量程自动转换数字万用表设计
⑵数字万用表与智能仪器的关系
经设计的数字万用表采用微处理器（AT89C51）为核心，并针对其设计了特定的程序，能够实现对数据的逻辑判断及自动化操作功能。
所以本设计数字万用表属于智能仪器的范畴。
1.8 设计中重点解决的问题
本设计重点解决的问题是如何实现自动转换量程的功能，如何将直流电流量转换为直流电压量，如何将电阻值转换为直流电压量，如何选取所用的芯片，如何设计程序。
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太原工业学院毕业设计(论文)
2 系统整体结构
2.1 系统设计方框图
如图2.1所示，当被测量输入时，单片机通过控制电路处理输入量，将输入量转换为符合A/D转换器的输入信号，然后A/D转换器将其输出数据传送到单片机，单片机对数据进行智能化处理后，最后显示在LED显示器上。
图2.1 系统设计方框图
2.2 系统设计方案
如图2.2所示，首先以AT89C51单片机和A/D转换为核心，设计一个直流电压测量及显示电路，然后在此基础上对电路进行扩展,使其能够实现量程自动转换测量直流电压、直流电流和电阻。然后通过单片机（AT89C51）编程对各个主要模块的进行智能控制和数据处理，实现对直流电压、直流电流和电阻测量的直观显示，并将测量数据转换为人们日常习惯的十进制数字形式显示在LED显示器上。所以本设计可以分为A/D转换电路、量程自动转换模块设计、单片机控制与显示电路设计、电阻-电压转换电路模块设计、电流-电压转换模块设计、程序设计等6个主要模块。
其中A/D是将输入量进行AD转换；LED显示就是显示测量的数值；量程自动转换模块控制输入量；电阻-电压转换电路、电流-电压转换电路将电阻、电流输入量转换成为电压输入量；单片机用于控制量程自动转换模块；在实现以上各个分模块的设计之后，再将硬件模块整合到一起，结合软件完成整体电路的搭建与仿真。其中各模块的具体设计思路和方法在以下硬件设计和软件设计中体现。
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图2.2 量程自动转换数字万用表系统整体结构
2.3 量程自动转换功能的方案设计与论证
量程自动转换的定义：为了使测量系统具有较高的分辨力和准确性，我们总希望测量到的值尽可能的达到A/D的满量程。如一个12位的A/D的满量程的最大输入为5V，将可以得到最大为4095的转换值。有些信号较小，可能达不到5V，需改变放大增益；而有些过大会使A/D饱和，又需要降低增益。自动改变系统的增益，使输入信号最大值不同的信号都可以达到满量程的测量精度，称为量程自动转换。（摘自《智能化检测系统及仪器》第二版P106，张剑平著。）
2.3.1 方案设计
⑴量程自动转换模块设计方案一
此方案采用电阻串联分压方式。系统量程转换根据A/D的超量程和欠量程信号控制单片机实现模拟开关的选通。电压输入后模拟开关CD4051起到电压量程转换选择作用。模拟开关后的保护电路采用双向限幅二极管，利用两只1N4001硅整流二极管并联构成双向限幅二极管接入电流挡分流器前面，目的是防止用电流挡去测量电压，而烧分流电阻，这样的话输入电压信号会被双向限幅二极管牵制在0.7V左右也就是二极管的正向导通电压，从而来保护分流器。OP07构成一个电压跟随器，起到隔离前后通道的作用，
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其较低的输出电阻还可以提高带负载能力。最后，Output端接入ADC。
R总=1k+9k+90k+900k+9M=10M，故有表2.1所示：
表2.1 量程分档原理
量程 200mv 2v 20v 200v 2000v 10/10*200mv=200mv 1/10*2v=200mv 0.1/10*20v=200mv 0.01/10*200v=200mv 0.001/10*2000v=200mv 1 衰减倍数 10 100 1000 10000 由方案一设计的量程自动转换模块如图2.3所示：
图2.3 量程自动转换模块方案一
②量程自动转换模块设计方案二
如图2.4所示,采用反相放大器实现4档增益，需要4个基本放大器，经过4路模拟开关和一个电压跟随器输出，由于电压跟随器的输入阻抗极高，模拟开关的导通电阻对增益的影响可以忽略不计。因而各级增益完全取决于所选电阻。实现起来较为方便。同样的，本系统量程转换根据A/D的超量程和欠量程信号控制单片机实现模拟开关的选
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通。电压输入后模拟开关CD4051起到电压量程转换选择作用。两个IN4001构成一嵌位保护电路，使电路在高电压输入时处于安全状态。OP07构成一个电压跟随器，起到隔离前后通道的作用。
图2.4 量程自动转换模块方案二
③量程自动转换模块设计方案三
如图2.5所示，量程自动转换首先需要一个程控增益放大器PGA，有了PGA后，自动量程转换实质上就是求PGA控制值的过程。详细实现过程为：当输入信号为直流电压的时候，A/D满量程为?5V，PGA的增益变化范围为1～1000，用试探法通过采样值确定 PGA的控制值，基本思路为先探测一个A/D，看A/D的值是否在3072～4090之间，如果不是，改变增益一直达到目的。一种PGA算法如图2.6所示。
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