量程自动转换数字万用表设计
图3.3 51系列单片机最小系统
⑴时钟电路
在设计时钟电路之前，让我们先了解下51单片机上的时钟管脚： XTAL1（19脚）：芯片内部振荡电路输入端。 XTAL2（18脚）：芯片内部振荡电路输出端。
XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图2中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2～12MHz之间任选，甚至可以达到24MHz或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20～40pF之间选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30～50pF之间。通常选取33pF的陶瓷电容就可以了。 ⑵复位电路
在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。
MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图2中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。
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⑶EA/VPP（31脚）的功能和接法
51单片机的EA/VPP（31脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，则不管是否有内部程序存储 器，只访问外部存储器。
对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。 ⑷P0口外接上拉电阻
51单片机的P0端口为开漏输出，内部无上拉电阻。所以在当做普通I/O输出数据时，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。
3.2.2 LED显示电路设计
图3.4 LED显示电路设计图
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因为显示部分只是用于显示数字，所以可以选用LED数码管，在显示数字方面完全可以满足本设计的要求。
3.3 量程自动转换模块电路
⑴ PGA的定义
随着计算机的应用，为了减少硬件设备，可以使用可编程增益放大器PGA(Pmgrammable Gain Amplifier)。它是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。所谓量程自动转换就是根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行倍数的自动调节，以满足后续电路和系统的要求。可编程增益放大器有两种——组合PGA和集成PGA。
①组合PGA：一般由运算放大器、仪器放大器或隔离型放电器再加上一些其他附加电路组成。其工作原理是通过程序调整多路转换开关接通的反馈电阻的数值，从而调整放大器的放大倍数。
常用的仪用测量放大器采用两级放大电路，第一级采用同向并联差动放大器，第二级加了一级基本差动放大器，从而构成仪用放大器。改电路的最大优点是输入阻抗高，共模抑制能力强，增益调节方便，并由于结构对称，矢调电压及温度漂移小，故在传感器微弱信号放大系统中得到广泛应用。
②集成PGA：专门设计的可编程增益放大器电路即集成PGA。集成PGA电路的种类很多，如美国微芯Microchip公司生产的MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28系列，美国模拟仪器公司Analog Devices生产的AD8321等，都属于可编程增益放大器。下面是以MCP6S系列PGA为例说明这种电路的原理及应用，其他于此类似。
MCP6S系列时一种单端、可级联、增益可编程放大器，MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28分别是1路、2路、6路、8路可编程增益放大器，其主要特点如下： 28种可编程增益选择：+1、+2、+4、+5、+8、+10、+16或+32; 2SPI串行编程接口; 2级联输入和输出;
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2低增益误差，最大正负百分之一; 2低漂移，最大正负275uv;
2低电源电流，典型值为1mA; 2单电源供电，2.5V～5.5V。
综上所述，本设计采用组合PGA，因为集成PGA不能够实现连续的增益变化。 ⑵ 组合PGA的设计
本设计采用数字电位器实现增益可连续变化的PGA,数字电位器是一种单片集成电路，其基本结构原理如图3.9所示它由多个相同的电阻、模拟开关、译码电路、非易失性数据寄存器、接口电路等组成。
?本设计采用数字电位计MCP41010，引脚图如图3.10，其特性为： ?每个电位器有256个抽头
?电位器阻值可以是10k?、50k?和100k? ?有单电位器和双电位器两种形式 ?SPI串行接口（模式0,0和1,1） ?最大INL和DNL误差为±1LSB
图3.9 数字电位器结构示意图
?采用低功耗CMOS技术 ?静态工作电流最大值为1μA
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?多个器件可以通过菊花链连接在一起（仅MCP42XXX） ?关断功能可断开所有电阻电路，最大限度节省功耗 ?有硬件关断引脚（仅MCP42XXX） ?单电源工作（2.7V - 5.5V） ?工业级温度范围：-40°C至+85°C ?扩展级温度范围：-40°C至+125°C ?引脚说明 ?PA0和PA1 电位器A端接头。 ?PB0和PB1 电位器B端接头。 ?PW0和PW1
电位器抽头接头。 ?片选（CS）
这是SPI端口片选引脚，在新命令装入移位寄存器后，引脚执行该命令。该引脚上有一个施密特触发器输入。 ?串行时钟（SCK）
这是SPI端口的时钟引脚，用于在向寄存器移入新数据时提供时钟。数据在时钟上升沿送入SI引脚，而在时钟下降沿移出SO引脚。该引脚的门控信号来自CS引脚（即在CS为高电平时，即便SCK引脚上有时钟信号，器件也不会汲取任何电流）。该引脚上有一个施密特触发器输入。 ?串行数据输入（SI）
这是SPI端口的串行数据输入引脚。使用该引脚将命令和数据字节送入移位寄存器。该引脚的门控信号来自CS引脚（即在CS为高电平时，即便SI引脚上有时钟信号，器件也不会汲取任何电流）。该引脚上有一个施密特触发器输入。 ?串行数据输出（SO）（仅MCP42XXX器件）
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