八位半数字多用表的研制

2016-12-31刘远东深圳信息职业技术学院

数码世界 2016年5期

刘远东深圳信息职业技术学院

八位半数字多用表的研制

刘远东
深圳信息职业技术学院

摘要：文章论述了国内外八位半数字多用表的生产状况。详细论述八位半数字多用表技术指标、设计原理和线路。系统地分析论证测量直流电压、直流电流、电阻、交流电压、交流电流和交流频率的原理的测量误差，并且给出具体器件的选择，也阐述了研制八位半数字多用表的技术特点以及与国外的差距。

关键字：数字万用表单片机八位半

八位半数字多用表有着极高的准确度和稳定性，在精密测量领域里有着重要地位，但是目前国内没有生产八位半数字多用表的厂家，国外也只有美国的福禄克、安捷伦和吉时利三家公司生产。我们自行研制八位半分辨率多用表，即可以解决我国科研需要，提高科研自主创新能力，又能节省外汇、促进我国经济发展。我们利用普通的元器件，研制出高不确定度的八位半数字多用表，为我国高端测量仪器国产化提供了技术典范。

1　主要技术指标

（1）测量直流电压。OmV～1100V，分为200mV、2V、20V、200V、1000V五个量程。最优

不确定度：0．0002%读数+0．0001%量程。最高分辨率八位半。

（2）测量直流电流。01xA．22A，分为2衅、20“Al200rtA，2mA、20mA、200mA、2A、20A）八个量程。最优不确定度：0.0005%读数+0.0002%量程。最高分辨率八位半。

（3）测量电阻范围。0f卜22Mfl，分为2Q、20Q、200f2、2kQ、20kQ、200k．Q、2MQ、20MQ、

200Mf2九个量程。最优不确定度：0．0005%读数士O．0002%量程。最高分辨率八位半。

（4）测量交流电压。10mV～1100V，分为200mV、2V、20V、200V、1000V五个量程。最优不确定度：O．02%读数+O.01%量程。最高分辨率七位半。

（5）测量交流电流。20uA--22A，分为2000a、2mA、20mA、200mA、2A、20A六个量程。最优不确定度：0．02%读数+0．01%量程。最高分辨率七位半。

（6）测量频率范围。10Hz～100MHz。最优不确定度：0．0004%读数。测量闸门时间为（Is、10s、100s）+1个信号周期。最高分辨率九位。

2　技术特点

（1）在国内J，l-Jk位半数字万用表中，指示指标最高、成本低。

（2）直流电流量程宽、分辨率高。

（3）电阻量程宽，增加2Q电阻量程。

（4）交流测量准确度和分辨率高（ACV、ACI）。

（5）频率范围宽，最高可达100MHz。

（6）等精度测频，在0．01Hz～100MHz准确度

（7）温度系数小。

3　整体方案设计

主要由A/D转换器、单片机系统、电源系统、直流电压测试、交流电压测试、直流电流测试、交流电流测试、电阻测试和频率测试等九大部分组成。数字万用表测试电路的最终目的是将被测的各种信号，包括直流电压、交流电压、直流电流、交流电流和电阻转换成一定关系的直流电压信号，并将这些信号通过放大、衰减等调理方式使其正处于A／D转换器的输入范围内。单片机系统读到A／D转换器的数值之后，经过相应的处理（乘以系数和量程等）后送到显示器显示出来，频率测量是经过计数器测出频率由单片机直接读出，然后经过数据处理后显示出来。单片机系统是整个数字万用表的控制中枢，根据输入键完成相应的测量工作，显示测量结果。供电系统为整个数字万用表提供相应的高质量电源，从而保证数字多用表正常工作。

4　部分电路原理

4.1 A／D转换器

A／D转换器是数字多用表的技术关键。目前A／D转换器的种类很多，有间接转换型和直接转换型两大类，集成的产品相当繁多。转换分辨率高的有积分型和∑．△调制型，积分型A／D集成转换器最高分辨率有5位半，∑一△调制型A／D集成转换器最高分辨率有24位二进制的，但是线性度和噪声大，不能满足本项目要求。国外八位半数字多用表如美国福禄克8508A等都用多重积分式彤D转换器，具有分辨率高、线性度好等特点，能够满足八位半数字多用表的要求。所以本项目采用多重积分式A／D转换器。该转换器集数字逻辑控制技术、低噪声低漂移模拟技术、高精度恒流源控制技术等多项技术于一体并有机融合的专有技术。此项目已经申请国家发明专利，总体不确定度为0．3PPM读数+0．1PPM量程。

4.2 基准电压源

直流基准源是技术关键之一，是整个系统的关键，是本系统的基础部分，其它部分测量准确度是由其决定的。其准确度要求优于0．2PPM，本项目采用我们专利技术研制的恒温直流电压基准，输出电压稳定性优于0．05PPM／天，能够满足要求。

4.3 直流电压测量

直流电压测量范围很宽，从OmV到lIOOV，不能在一个量程内完成全部测量，设计中将直流电压分为200mV、2V、20V、200V、lOooV五个量程。通过分压电路使20V到1000V电压衰减到2V，200V经过十倍放大器放大到2V，然后这些信号通过继电器切换到刖D转换器中转换成数字量，再通过单片机系统处理即可显示出被测电压的值。

当量程选在1000V时，J4继电器合上，Jl继电器断开，J5继电器合上，被测直流电压通过四个电阻接到地上，从J4继电器输出的信号被衰减了1000倍（10U10M）变成2V以内，这是运放OPAl88由于J5合上变成了射随器，放大倍数为1，这个信号经过OPAl88送到A／D转换器进行测量。当量程选在200V、20V时，信号处理与1000V相同，这时量程继电器分曼JIJj3、J2合上，相应衰减倍数为100倍和10倍。当量程选在2V时，Jl继电器合上，被测直流电压直接进OPAl88同相端，这时继电器J5仍然合着，放大倍数为1，直接到A／D转换器进行测量。当选择200mY量程时，继电器J1合，继电器J5开，这时运放OPAl8是同相放大器，放大倍数为10倍，200mY信号被放大到2V。从上面分析可以看出，不论输入被测信号多大，最后都变成（0～2v）信号到A/D转换器进行测量。从上面分析可以看出，被测电压以为A／D转换器值他再乘以量程系数K。

当多用表正常运行时，机箱内温度最大变化很大，为了保证技术指标，把运放和分压电阻放在小恒温箱中，恒温箱的温度变小于0．01℃。使用电阻温度系数为0．05PPM／℃。运放OPAl88为斩波自稳零运放，其输入电压噪声为0．259V，输入失调电压温度系数为0．039V／C。通过以上分析测量误差，小于数字多用表的要求误差，故能满足多用表的要求。

4.4 直流电流测量

直流电流测量是通过电阻把直流电流信号转换成直流电压信号，再到～D转换器测量。当选择200mA到200uA量程时，其相应继电器合上，同时J8合上，200mA至1］200衅转换成2V电压，通过射随器OPAl88到A／D转换器进行测量。当选择2A量程时，J6断开，J9合上，电压放大10倍送到A／D转换器。当选择20A量程时，J8、J9断开，J1合上，电压信号放大100倍送到合上，同时J8合上，200mA至U20CI心转换成2V电压转换器。把取样电阻、运算放大器放在恒温箱中，温度变化小于0.0l℃，从上述电路可以看出，在200mA

至U200pA量程测量电路误差与测量直流电压一样，但2A 和20A量程取样电阻小，放大倍数大，取样电阻本身漂移大，会带来额外误差。

4.5 交流电压测量

交流电压测量是测量出有效值。4位半以下多用数字表常采用平均值测量法，测量电路简单，当波形失真大时准确度会降低。有效值测量有许多方法，常用的是高速取样式和运算式。高速取样式是根据有效值定义，对交流电压进行高速取样，然后通过计算机计算出来，这种方法要求个别测量的信号重复性好，对A／D转换器和计算机要求高。另一种常用方法是运算式。运算式可以由运算放大器完成。还有集成式有效值转换器，应用比较简单。交直流转换器是另外一个技术难点。高准确度交直流转换器是保证测量交流电压、电流的基础。从目前广泛使用的交直流转换器看有运算式和热电式两种。真有效值运算式交直流转换器具有速度快、准确度高等特点。本系统采用真有效值运算式交直流转换器，从而保证交流测量的准确度。

应用我们研制的专利技术“运算式有效值交直流转换器”，最优不确定度：0．02%读数+O．01%量程。交流电压的测量范围是1100V～20mV，分为1000V、200V、20V、2V、200mV五个量程，对大于2V信号进行衰减，对小于2V信号进行放大。在量程为1000V、200V、20V、2V、200mV时，继电器儿、J2、J3、J4、J5分别闭合，运放的放大倍数分别是一0．001、一0.0l、0、1、—l和一10，运放采用宽带运放，可以保证频响。把运放和电阻放在恒温箱中，通过与直流电压测量一样的分析，这部分的测量不确定度为1PPM。交流信号通过上述电路进入到交直流转换器，变成直流信号后到～D转换器进行测量。交流电压的测量不确定度是由输入衰减器、交直流转换器和A／D转换器三部分不确定度合成的，交流电压的测量不确定度为从上述分析可以看出，交流电压测量的不确定度主要取决于交直流转换器的不确定度，所以提高交流电压测量的不确定主要是要提高交直流转换器的不确定度。

4.6 交流电流测量

交流电流测量是将交流电流转化成交流电压后输入到交直流有效值转换器转化成直流电压，分析方法同交流电压，交流电流测量为0。02%。

4.7 电阻测量

电阻测量是在被测电阻加上电流再测量电阻两端的电压，其测量误差主要由电流误差和直流电压测量误差两部分组成。电阻测量电路如图5所示：由双运放组成的恒流源电路，输出电流厶加到被测量电阻Rx，Rx的电压以加至IJA／D转换器测量出电压值，再除以电流计算出被测电阻阻值。

4.8 交流频率测量

传统测量频率的方式有量化误差，随着测量频率不同误差也不一样。我们采用多周期同步测量技术可以消除被测量信号的量化误差。在0．01Hz～100MHz范围实现等准确度测量频率。设闸门时间为1s，当闸门为高时，经反相器输到D触发器预置端使Q输出高电平，这个高电平把与门打开，被测信号通过与门加到计数器计数。当1S闸门时间到时，PR解除预置，D门输入端为低电平，这时如果磊没有信号，D触发器保持为高电平，当来一个磊信号，D触发器发生反转，Q=D，Q输出低电平，与门关闭，计数器不计数，这时由计算机读计数器值，可以计算出被测信号fx的值。