數字萬用表的研究與設計

高利

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

關鍵詞：萬用表 電流 電壓 數據采集

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

科技的發展是一個國家進步的標志之一，對其中的電子產業的發展應給予更多的重視和研究。與此同時，電子行業的發展與測量儀器的進步是相輔相成的，尤其便攜、精準的測量儀器的研發更是促進了電子行業的蓬勃發展。

1 數字萬用表的研究現狀

國內關于測量儀器的發展較為緩慢，主要原因是受到了國外測量儀器進入，導致國內效益明顯下降，國內的中端和高端的測量儀器主要是來源于國外，國內的種類和質量的競爭力較小。但是經過專家學者多年的研制，國內電子儀器類的技術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遠銷海外，具有一定的市場份額。

國外電子測量儀器的發展較國內的狀況更為成熟，因此現在國外的電子測量技術具有以下幾個特點：首先是新技術能夠廣泛傳播與應用，計算技術帶領著科技的發展，與此同時計算機硬件的成本也逐漸降低，多種研發的軟件更為適用于數字萬用表之中，測量技術已經逐漸成為科技水平的標志和重要條件；其次是國外對數字萬用表的結構進行了更新，對數字萬用表中的軟件設計和整體應用效果給予了更高的重視；同時由于產品的指向定位更加符合市場定律，創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變為專業測量方向，讓產品更具有自己的特性，使得產品能夠具有競爭力，擴大企業的市場范圍，并且通過生產線進行逐一測試，可以實現快速自動的生產與統計；最后通過小型化的設計目標，實現測量儀器的便攜性，并在此基礎之上實現測量儀器的多功能特性，最終達到價格、功能、體積等指標的最佳匹配。

2 數字萬用表軟件設計

2.1 軟件設計思想

數字萬用表的主要功能是實現對電壓和電流數據的采集和處理，通過中央處理器將信號傳輸到電子屏中，用戶通過選項按鍵使用相對應的功能。數字萬用表的軟件設計主要采用模塊化的思想，模塊化的實現便于今后功能的完善與升級，并對后續開發具有借鑒意義。軟件結構的主要組成分為四個部分，分別是系統和程序的管理模塊、數據收集與處理模塊、按鍵管理模塊和電子顯示管理模塊。

2.2 模塊設計

軟件設計系統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，同時還肩負著中斷處理等問題，程序的控制是包含數字模擬之間的轉換，并對數據進行處理。系統實現監視的流程主要分為5步，（1）啟動attemper，轉到（2）；（2）進行一般處理，轉到（3）；（3）判定任務是否已經激活，如果已經激活傳到（4），若沒有激活轉到（5）；（4）進行任務激活處理，重新執行（2）；（5）不用執行激活任務重新執行（2）。

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

在按鍵管理中，主要有三種方式對鍵盤進行處理，第一種是查尋方式，通過中央處理器的空閑時間，對按鍵的申請提供響應，但是當中央處理器在處理其他任務時不會對鍵盤的申請做出回應，在程序設計時，應對按鍵時間的類別做出不同回應。第二種是中斷掃描，當中央處理器對中斷做出響應后再對按鍵處理，這種方式較查尋方式的進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。第三種是定時掃描，設置固定的間隔時間，當過固定的間隔時間后對按鍵的申請進行掃描。因此流程是依次是：響應中斷、讀取按鍵內容、處理按鍵內容、計時和返回。電子顯示管理模塊中，可以采用樹結構查詢和顯示，這種做法的優點在于能夠更加快捷的查詢，樹形結構易于實現，方便編程及后期的測試。

3 數字萬用表硬件設計

3.1 硬件設計思想

硬件的設計主要內容包含兩方面，分別是模擬信號處理和數字信號處理。信號從前端進來，經過處理后經過ADC進行數字化，然后送進MCU進行計算，處理。它由以下幾部分組成：

（1）電源模塊：主要完成對數字及模擬部分的供電。（2）前端輸入、保護及功能，流程切換模塊：主要實現把外界信號采集進來，對萬用表進行保護，防止電流或電壓過大對表體造成傷害，以及實現測量功能和量程的切換。（3）交直流轉換模塊：主要完成交流量轉化成直流量。（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：完成模擬量的數字化，是模擬部分與數字部分的連接。（6）電流，電壓放大模塊：提高、轉化電壓、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：對整個系統的控制及數據的處理。

數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 測量設計

對直流電壓的測量需要根據待測對象大小和需要精準度而設置測量的量程，主要區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變為交流電壓，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，通過調整萬用表中電阻的數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，推導出測量中的電容容量。頻率代表著物體每秒鐘變化的次數，它與周期時間是倒數的關系，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測量周期內所發射的信號，第二種是等精度測量法，這種方法主要通過重復的次數計算頻率，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準頻率同時進行計數計時，通過對比數據并進行推導計算出待測頻率。在數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過模擬數字轉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到中央處理器1號之前，必須實施真有效值轉換電路處理成為直流數據，再將只留數據傳輸到模擬數字轉換器中，最后送到中央處理器1號中進行處理的。而頻率信號則是獨立的一路，它整形之后被送到復雜可編程邏輯器件中，然后傳輸到中央處理器2號中收集處理。

4 數字萬用表使用注意事項

數字萬用表通過數模轉換的原理，將接收到的模擬信號轉換為數字信號顯示在顯示屏上，主要實現的功能有：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，并且根據待測對象的大小調整量程，方便準確讀取。

對數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，根據預估值選用比預估值大的最低量程，即當預估電流為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據精準顯示。（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，并記下顯示屏數字。對未知電阻測量后，將顯示屏顯示的數值減去之前的數值作為測量值。（4）萬用表的使用環境應保持水平且無電磁場的影響，在使用完畢后將量程電壓調到最大，避免下次使用時將萬用表損壞。

5 結語

本文主要對數字萬用表的研究現狀進行了分析，并從硬件模塊和軟件模塊這兩個方面對數字萬用表進行了研究與設計，整體使用了模塊化的結構思想，便于前期開發和后期的調試，主要目的是為了實現系統的簡化設計和方便攜帶，對今后數字萬用表的研究具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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