【毕业设计论文】基于protel的多功能数字万用表的设计与实现(含word文档) .pdf
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1、I 基于 protel 的多功能数字万用表的设计与实现 目录 摘要I 1 万用表的应用0 1.1 万用表的种类.0 1.2 万用表的组成.0 1.3 万用表的结构特征.1 1.4 万用表的应用.2 2 万用表的设计3 2.1 万用表的基本工作原理.3 2.2 各测量档的原理及设计过程.10 2.3 万用表总电路的设计.16 2.4 电路参数.19 3 万用表的使用方法及注意事项21 3.1 直流电流测量.21 3.2 交直流电压测量.21 3.3 直流电阻测量.21 3.4 音频电平测量.21 3.5 电容测量.22 3.6 电感测量.22 II 3.7 晶体管直流参数的测量22 3.8 万用
2、表的使用注意事项.24 4 万用表的安装与调试24 4.1 PCB 版的制作. 25 4.2 元器件的认识.26 4.3 色环的认识.30 4.4 元器件的焊接.31 4.5 机械部分的安装与调整.35 4.6 技术规范标准.37 5 故障的排除38 6 结论39 致谢40 参考文献40 III 摘要 当代电子科学技术的迅猛发展,创造出了一个神奇的世界。多少人 闯进了电子宫殿,在那里自由地摘取一颗颗耀眼的明珠。多少人刚刚迈 入电子宫殿的大门,正在深深求精。在这条走向成功的道路上,众多的 电子爱好者无一不喜爱过手中必备的工具万用表。 虽然万用表在向数字化、智能化方向发展,但是由于指针式万用表具
3、有结构简单,用途广,使用方便,可靠性高,价格便宜等优点,仍是检 测电器元件最常用的检测工具。 万用表是一种多功能、多量程的便携式电工仪表。这次设计的万用 表是磁电系整流式便携式多量限万用电表。可供测量直流电流,交直流 电压,直流电阻等,具有量程多,分档细,灵敏度高,体形轻巧,性能 稳定,读数清晰,使用方便,适合于电子仪器,无线电电讯,电工,工 厂实验室等广泛使用的万用电表。 关键词:表头 指针 准确度 分辨力 整流式 AbstractAbstractAbstractAbstract IV Contemporary rapid development of electronic science
4、and technology to create a magical world. How many people broke into the e-palace, where the removal of free dolphin dazzling pearl. How many people have just entered the door E-palace, is a deep refinement. On this road to success, many electronics enthusiasts are all over the hands of the necessar
5、y tools like - multimeter. Although the multimeter to the digital, intelligent direction, but due to Analog Multimeter has a simple structure, wide use, easy to use, high reliability and low price is still the most commonly used test electrical components detection tools. Multimeter is a versatile,
6、multi-range of portable electrical instruments. The design of the multimeter is a portable magnetic system rectifier limit of large quantities multimeter. For measuring DC current, AC and DC voltage, DC resistance and so on, with more range, sub-file size, high sensitivity, compact shape and stable
7、performance, clear reading, easy to use, suitable for electronic devices, wireless telecommunications, electrical, factory laboratory And other widely used multimeter. Keywords:Keywords:Keywords:Keywords: table pointer accuracy resolution rectifier 0 1 万用表的应用 1.11.1 万用表的种类万用表的种类 万用表分为指针式、数字式两种。随着技术的
8、发展,人们研制出微 机控制的虚拟式万用表,被测物体的物理量通过非电量/电量,将温度等 非电量转换成电量,再通过 A/D 转换,由微机显示或输送给控制中心, 控制中心通过信号比较做出判断,发出控制信号或者通过 D/A 转换来控 制被测物体。 1.21.2 万用表的组成万用表的组成 万用表由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成。 1.2.11.2.1 表头表头 它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表,万用表的主要性能指标基 本上取决于表头的性能。表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过 表头的直流电流值,这个值越小,表头的灵敏度愈高。测电压时的内阻 越大,其性能就越好。表头上有四条刻度线,它们的
9、功能如下:第一条 (从上到下)标有 R 或,指示的是电阻值,转换开关在欧姆挡时,即 读此条刻度线。第二条标有和 VA,指示的是交、直流电压和直流电流 值,当转换开关在交、直流电压或直流电流挡,量程在除交流 10V 以外 的其它位置时,即读此条刻度线。第三条标有 10V,指示的是 10V 的交 流电压值,当转换开关在交、直流电压挡,量程在交流 10V 时,即读此 1 条刻度线。第四条标有 dB,指示的是音频电平。 1.2.21.2.2 测量线路测量线路 万用表的测量线路是用来把各种被测量转换到适合表头测量的微小 直流电流的电路,它由电阻、半导体元件及电池组成 。它能将各种不同 的被测量(如电流、
10、电压、电阻等)不同的量程,经过一系列的处理(如 整流、分流、分压等)统一变成一定量限的微小直流电流送入表头进行 测量。 1.2.31.2.3 转换开关转换开关 万用表中各种测量种类及量程的选择是靠转换开关的切换来实现 的。转换开关里面有固定触点和活动触点,当固定触点和活动触点闭合 时接通电路。 活动触点称为“刀”,固定触点通常称为“掷”。万用表中所用的转换 开关往往都是特别的,通常有多刀和几十个掷,各刀之间是相互同步联 动的,旋转“刀”的位置可以使得某些活动触点与固定触点闭合,从而 相应的接通所需要的测量电路。 1.31.3 万用表的结构特征万用表的结构特征 万用表采用高灵敏度的磁电系整流式表
11、头,造型大方,设计紧凑, 结构牢固,携带方便,零部件均选用优良材料及工艺处理,具有良好的 电气性能和机械强度。其特点为: 测量机构采用高灵敏度表头,性能稳定; 2 线路部分保证可靠、耐磨、维修方便; 测量机构采用硅二极管保护,保证过载时不损坏表头,并且线路设 有 0.5A 保险丝以防止误用时烧坏电路; 设计上考虑了湿度和频率补偿; 低电阻档选用 2干电池,容量大、寿命长; 装有提把,不仅便于携带,而且可在必要时作倾斜支撑,便于读数。 1.41.4 万用表的应用万用表的应用 在电子电路的测试、家用电器设备的维修、电子仪器检修、电子元 器件测量中,万用表是最普及、最常用的测量仪表。由于它操作简单、
12、 功能齐全、便于携带、一表多用等特点,深受电工、电子专业工作者及 广大无线电爱好者的喜爱。 事实证明,万用表不及能检测电工、电子元器件的性能优劣,查找 电子、电气线路的故障,估测某些电气参数,有时还能代替专用测试仪 器,获得比较准确的结果,基本上可以满足电工、电子专业人员和业余 无线电爱好者的需要。因此,推广万用表的应用技术,实现一表多用, 既符合节约精神,又可在一定的程度上克服缺少专用仪器的困难。 3 2 万用表的设计 2.12.1 万用表的基本工作原理万用表的基本工作原理 万用表对被测电量进行测量的过程,是由测量电路实现的。如果要 设计一个型号的万用表,则首先要明白其最基本的工作原理,然后
13、再按 照所设计的万用表功能而进行电路的具体设计,这里先介绍一下万用表 的基本工作原理见(图 2.1)。 图 2.1 指针式万用表最基本的的工作原理 它由表头、电阻测量档、电流测量档、直流电压测量档和交流电压 测量档几个部分组成,图中“”为黑表棒插孔,“”为红表棒插孔。 当我们把档位开关旋钮SA打到交流电压档时, 通过二极管VD整流, 电阻 R3 限流,由表头显示出来; 4 当打到直流电压档时不须二极管整流,仅须电阻 R2 限流,表头即可 显示; 打到直流电流档时既不须二极管整流,也不须电阻 R2 限流,表头即 可显示; 测电阻时将转换开关 SA 拨到档,这时外部没有电流通入,因此必 须使用内部
14、电池作为电源, 设外接的被测电阻为 Rx, 表内的总电阻为 R, 形成的电流为 I,由 Rx、电池 E、可调电位器 RP、固定电阻 R1 和表头 部分组成闭合电路, 形成的电流 I 使表头的指针偏转。 红表棒与电池的负 极相连,通过电池的正极与电位器 RP 及固定电阻 R1 相连,经过表头接 到黑表棒与被测电阻。 Rx 形成回路产生电流使表头显示。回路中的电流为: RRx E I + =式(2.1) 从上式可知: I 和被测电阻 Rx 不成线性关系,所以表盘上电阻标度尺的刻度是不 均匀的。当电阻越小时,回路中的电流越大,指针的摆动越大,因此电 阻档的标度尺刻度是反向分度。 当万用表红黑两表棒直
15、接连接时, 相当于外接电阻最小 Rx=0, 那么: R E RRx E I= + =式(2.2) 此时通过表头的电流最大,表头摆动最大,因此指针指向满刻度处, 向右偏转最大,显示阻值为 0.请看电阻档的零位是在左边还是在右边, 5 其余档的零位与它一致吗?反之,当万用表红黑两表棒开路时 Rx, R 可以忽略不计,那么: 0 Rx E RRx E I + =式(2.3) 此时通过表头的电流最小,因此指针指向 0 刻度处,显示阻值为。 2.1.12.1.1 直流电流的测量直流电流的测量 万用表的直流测量电路,实质上是一个多量程的直流电流表。通常 采用闭路式多量程分流器电路构成,见(图 2.2) 图
16、 2.2 直流电流测量电路 其关系式:1m 1 gpg 1IU I )R(RI R= + =式(2.4) 12m2RIUR=式(2.5) )R(RIUR213m3+=式(2.6) 式中,Rp=R1+R2+R3+R4,测量电路中,各分流电阻彼此串联,再与 表头并联,形成一个闭合环路,经转换开关切换,改变与表头并联的分 流电阻阻值,以实现测量不同量程的电流。并联分流电阻的个数越多, 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:24-Dec-2009Sheet of File:C:Documents and Settin
17、gsAdministrator kM.ddbDrawn By: R1R2R3 A R4 -+ + - 6 并联支路电阻值就越大,其直流电流的量程就越小。图中所示的电路中, R1R3 为分流电阻,经转换开关切换在不同位置上,直流电流量程 I1I2I3。 2.1.22.1.2 直流电压的测量直流电压的测量 万用表的直流电压测量电路,实质上是一个多量程的直流电压表。 采 用附加电阻与表头的串联,可以扩大电压测量的范围。万用表常用的电 路是高低电压档的附加电阻共用,即共用式附加电阻电路,见(图 2.3) 所示。 图 2.3 直流电压测量电路 其关系式:0V11RSUR=式(2.7) V122)SU(U
18、R=式(2.8) V233S)U(UR=式(2.9) 式中,R0 是电流表的等效电阻,Sv 称为直流电压灵敏度,它是电流 表灵敏度的倒数。例如,用 50A 的电流表装成直流电压表,则 Sv=1/50 A=20000=20K/V。 共用式电路中,高电压档的附加电阻共用了低压档的附加电阻。这种 7 电路的优点是可以节省绕制电阻的材料,但这种电路也有缺点,那就是 当低电压档的附加电阻坏了,则高电压档也不能工作。 2.1.32.1.3 交流电压的测量交流电压的测量 由于万用表的表头是一个磁电系动圈式测量机构,只能接受直流信 号,而不能直接接受交流信号。用磁电系的表头测量交流电量,必须把 交流信号整流成
19、直流信号,再送给磁电系表头,即把被测的交流电转换 成相应的直流电,才能进行交流电测量。万用表的交流电压测量电路用 的是半波整流或全波整流及共用附加电阻电路,见(图 2.4) 图 2.4 交流电压测量电路 其关系式:KO=PK式(2.10) OKVSv=式(2.11) R10V=SV10 0101VVV RRR=式(2.11) R50V=SV50 VVV RRR 10502 =式(2.12) 8 R250V=Sv250 VVV RRR 502503 =式(2.13) R500V=SV500 VVV RRR 2505004 =式(2.14) 式中,K0 为整流电路的工作总功率。P 是整流因数,全波
20、为 1,半波 为 1/2. 是整流元件的整流效率,锗二极管在 0.981.00,硅二极管的 1.00。表中的 Sv 是交流电压的灵敏度。Rvo 是由直流电流表等效内 阻与整流元件内阻共同构成的整流系电压表内阻。 磁电系测量机构加上整流电路构成的整流式仪表, 指针偏转角正比于 整流电流的平均值,而正弦交流电的有效值与相应整流输出的平均值之 间,存在着确定的正比关系,所以只要在万用表的刻度上,按正弦波的 有效值来刻度,就可以直接读出正弦交流电的有效值。显然,利用万用 表测量非正弦交流电的有效值,将会由于波形的差异而带来测量误差。 由于受二极管非线性伏安特性和温度特性的影响,万用表的交流档的灵 敏度
21、要比直流档的灵敏度低。 2.1.42.1.4 电阻的测量电阻的测量 万用表的电阻测量电路,实质上是一个多量程的电阻表。电阻表的基 本原理见(图 2.5)所示 9 图 2.5 电阻测量电路 其关系式:() ()IgIgRgRp=Im/式(2.15) RPRp 4 1 =式(2.16) Im/ 1 ER KZ =式(2.17) () () 11111 / ZKZZKZ RRRRR=式(2.18) () () 1011012 / ZKZZKZ RRRRR=式(2.19) 式中,Im 是将表头扩展成简单最小整数的电流值。Rz1 表示电阻1 的中心电阻值, Rz10 表示电阻10 档的中心电阻值,其余类
22、推。RP 为 电位器代号。E是欧姆表内附电源的计算值。 当表内电池电压 E,表内电阻 RC 和调零电位器电阻 RP 一定时,表 头电流 I 与被测电阻 RX 之间存在一定的对应关系,即不同的被测电阻 10 RX 就会有不同的表头电流 I。如果表头的刻度线直接按电阻值刻度,就 可以直接读出电阻值的大小,所以测电阻值实际上仍是测电流值。 2.22.2 各测量档的原理及设计过程各测量档的原理及设计过程 2.2.12.2.1 档位设计要求档位设计要求 (1)直流电流档测量量程分 5 档 50A;0.5mA;5mA;50mA;500mA (2)直流电压档测量量程分 6 档 0.5V;2.5V;10V;5
23、0V;250V;500V (3)交流电压档测量量程分 4 档 10V;50V;250V;500V; (4)直流电阻档测量量程分 4 档 R1;R10;R1K;R10K (5)音频电平档 1022dB 2.2.22.2.2 测量档的设计测量档的设计 根据所设计万用表的参数及其档位的要求,我设计出了以下的电路。 (1)直流电流档的设计见(图 2.6) 从图中可以看出,利用转换开关的活动连接片“a”刀、 “b”刀分别 将固定触点 1、2、3、4、5 接到金属片 A 上,可以的得到五个不同的测 量直流电流的量限。0.5500mA 的四个电流量限采用的是闭路式分流器 电路,而最小的电流量程 0.05mA
24、 档除把 0.5mA500mA 档的元件作为 11 表头的分流支路外,另外单独配用了分流电阻以实现分流。例如,当转 换开关接通 0.05mA 的触点时,R1R9 与表头电阻 RP、R10、R11 并联 构成分流器, 此时分流电阻最大, 所以电流最小。 当转换开关接通 0.5mA 的触点时,R1R4 与表头电阻 R5R9、RP 并联构成分流器,由于与表 头并联的分流电阻相对减小,所以量程就变大。当转换开关接到“3”位 置时,转换开关“A”的活动连接片“a”刀、 “b”刀的“3”接通了 5mA 的电流档,分流电阻 R1R3 构成了 5mA 电流档的分流器,与表头电阻 R4R9、 RP 并联, 此时
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