1 前言
1.1 课题的提出
数字万用表是一种多用途电子测量仪器。它采用数字化测量技术，把实际测量的模拟量，转化为离散的数字量进行输出显示，主要用于物理、电气、电子等测量领域，一般包含电流表（安培计）、电压表（伏特计）、电阻表（欧姆计）等功能，也称为万用计、多用计、多用电表或万用电表。 1.2 研究的意义
万用表是电子和电气技术领域必备的测量仪器，用于测量电子电路中的各种物理量（电压、电流、电阻等），常作为基本故障诊断的便携式装置，也有放置在工厂或实验室工作台上作为桌上型装置。有的万用电表分辨率能达到七、八位数，常用在实验室，作为电压或电阻的基准，或用来调校多功能标准器的性能。相比传统的指针式万用表，数字万用表具有以下的主要优点：
（1）数字显示直观准确，无视觉误差，读数准确； （2）测量精度和分辨率都很高；
（3）输入阻抗高，减少对被测电路的工作影响（李明生，2007）； （4）电路集成度高，便于组装和维修； （5）测量功能齐全，测量速率快；
（6）保护功能齐全，有过压、过流保护电路； （7）功耗低，抗干扰能力强； （8）便于携带，使用方便。 1.3 设计的任务
本次设计的任务是制作一个数字万用表，可实现如下的功能及要求： （1） 可以测量直流电压、直流电流和电阻；
（2） 能将测量得到的数值直观、准确地显示出来，并标明相应的单位； （3） 具有超量程时的报警提示。
2 总体方案确定
2.1 方案比较及选择 2.1.1 模数转换芯片方案
方案一：积分型模数转换芯片
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积分型模数转换器又称双斜率或多斜率数据转换器，是典型的双斜率转换器。积分型转换器包含两个主要的转换步骤：前端的电路负责输入模拟电压的采样和量化，产生一个在时域上间隔的的脉冲序列，然后将脉冲输入计数器并转换为数字进行输出。
积分型转换器由一个可进行输入通道切换的模拟积分器、一个比较器及一个计数器组成。在一个固定的时间间隔内，积分器对输入电压信号进行积分。定时时间到后，计数器被复位并将其输入连接到反向极性的基准电压端上。由于反极性信号中的作用，积分器会进行反向积分，直到输出为零，使计数器中止工作复位积分器。积分型模数转换器的精度可以达到很高，有效抑制高频噪声和固定的低频干扰，适合在嘈杂的工业环境及对转换速率要求较低的场合下使用。图1所示为双积分型模数转换器的原理框图。
模拟输入uISRCCPuO2+-UREF-A1uO1-A2+&清零CPResetC计数器积分器检零比较器控制电路EN锁存器开关控制D7D6D5D4D3D2D1D0
图1 积分型模数转换器原理框图
方案二：逐次比较（逼近）型模数芯片
逐次比较型转换器包含一个比较器、一个数模转换器、一个数码寄存器和一个电路控制单元。转换时的逐次逼近是按对分原理，由控制电路完成的。在逻辑控制电路产生的时钟信号驱动下，数码寄存器不断进行比较和移位操作，直至完成全部有效位的转换。此时数码寄存器的各位的值都已确定，转换步骤完成。
由于逐次逼近型模数转换器在单个时钟周期内只能完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期，因此这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。图2所示为逐次比较型模数转换器的原理框图。
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D/A转换器uOD2D1D0二进制代码输出D2D1D0CP比较器uI+数码寄存器-控制电路模拟电压输入
图2 逐次比较型模数转换器原理框图
方案三：并联比较型模数芯片
并联比较型模数转换器由电阻分压器、电压比较器及编码电路组成，输出的各位数码是一次形成的，它是转换速度最快的一种模数转换器。图3所示为并联比较型模数转换器的原理框图。
+UREF模拟输入R比较器+Q7Q6优先编码器Q5Q476543210ENuI78UREFR68UREFR5UREF8R4UREF8R3UREF8R2UREF8R1UREF8R-------++++++Q3Q2Q1D2并行二进D1制代码输出D0采样脉冲
图3 并联比较型模数转换器原理框图
图3中，8个大小相等的电阻串联构成电阻分压器，产生不同数值的参考电压，共形成共7种量化电平。7个量化电平分别加在7个电压比较器的反相输入端，模拟输入电压加在比较器的同相输入端。当模拟输入电压大于或等于量化电平时，比较器输出为1，否则输出为0，电压比较器用来完成对采样电压的量化。
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并联比较型模数转换器转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越精细，精度越高。这种转换器的最大优点是具有较快的转换速度，但所用的比较器及其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路将越复杂。由此可知，该类型的模数转换器适用于高速度、低精度要求的场合。
方案选择：三个方案相比较，方案一中的积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，难以满足本系统的实时性要求。与方案一和方案二相比，方案三中的并联型模数转换器转换速度更高，但是当精度要求较高时，转换电路将变得复杂且成本较高，因此，选择方案二的逐次比较型模数转换器，拥有中等的转换速度，且可以达到一定的精度水平。
2.1.2 显示器方案
方案一：LED（Light Emitting Diode）数码管显示器
LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形，并加上小数点共八个发光二极管构成。这些发光二极管构成段，当特定的段被加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们能看到的字样。LED数码管通常能够显示的数字和字母有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。
LED数码管的驱动形式通常分为静态式和动态式两类：
（1）静态驱动也称直流驱动，是指每个数码管的每一个段码，都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用BCD码的二-十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，但缺点也比较明显，占的用I/O口很多，耗费了单片机的资源并增加了硬体电路的复杂性。
（2）动态驱动是将所有数码管的各个显示段的同名端相连，另外为每个数码管的公共端增加位选通电路。使用时，控制电路根据数码管选取的不同，在特定的位置上显示字符。透过分时技术轮流地控制每个数码管，使各个数码管轮流进行发光显示，由于人眼的视觉残留现象及LED的余辉效应，会出现各个位上的数码管在同时显示的假象。相比静态驱动，动态驱动节省单片机的I/O口，硬件电路更加简化，但显示亮度会明显降低且可能有闪烁感。
方案二：1602液晶显示器
1602液晶显示器是一个两行每行16个5×7点阵字符的微型液晶显示器，可以显示较多ASCII标准的字符。1602液晶只有16个引脚，仅包含必要的数据线及数根控制线。
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1602液晶显示的不需要占用单片机大量的扫描时间，而仅在需要显示的时候调用液晶的控制子函数即可。而且1602液晶可以通过ASCII码来显示字符，并在内部集成了存储160个字符ASCII码的寄存器，可以直接显示ASCII码表示的字符。而且液晶能比数码管显示更多的字符，增强了系统显示输出的可读性和直观性。
方案选择：与方案二相比，方案一中的数码管，虽然成本较低，但是耗费大量的单片机资源，不利于后续系统的设计。而且液晶显示的视觉效果和可读性远优于数码管，且节省单片机资源，因此选择方案二。 2.2 确定设计方案
经过了上述的比较，最终的方案是：使用逐次比较型模数转换芯片，获取系统良好的实时性及相对高的精度；使用1602液晶作为数据输出显示器，提高系统的人机交互方面的友好性。
3 系统硬件分析及设计
3.1 数字万用表的基本原理
数字万用表的基本功能是，能够测量直流电压、电流以及电阻的阻值，数字万用表的基本组成由图4所示，其中，模数转换是数字万用表的核心（杨建平，2004）：
数值显示屏（数码管或液晶） 小数点驱动 译码驱动 基准电压 数模转换，数值输出 过压过流保护 基准电阻 被测量信号 分压器 过压过流保护 分流器
图4 数字万用表的基本原理图
3.1.1 模数转换及显示电路原理
实际的物理量都是幅值大小连续变化的模拟量，或称为模拟信号。旧式的指针万用表可以直接对模拟电压、电流进行测量并显示。对于数字万用表，则需要把模拟量（多
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