数字万用表的研究与设计

高利

摘要：为了实现电子产业的蓬勃发展，精准、便携的数字万用表的研究与设计具有举足轻重的地位，本文对数字万用表从软件模块和硬件模块两方面入手，研究并阐述了数字万用表使用的注意事项，为今后的数字万用表的研究与使用提供一定的借鉴。

关键词：万用表 电流 电压 数据采集

中图分类号：TM938.12 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0163-02

科技的发展是一个国家进步的标志之一，对其中的电子产业的发展应给予更多的重视和研究。与此同时，电子行业的发展与测量仪器的进步是相辅相成的，尤其便携、精准的测量仪器的研发更是促进了电子行业的蓬勃发展。

1 数字万用表的研究现状

国内关于测量仪器的发展较为缓慢，主要原因是受到了国外测量仪器进入，导致国内效益明显下降，国内的中端和高端的测量仪器主要是来源于国外，国内的种类和质量的竞争力较小。但是经过专家学者多年的研制，国内电子仪器类的技术与销售量有了明显的改善和提高，并且大量的电子测量仪器已经远销海外，具有一定的市场份额。

国外电子测量仪器的发展较国内的状况更为成熟，因此现在国外的电子测量技术具有以下几个特点：首先是新技术能够广泛传播与应用，计算技术带领着科技的发展，与此同时计算机硬件的成本也逐渐降低，多种研发的软件更为适用于数字万用表之中，测量技术已经逐渐成为科技水平的标志和重要条件；其次是国外对数字万用表的结构进行了更新，对数字万用表中的软件设计和整体应用效果给予了更高的重视；同时由于产品的指向定位更加符合市场定律，创造更加符合用户需求的测量仪器，将通用的测量仪器方向逐步转变为专业测量方向，让产品更具有自己的特性，使得产品能够具有竞争力，扩大企业的市场范围，并且通过生产线进行逐一测试，可以实现快速自动的生产与统计；最后通过小型化的设计目标，实现测量仪器的便携性，并在此基础之上实现测量仪器的多功能特性，最终达到价格、功能、体积等指标的最佳匹配。

2 数字万用表软件设计

2.1 软件设计思想

数字万用表的主要功能是实现对电压和电流数据的采集和处理，通过中央处理器将信号传输到电子屏中，用户通过选项按键使用相对应的功能。数字万用表的软件设计主要采用模块化的思想，模块化的实现便于今后功能的完善与升级，并对后续开发具有借鉴意义。软件结构的主要组成分为四个部分，分别是系统和程序的管理模块、数据收集与处理模块、按键管理模块和电子显示管理模块。

2.2 模块设计

软件设计系统和程序的管理模块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电子屏中的显示效果和对功能按键的响应，同时还肩负着中断处理等问题，程序的控制是包含数字模拟之间的转换，并对数据进行处理。系统实现监视的流程主要分为5步，（1）启动attemper，转到（2）；（2）进行一般处理，转到（3）；（3）判定任务是否已经激活，如果已经激活传到（4），若没有激活转到（5）；（4）进行任务激活处理，重新执行（2）；（5）不用执行激活任务重新执行（2）。

数据收集与处理模块中，主要是对AD数据的收集和处理，主要分为以下几个流程：（1）采样工作，通过判定值判断进行下一步，如果值为0则转到（2），如果值为1则转到（3），如果值为2则转到（4）；（2）根据采样类型为0进行处理，转到（5）；（3）根据采样类型为1进行处理，转到（5）；（4）根据采样类型为2进行处理，转到（5）；（5）启动定时采样工作，转到（6）；（6）对数据是否进行处理的标志位是否置为1，如果是则转到（7），如果不是则转到（9）；（7）对采样数据处理，转到（8）；（8）MAX/MIN子态，处理数据，转到（9）；（9）返回。

在按键管理中，主要有三种方式对键盘进行处理，第一种是查寻方式，通过中央处理器的空闲时间，对按键的申请提供响应，但是当中央处理器在处理其他任务时不会对键盘的申请做出回应，在程序设计时，应对按键时间的类别做出不同回应。第二种是中断扫描，当中央处理器对中断做出响应后再对按键处理，这种方式较查寻方式的进步之处在于提升了中央处理器的使用效率，在按键有申请时能够及时响应。第三种是定时扫描，设置固定的间隔时间，当过固定的间隔时间后对按键的申请进行扫描。因此流程是依次是：响应中断、读取按键内容、处理按键内容、计时和返回。电子显示管理模块中，可以采用树结构查询和显示，这种做法的优点在于能够更加快捷的查询，树形结构易于实现，方便编程及后期的测试。

3 数字万用表硬件设计

3.1 硬件设计思想

硬件的设计主要内容包含两方面，分别是模拟信号处理和数字信号处理。信号从前端进来，经过处理后经过ADC进行数字化，然后送进MCU进行计算，处理。它由以下几部分组成：

（1）电源模块：主要完成对数字及模拟部分的供电。（2）前端输入、保护及功能，流程切换模块：主要实现把外界信号采集进来，对万用表进行保护，防止电流或电压过大对表体造成伤害，以及实现测量功能和量程的切换。（3）交直流转换模块：主要完成交流量转化成直流量。（4）欧姆激励模块：可以提供一个精度较高的电平信号，用以对电阻的测量。（5）ADC 模块：完成模拟量的数字化，是模拟部分与数字部分的连接。（6）电流，电压放大模块：提高、转化电压、电流信号，以符合测量需求。（7）CPLD 模块：主要用于对频率的测量。（8）处理器模块：对整个系统的控制及数据的处理。

数字万用表的功能主要分为以下几个部分：直流电压的测量、交流电压的测量、直流电流的测量、交流电流的测量、电阻的测量、电容的测量、和频率的测量。

3.2 测量设计

对直流电压的测量需要根据待测对象大小和需要精准度而设置测量的量程，主要区分为单位为伏或者微伏。对交流电压的测量需要电容工作，通过对交流电压的处理，形成稳定可测的直流电压值。对电流的测量需要电阻，将电流输入到一个未知电阻和一个已知电阻，通过电压值和电阻值计算输入的电流值。交流电流的测量需要通过电阻后转变为交流电压，在通过对交流电压的处理方法计算电流值。电阻的测量有两种方法，第一种是恒流法，但由于恒流法不能满足精度要求，因此采取第二种电阻测量方法是比例法，比例法是通过数字万用表中通过电阻后测量各个电阻的电压，通过测量的电压计算所测的电阻，通过调整万用表中电阻的数量和大小来使用不同的量程。endprint

电容的测量主要通过充电放电的方法，对需要测量的电容实施充电操作，之后再对其实施放点操作，通过放大器的作用，推导出测量中的电容容量。频率代表着物体每秒钟变化的次数，它与周期时间是倒数的关系，对频率的测量的第一种方法是同步测周法，通过时钟脉冲的个数测量周期内所发射的信号，第二种是等精度测量法，这种方法主要通过重复的次数计算频率，第三种方法为多周期同步法，这种方法的主要思想是将待测频率与标准频率同时进行计数计时，通过对比数据并进行推导计算出待测频率。在数字万用表中配置两个中央处理器，电压，电流和电阻这三种信号都是在经过模拟数字转换器后送到中央处理器1号中实施收集处理操作。交流电压和交流电流在传输到中央处理器1号之前，必须实施真有效值转换电路处理成为直流数据，再将只留数据传输到模拟数字转换器中，最后送到中央处理器1号中进行处理的。而频率信号则是独立的一路，它整形之后被送到复杂可编程逻辑器件中，然后传输到中央处理器2号中收集处理。

4 数字万用表使用注意事项

数字万用表通过数模转换的原理，将接收到的模拟信号转换为数字信号显示在显示屏上，主要实现的功能有：直流交流电压的测量、直流交流电流的测量、电容电阻等的测量，并且根据待测对象的大小调整量程，方便准确读取。

对数字万用表的使用主要有以下几个注意注意事项：（1）在测量前，根据预估值选用比预估值大的最低量程，即当预估电流为15V，则选用比15V大的量程中最低量程20V，这样的选取有利于测量数据精准显示。（2）无论测量对象是电流或其他信号，在测量的过程中都会存在显示值波动的情况，需要等显示值稳定后才可将显示值作为测量值。（3）在测量电阻前需要将红笔与黑笔相接，并记下显示屏数字。对未知电阻测量后，将显示屏显示的数值减去之前的数值作为测量值。（4）万用表的使用环境应保持水平且无电磁场的影响，在使用完毕后将量程电压调到最大，避免下次使用时将万用表损坏。

5 结语

本文主要对数字万用表的研究现状进行了分析，并从硬件模块和软件模块这两个方面对数字万用表进行了研究与设计，整体使用了模块化的结构思想，便于前期开发和后期的调试，主要目的是为了实现系统的简化设计和方便携带，对今后数字万用表的研究具有一定的借鉴意义。

参考文献

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[2]杨至辉.低功耗数字万用表设计与研究[J].中国包装工业，2013（14）.

[3]张维权.数字万用表模块的设计[J].电气传动自动化，2013（5）：57-59.endprint