉(zhuǎn)到（9）；（7）對采樣數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)到（8）；（8）MAX/MIN子態(tài)，處理數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)到（9）；（9）返回。

在按鍵管理中，主要有三種方式對鍵盤進(jìn)行處理，第一種是查尋方式，通過中央處理器的空閑時間，對按鍵的申請?zhí)峁╉憫?yīng)，但是當(dāng)中央處理器在處理其他任務(wù)時不會對鍵盤的申請做出回應(yīng)，在程序設(shè)計時，應(yīng)對按鍵時間的類別做出不同回應(yīng)。第二種是中斷掃描，當(dāng)中央處理器對中斷做出響應(yīng)后再對按鍵處理，這種方式較查尋方式的進(jìn)步之處在于提升了中央處理器的使用效率，在按鍵有申請時能夠及時響應(yīng)。第三種是定時掃描，設(shè)置固定的間隔時間，當(dāng)過固定的間隔時間后對按鍵的申請進(jìn)行掃描。因此流程是依次是：響應(yīng)中斷、讀取按鍵內(nèi)容、處理按鍵內(nèi)容、計時和返回。電子顯示管理模塊中，可以采用樹結(jié)構(gòu)查詢和顯示，這種做法的優(yōu)點在于能夠更加快捷的查詢，樹形結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，方便編程及后期的測試。

3 數(shù)字萬用表硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計思想

硬件的設(shè)計主要內(nèi)容包含兩方面，分別是模擬信號處理和數(shù)字信號處理。信號從前端進(jìn)來，經(jīng)過處理后經(jīng)過ADC進(jìn)行數(shù)字化，然后送進(jìn)MCU進(jìn)行計算，處理。它由以下幾部分組成：

（1）電源模塊：主要完成對數(shù)字及模擬部分的供電。（2）前端輸入、保護(hù)及功能，流程切換模塊：主要實現(xiàn)把外界信號采集進(jìn)來，對萬用表進(jìn)行保護(hù)，防止電流或電壓過大對表體造成傷害，以及實現(xiàn)測量功能和量程的切換。（3）交直流轉(zhuǎn)換模塊：主要完成交流量轉(zhuǎn)化成直流量。（4）歐姆激勵模塊：可以提供一個精度較高的電平信號，用以對電阻的測量。（5）ADC 模塊：完成模擬量的數(shù)字化，是模擬部分與數(shù)字部分的連接。（6）電流，電壓放大模塊：提高、轉(zhuǎn)化電壓、電流信號，以符合測量需求。（7）CPLD 模塊：主要用于對頻率的測量。（8）處理器模塊：對整個系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)的處理。

數(shù)字萬用表的功能主要分為以下幾個部分：直流電壓的測量、交流電壓的測量、直流電流的測量、交流電流的測量、電阻的測量、電容的測量、和頻率的測量。

3.2 測量設(shè)計

對直流電壓的測量需要根據(jù)待測對象大小和需要精準(zhǔn)度而設(shè)置測量的量程，主要區(qū)分為單位為伏或者微伏。對交流電壓的測量需要電容工作，通過對交流電壓的處理，形成穩(wěn)定可測的直流電壓值。對電流的測量需要電阻，將電流輸入到一個未知電阻和一個已知電阻，通過電壓值和電阻值計算輸入的電流值。交流電流的測量需要通過電阻后轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，在通過對交流電壓的處理方法計算電流值。電阻的測量有兩種方法，第一種是恒流法，但由于恒流法不能滿足精度要求，因此采取第二種電阻測量方法是比例法，比例法是通過數(shù)字萬用表中通過電阻后測量各個電阻的電壓，通過測量的電壓計算所測的電阻，通過調(diào)整萬用表中電阻的數(shù)量和大小來使用不同的量程。endprint

電容的測量主要通過充電放電的方法，對需要測量的電容實施充電操作，之后再對其實施放點操作，通過放大器的作用，推導(dǎo)出測量中的電容容量。頻率代表著物體每秒鐘變化的次數(shù)，它與周期時間是倒數(shù)的關(guān)系，對頻率的測量的第一種方法是同步測周法，通過時鐘脈沖的個數(shù)測量周期內(nèi)所發(fā)射的信號，第二種是等精度測量法，這種方法主要通過重復(fù)的次數(shù)計算頻率，第三種方法為多周期同步法，這種方法的主要思想是將待測頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率同時進(jìn)行計數(shù)計時，通過對比數(shù)據(jù)并進(jìn)行推導(dǎo)計算出待測頻率。在數(shù)字萬用表中配置兩個中央處理器，電壓，電流和電阻這三種信號都是在經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器后送到中央處理器1號中實施收集處理操作。交流電壓和交流電流在傳輸?shù)街醒胩幚砥?號之前，必須實施真有效值轉(zhuǎn)換電路處理成為直流數(shù)據(jù)，再將只留數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥M數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，最后送到中央處理器1號中進(jìn)行處理的。而頻率信號則是獨立的一路，它整形之后被送到復(fù)雜可編程邏輯器件中，然后傳輸?shù)街醒胩幚砥?號中收集處理。

4 數(shù)字萬用表使用注意事項

數(shù)字萬用表通過數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理，將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號顯示在顯示屏上，主要實現(xiàn)的功能有：直流交流電壓的測量、直流交流電流的測量、電容電阻等的測量，并且根據(jù)待測對象的大小調(diào)整量程，方便準(zhǔn)確讀取。

對數(shù)字萬用表的使用主要有以下幾個注意注意事項：（1）在測量前，根據(jù)預(yù)估值選用比預(yù)估值大的最低量程，即當(dāng)預(yù)估電流為15V，則選用比15V大的量程中最低量程20V，這樣的選取有利于測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)顯示。（2）無論測量對象是電流或其他信號，在測量的過程中都會存在顯示值波動的情況，需要等顯示值穩(wěn)定后才可將顯示值作為測量值。（3）在測量電阻前需要將紅筆與黑筆相接，并記下顯示屏數(shù)字。對未知電阻測量后，將顯示屏顯示的數(shù)值減去之前的數(shù)值作為測量值。（4）萬用表的使用環(huán)境應(yīng)保持水平且無電磁場的影響，在使用完畢后將量程電壓調(diào)到最大，避免下次使用時將萬用表損壞。

5 結(jié)語

本文主要對數(shù)字萬用表的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并從硬件模塊和軟件模塊這兩個方面對數(shù)字萬用表進(jìn)行了研究與設(shè)計，整體使用了模塊化的結(jié)構(gòu)思想，便于前期開發(fā)和后期的調(diào)試，主要目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的簡化設(shè)計和方便攜帶，對今后數(shù)字萬用表的研究具有一定的借鑒意義。

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