桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 張思琦 麻永琪 李貝妮

手持式多功能測(cè)試儀表是電子領(lǐng)域的新型測(cè)試儀器，主要的功能有覆蓋數(shù)字示波器和數(shù)字萬(wàn)用表，數(shù)字示波器一樣具有捕獲信號(hào)的功能、還可以測(cè)量得到峰峰值、還具有萬(wàn)用表的測(cè)量電壓電流和電阻功能。手持式多功能測(cè)量?jī)x表具有小巧便攜靈敏的特性，大多數(shù)都用于生活中的簡(jiǎn)易測(cè)量。包括五位左右的電參量靈敏度,濕度,溫度以及海拔高度等多種多樣的物理量的測(cè)量功能，還有很多種傳輸控制接口，有IEEE1588精確定時(shí)同步的優(yōu)點(diǎn)，這已經(jīng)足夠便攜一體化等多個(gè)方面的需求。為學(xué)生解決創(chuàng)新性綜合設(shè)計(jì)題目提供了一些便利，也利于學(xué)生在公共場(chǎng)合隨身攜帶，例如室內(nèi)，圖書(shū)館，實(shí)驗(yàn)室和教室圖書(shū)館等。這次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有體積小，功耗低，精度高的功能，手持式多功能測(cè)試儀表足以在特定領(lǐng)域滿足我們的基本需求！所以我們專門(mén)研究并且設(shè)計(jì)有高精度，用途廣的手持式多功能測(cè)試儀表來(lái)進(jìn)行一表多用，方便我們?nèi)粘y帶和進(jìn)行推動(dòng)國(guó)內(nèi)手持式多功能測(cè)試儀表技術(shù)發(fā)展有著重大意義。

1 數(shù)字示波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字示波器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 示波器設(shè)計(jì)

2.1 示波器設(shè)計(jì)原理

主要原理是對(duì)形成的大信號(hào)進(jìn)行衰減，對(duì)形成的小信號(hào)進(jìn)行放大再利用ADC信號(hào)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，再利用軟件的編稱對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理最后還原信號(hào)。

衰減電路和調(diào)擋電路

2.2 示波器硬件設(shè)計(jì)流程

示波器硬件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 示波器硬件設(shè)計(jì)流程圖

2.2.1 換擋電路和衰減電路

衰減電路利用了分壓電阻，換擋電路則通過(guò)主要控制芯片的IO口來(lái)控制繼電器的導(dǎo)通再對(duì)不同放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2.2 放大整形電路

利用低噪聲的高速運(yùn)放OPA2277對(duì)其輸入信號(hào)再進(jìn)行5.1倍的反相放大之后送入7ns的高速比較器AD8561所搭建反相遲滯比較器進(jìn)行比較，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)了解到AD8561輸出的高電平值為3.5V，低電平為0V。

3 萬(wàn)用表設(shè)計(jì)

3.1 萬(wàn)用表硬件設(shè)計(jì)

萬(wàn)用表硬件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 萬(wàn)用表硬件設(shè)計(jì)流程圖

3.1.1 直流和交流電壓的測(cè)量

我們所利用的直流電壓為200V，交流電壓2v和20V檔位，因?yàn)殡妷哼^(guò)小，ADC采樣所得到的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，通過(guò)運(yùn)放來(lái)進(jìn)行放大10倍的測(cè)量，通過(guò)軟件操作來(lái)進(jìn)行衰減，2v的檔位恰好處在ADC采樣的范圍之內(nèi)，這個(gè)檔位就不用繼續(xù)處理20v的檔位。因?yàn)榉戎灯?，所以用電阻能達(dá)到10倍的衰減，再用軟件進(jìn)行放大。

3.1.2 交流和直流電流測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

ACS712是一個(gè)霍爾傳感器，可以檢測(cè)電流，這個(gè)器件具有精準(zhǔn)的低偏置線性。霍爾傳感器，周圍的銅傳導(dǎo)路徑表面的電路片和電流可以通過(guò)銅傳導(dǎo)路徑形成的磁場(chǎng)感應(yīng)到被轉(zhuǎn)換后的電壓。

3.1.3 電阻測(cè)量電路

將標(biāo)準(zhǔn)的電阻和被測(cè)量的電阻進(jìn)行串聯(lián)，再通過(guò)分壓的原理，測(cè)出被測(cè)量電阻兩端產(chǎn)生的電壓，根據(jù)公式計(jì)算出電阻值不相同的檔位選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻。

3.1.4 通斷電路檢測(cè)

測(cè)量輸入后兩端的電阻值，如果電阻值小于30歐．主挖芯片所控制的蜂鳴器就會(huì)響起。

3.1.5 限幅電路

ADC采樣的范圍在0-3.3v之間，如果超過(guò)0-3.3vADC極容易被燒毀，所以在切換量程時(shí)輸出信號(hào)的幅度有可能會(huì)超出輸入所給電壓的范圍為了防止這種情況的發(fā)生、我們需要在輸入端入起保護(hù)作用的電路。采用高速的二極管、所以最后控制由壓鉗位在0-3.2V。

3.2 萬(wàn)用表軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 直流電壓軟件的測(cè)量流程

開(kāi)始→ADC初始化→ADC采集數(shù)據(jù)并取200次平均→液晶顯示電壓值→結(jié)束

3.2.2 交流電壓測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)

開(kāi)始→ADC初始化→ADC采集數(shù)據(jù)→尋找最大最小值，計(jì)算峰峰值→液晶顯示電壓值→結(jié)束

3.2.3 直流電流測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

開(kāi)始→A D C初始化→ADC采集數(shù)據(jù)并取200次平均→轉(zhuǎn)換為電流值并顯示→結(jié)束

總結(jié)：這次試驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)源和示波器的同步使用，旋轉(zhuǎn)按鍵對(duì)萬(wàn)用表功能進(jìn)行切換，示波器也具有垂直靈敏檔位、水平靈敏度檔位和改變觸發(fā)電平的功能。信號(hào)源可以輸出三角波，方波和正弦波三種不同波形。幅度可以在0～8V頻率可以達(dá)到0～10KHz，最小頻率可以在1Hz，最大頻率為1KHz。通過(guò)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變輸出的幅度，通過(guò)旋轉(zhuǎn)按鍵調(diào)節(jié)輸出波形，頻率。萬(wàn)用表可以測(cè)量的直流電壓在0-20v，交流電壓在0-20v范圍，交流和直流電流0-5A，電阻0-200k，并且還有通斷檢測(cè)，利用三個(gè)波動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)功能切換還有檔位的切換功能。5V電壓進(jìn)行供電，使用RGB液晶屏幕進(jìn)行顯示。

本手持式多功能測(cè)試儀表設(shè)計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)便，器件相對(duì)便宜，主要核心是主控芯片，運(yùn)用主控芯片的內(nèi)部資源和外部電路結(jié)合來(lái)完成整體設(shè)計(jì)，功能較多，而且體積小、便于攜帶等很多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于電源需求也十分方便，易上手操作。

本手持式多功能測(cè)試儀表主要的使用人群是面向教師和高校師生。在高校中，大部分的學(xué)生使用這些儀器僅在實(shí)驗(yàn)室，這些儀器中的功能都是相互獨(dú)立的。采用液晶顯示，體積小而且功能全面，重量質(zhì)量輕、使用起來(lái)非常便捷，可以節(jié)省造作時(shí)間，可以使得很多同學(xué)脫離實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量，還可以讓教師在上課的時(shí)候針對(duì)具體的測(cè)量問(wèn)題，操作更直接，還可以達(dá)到實(shí)踐和理論合一的效果。設(shè)計(jì)的示波表也適合于電子設(shè)備的日常維護(hù)和故障診斷，電子測(cè)量領(lǐng)域中的一類新型的超級(jí)實(shí)用的測(cè)試儀器，并且實(shí)現(xiàn)了價(jià)格低，性能高的特點(diǎn)，便于目前市場(chǎng)使用的需求。