太原工业学院毕业设计(论文)
图2.5 通过判断采样值确定PGA增益的方案 图2.6 增益为1—1000时直流输入时的一种PGA算法
2.3.2 方案论证
方案一中系统根据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，实现不同量程的自动切换，看似已经实现了量程自动转换的功能，但是这样实现的数字万用表仍旧限定了多个量程档位，与手动数字万用表没有本质的差别，同时档位太少决定了一些数据的测量结果必然不准确，因为只有被测量值达到满量程的2/3以上，相对误差才比较小。鉴于此，不采用方案一。
方案二的短板和方案一是一样的，看似已经实现了量程自动转换的功能，但是这样实现的数字万用表同样不具有较高的测量精度。 鉴于此，不采用方案二。
采用方案三是可行的，由于PGA可以实现增益的连续变化，对于较大的测量信号，超出表头量程时，可以使PGA增益降低，达到衰减输入信号的作用。与方案一和方案二相比较，PGA增益范围大，测量量程档位更多，经过设计的测量系统具有较高的分辨力和准确性。
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量程自动转换数字万用表设计
由于采用的A/D满量程最大输入设计为5V，所以本设计中表头测量范围为0～5V，所以量程自动转换模块属于转换电路部分，其作用在于当被测电压量为0～5V时，不用处理，直接测量；当被测电压量大于5V时，将大于5V的电压量衰减到5V以下，在LED显示的数值为处理后的数值，具体为LED显示值=衰减倍数3衰减后的电压量。所以在实现过程中，需要首先判断输入电压量与5V的大小，过程如图2.7所示：
图2.3 量程自动转换功能的实现方案
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3量程自动转换数字万用表的硬件电路设计
3.1 A/D转换电路
随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别，处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；A/D转换器的转换精度对测量电路极其重要，它的参数关系到测量电路性能。所以我依据设计性能指标要求，并综合A/D转换器的性能指标和价格选择了TLC1543。
TLC1543是美国TI公司生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543为20脚DIP封装的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图3.1所示。其中A0～A10（1～9、11、12脚）为11个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK（18脚）和DATA OUT（16脚）。ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个4位的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATA OUT为A/D转换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/O CLOCK为数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（10μS转换时间），高精度（10位分辨率，最大±1LSB不可调整误差）和低噪声的特点。如图3.1所示。
A/D转换器的精度为Vref/（2n-1）（参考电压默认为5V）
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量程自动转换数字万用表设计
3.2 单片机控制与显示电路
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器
图3.1 A/D转换电路
可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性：与MCS-51兼容、4K字节可编程FLASH存储器、寿命：1000写/擦循环、数据保留时间：10年、全静态工作：0Hz-24MHz、
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三级程序存储器锁定、12838位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。
3.2.1 单片机最小系统
对51单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备。如图3.2所示。
图3.2 单片机最小系统结构图
下面对图3.3所示的单片机最小系统各部分电路进行详细说明。
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