CN110672900B - 低功耗数字多功能表 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字电表领域，具体而言，涉及一种低功耗数字多功能表，其中所述低功耗数字多功能表包括：处理器模块，以及与处理器模块电性连接的转换模块；其中所述转换模块包括切换电路、电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路；所述切换电路根据不同的待测量元器件切换不同的电路；所述处理器模块适于接收电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路与处理器模块发送的相应检测信息，以完成对待测量元器件物理量的测量；能够实现对不同元器件的不同物理量测量。
Description
技术领域
本发明涉及数字电表领域，具体而言，涉及一种低功耗数字多功能表。
背景技术
在相关技术中，万用表在测量较小的物理量时，由于万用表的测量精度不够精确，易导致显示的精度位数不完全，以使得到的物理量的数值不准确，并且，目前的万用表在测量物理量时所消耗的功率偏大，以使万用表需要消耗较多的电能。
发明内容
本发明的目的是提供一种低功耗数字多功能表，以降低在测量物理量时所消耗的电能。
本发明实施例提供了一种低功耗数字多功能表，包括：处理器模块，以及与处理器模块电性连接的转换模块；其中所述转换模块包括切换电路、电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路；所述切换电路根据不同的待测量元器件切换不同的电路；所述处理器模块适于接收电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路与处理器模块发送的相应检测信息，以完成对待测量元器件物理量的测量。
进一步，所述切换电路包括若干电子插座和键盘电路；所述键盘电路适于发送选择信息给处理器模块；所述电子插座分别设置在电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路的测试端。
进一步，所述电容测量电路包括电容振荡子电路和电容量程子电路；所述电容量程子电路连接电容振荡子电路的输入端；所述电容振荡子电路的输出端连接待测量的元器件。
进一步，所述电容振荡子电路的反馈端连接处理器模块，以发送电容振荡子电路的频率信号给处理器模块。
进一步，所述电容量程子电路包括电阻选择开关和若干电阻；
若干不同阻值的电阻串联或并联后通过选择开关接入电容振荡子电路。
进一步，所述电阻测量电路包括电阻振荡子电路和电阻量程子电路；所述电阻量程子电路连接电阻振荡子电路的振荡端；所述电阻振荡子电路的输入端连接待测量的元器件；所述电阻振荡子电路适于发送电阻振荡频率数据给处理器模块。
进一步，所述电阻量程子电路包括电容选择开关和若干并联的电容；通过选择开关将不同容量的电容并联后接入电阻振荡子电路的振荡端。
进一步，所述晶体管β值测量电路包括晶体管切换子电路和电压采集子电路；所述晶体管切换子电路的输入端连接元器件；所述晶体管切换子电路的输出端连接电压采集子电路。
进一步，所述晶体管切换子电路包括选择开关、第一晶体管电路和第二晶体管电路；所述选择开关分别连接第一晶体管电路和第二晶体管电路的输入端。
进一步，所述电压采集子电路包括采样电阻；所述采样电阻适于发送采样数据给处理器模块，以生成待测量元器件的β值。
相对于现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：所述切换电路根据元器件选择电容测量电路，或电阻测量电路，或晶体管β值测量电路；处理器模块根据不同测量电路所发送的相应检测信息，以实现对待测量元器件物理量的检测；简化了电路设计，能够对多种元器件及其相应的者物理量进行测量。
同时，处理器模块可以是单片机，通过将单片机作为核心控制芯片，实现了对交流电压值、直流电压值、电阻值、电容值和三极管β值的精确测量，并且单片机能产生10Hz～100kHz的正弦波信号源，通过电阻的分压原理测量电阻，通过运放对电压的放大与缩小实现不同量程电压的测量，经过单片机计算振荡频率求出电容值。还可以使用低功耗段式液晶作为显示器，真正实现低功耗高精度测量电压、电阻、电容、三极管β参数、正弦波信号源的功能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明低功耗数字多功能表的原理框图；
图2示出了本发明低功耗数字多功能表的显示模块电路图；
图3示出了本发明低功耗数字多功能表的电容测量电路电路图；
图4示出了本发明低功耗数字多功能表的电阻测量电路电路图；
图5示出了本发明低功耗数字多功能表的晶体管β值测量电路电路图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种低功耗数字多功能表，包括：处理器模块，以及与处理器模块电性连接的转换模块；其中所述转换模块包括切换电路、电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路；所述切换电路根据不同的待测量元器件切换不同的电路；所述处理器模块适于接收电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路与处理器模块发送的相应检测信息，以完成对待测量元器件物理量的测量；本发明所提及的是一种低功耗数字多功能表，需要对接入的元器件测量其物理量；对于电阻值的测量、电容值的测量、晶体管β值的测量其电路都是不能通用的，所以需要设计不同的电路测量不同物理量；在测量元器件物理量时，通过切换电路切换不同的测量电路，以实现对同物理量的测量。
同时，处理器模块可以是单片机，通过将单片机作为核心控制芯片，实现了对交流电压值、直流电压值、电阻值、电容值和三极管β值的精确测量，并且单片机能产生10Hz～100kHz的正弦波信号源，通过电阻的分压原理测量电阻，通过运放对电压的放大与缩小实现不同量程电压的测量，经过单片机计算振荡频率求出电容值。还可以使用低功耗段式液晶作为显示器，真正实现低功耗高精度测量电压、电阻、电容、三极管β参数、正弦波信号源的功能。
具体地，所述处理器模块为单片机，可以但不限于采用MSP430单片机；MSP430单片机具有低电压、超低功耗的特点；其工作电压3.3V，等待方式下工作电流为1.3mA，在RAM保持关闭工作方式下工作电流仅为0.5mA,具有12位的模数转换器(ADC12)，可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦，拥有大容量的存储空间。存储器方面包括多达60k Flash ROM和2kRAM，如此数量的存储空间完全可以满足程序及数据的需要；所述处理器模块还包括硬件乘法器，该乘法器独立于单片机进行乘法运算的操作，在提高乘法运算速度的同时也提升了单片机的利用效率。
在本实施例中，所述处理器模块还连接以显示模块，用于显示测量的物理量；所述显示模块适于采用LCD1602显示模块。
在本实施例中，所述切换电路包括若干电子插座和键盘电路；所述键盘电路适于发送选择信息给处理器模块；所述电子插座分别设置在电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路的测试端；通过键盘电路设置待测量的元器件类型，以便于单片机根据相应的元器件选择相应的算法；所述电子插座便于接入元器件，能够在多次测量时保证数据的稳定传输。
在本实施例中，所述算法均为本领域技术人员的常规算法。
在本实施例中，所述电容测量电路包括电容振荡子电路和电容量程子电路；所述电容量程子电路连接电容振荡子电路的输入端；所述电容振荡子电路的输出端连接待测量的元器件；所述电容振荡子电路适于采用555定时器和电容量程子电路构成多谐振荡电路，根据振荡周期的公式C＝T/1.4R公式可知，通过振荡周期能够测算电容值，振荡周期可由处理器模块提供。
另外，利用555定时器和待测电阻构成多谐振荡电路，再利用单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期，通过测量周期间接测得待测电阻或者无极性电容，并验证RC振荡电路实验。电阻灵敏度为0.01Ω，电容灵敏度为0.01pF。
在本实施例中，所述电容振荡子电路的反馈端连接处理器模块，以发送电容振荡子电路的频率信号给处理器模块；所述555定时器适于发送频率信号f送到处理器模块，再通过处理器模块的定时器测量振荡电路的振荡周期，从而测算待测量元器件的电容值。
在本实施例中，所述电容量程子电路包括电阻选择开关和若干电阻；若干不同阻值的电阻串联或并联后通过选择开关接入电容振荡子电路；若干不同阻值电阻串联适于增大接入振荡电路的电阻值，若干不同阻值电阻并联适于减小接入振荡电路的电阻值，通过改变接入振荡电路的电阻值，以测量不同容量的电容。
在本实施例中，所述电阻测量电路包括电阻振荡子电路和电阻量程子电路；
所述电阻量程子电路连接电阻振荡子电路的振荡端；所述电阻振荡子电路的输入端连接待测量的元器件；所述电阻振荡子电路适于发送电阻振荡频率数据给处理器模块；所述电阻振荡子电路适于采用555定时器和电阻量程子电路构成多谐振荡电路；再根据振荡周期的公式R＝T/1.4C测得待测电阻。
所述电阻测量电路和电容测量电路均采用555定时器，能够减少电路的设计成本，便于后期的维护。
在本实施例中，所述电阻量程子电路包括电容选择开关和若干并联的电容；通过选择开关将不同容量的电容并联后接入电阻振荡子电路的振荡端；若干电容组成电容器，电容器的充电时间T1和放电时间T2分别为：充电时间T1＝0.7RC；放电时间T2＝0.7RC；所以多谐振荡器的周期T为：T＝T1+T2＝1.4RC；再将T带入公式R＝T/1.4C能够计算出待测量元器件的电阻值；通过不同电容并联，以改变接入电路的容量，从而测量不同大小的电阻。
在本实施例中，所述晶体管β值测量电路包括晶体管切换子电路和电压采集子电路；所述晶体管切换子电路的输入端连接元器件；所述晶体管切换子电路的输出端连接电压采集子电路；所述晶体管分为NPN型和PNP型的，其所对应的测量电路也不同，通过晶体管切换子电路实现对不同晶体管β值测量。
在本实施例中，所述晶体管切换子电路包括选择开关、第一晶体管电路和第二晶体管电路；所述选择开关分别连接第一晶体管电路和第二晶体管电路的输入端；当测量时单片机的P5.1拉低电路工作，若选择开关S6导通，电阻R25上的电压与NPN上的集电极电压分压相同；若选择开关S7导通，电阻R26上的电压与PNP上的发射机电压相同；通过选择开关切换不同的选择电路，以实现对不同晶体管β值测量；当测试的是NPN型的三极管时，通过测量发射极电压Ue,然后由电路中的关系式Ie＝Ue/R1,Ic＝Ib+Ie,β＝Ic/Ib；当测试的是PNP型的三极管时，通过测量集电极极电压Uc,Ic＝Uc/R4,Ic＝Ie+Ib,β＝Ic/Ib,Ib。
在本实施例中，所述电压采集子电路包括采样电阻；所述采样电阻适于发送采样数据给处理器模块，以生成待测量元器件的β值；处理器模块中存有不同晶体管的电压与电流对应关系及电流与电流对用关系，通过采样数据计算相应的晶体管的β值。
在本实施例中，可增加“自动关机”功能，即在测量模式下，若1分钟内无任何按键按下，仪表将自动关闭供电电源并进入低功耗状态；再按下任意键，仪表将自动返回“自动关机”前的状态。
为了衡量本发明的低功耗数字多功能表的工作情况和测量精度，进行了以下试验。测量数据如表1-5所示。
表1电阻测试结果
| 数字电桥电阻值 | 测试值 | 测试相对误差 |
| 10 | 10.1 | 0.01 |
| 47 | 47.3 | 0.0063 |
| 100 | 99.8 | -0.002 |
| 510 | 512 | 0.0039 |
| 1K | 997 | -0.003 |
| 3.3K | 3.29K | -0.003 |
| 10K | 10.42K | 0.0042 |
| 51K | 50.65K | -0.0069 |
| 100K | 100.5K | 0.005 |
表2电容测试结果
| 数字电桥电容值 | 测试值 | 测试相对误差 |
| 10nF | 10.3nF | 0.03 |
| 100nF | 99.5nF | -0.005 |
| 220nF | 216nF | -0.018 |
| 1uF | 0.997nF | -0.003 |
| 10uF | 10.25uF | 0.025 |
| 22uF | 22.3uF | 0.014 |
| 47uF | 46.2uF | -0.017 |
| 100uF | 103.3uF | 0.033 |
表3 PNP三极管测试结果
表4直流电压测试结果
| 直流源标称值 | 测试值 | 测试相对误差 |
| 20mv | 19.68mv | -0.0016 |
| 100mv | 100.3mv | 0.003 |
| 200mv | 199.5mv | -0.0025 |
| 500mv | 503mv | 0.006 |
| 1v | 0.998v | -0.002 |
| 5v | 4.98v | -0.004 |
| 10v | 9.96v | -0.004 |
| 15v | 15.06v | 0.004 |
| 20v | 20.15v | 0.0075 |
表5交流电压测试结果
| 交流源标称值 | 测试值 | 测试相对误差 |
| 20mv | 19.68mv | -0.016 |
| 200mv | 201mv | 0.005 |
| 400mv | 398mv | -0.005 |
| 800mv | 806mv | 0.0075 |
| 1v | 1.005v | 0.005 |
| 4v | 4.01v | 0.0025 |
| 8v | 7.96v | -0.005 |
| 16v | 15.89v | -0.0069 |
| 20v | 19.86v | -0.007 |
综上所述，经对上述数据的计算分析，测量交流电压的0.2V档时相对误差为0.005,在要求的误差范围之内。同样在测量其他物理量时的误差都在要求的误差范围之内。准确的测量交流小信号，当测量程是0.2V时，精度达0.001，且最小可测到1mv。测量直流电压小信号时同样使精度可达0.001，最小可测到1mv.增加正弦波信号源功能：要求输出正弦波信号的频率为10Hz～100kHz，且可调；非线性失真≤3％。
综上所述，本发明通过切换电路将待测量的原件接入电容测量电路，或电阻测量电路，或晶体管β值测量电路；所述电容测量电路的电容振荡子电路发送频率数据给处理器模块，以计算待测量电容的容量值；所述电阻测量电路适于发送电阻振荡频率数据给处理器模块，以计算待测量电阻的阻值；所述晶体管β值测量电路适于发送采用电阻的采样数据给处理器模块，以计算晶体管的β值；通过不同的测量电路，能够对不同的接入元器件进行准确的测量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种低功耗数字多功能表，其特征在于，包括：
处理器模块，以及与处理器模块电性连接的转换模块；其中
所述转换模块包括切换电路、电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路；
所述切换电路根据不同的待测量元器件切换不同的电路；
所述处理器模块适于接收电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路与处理器模块发送的相应检测信息，以完成对待测量元器件物理量的测量；
所述切换电路包括若干电子插座和键盘电路；
所述键盘电路适于发送选择信息给处理器模块；
所述电子插座分别设置在电容测量电路、电阻测量电路和晶体管β值测量电路的测试端；
所述电容测量电路包括电容振荡子电路和电容量程子电路；
所述电容量程子电路连接电容振荡子电路的输入端；
所述电容振荡子电路的输出端连接待测量的元器件；
所述电容振荡子电路的反馈端连接处理器模块，以发送电容振荡子电路的频率信号给处理器模块；
所述电容量程子电路包括电阻选择开关和若干电阻；
若干不同阻值的电阻串联或并联后通过选择开关接入电容振荡子电路；
所述电阻测量电路包括电阻振荡子电路和电阻量程子电路；
所述电阻量程子电路连接电阻振荡子电路的振荡端；
所述电阻振荡子电路的输入端连接待测量的元器件；
所述电阻振荡子电路适于发送电阻振荡频率数据给处理器模块；
所述电阻量程子电路包括电容选择开关和若干并联的电容；
通过选择开关将不同容量的电容并联后接入电阻振荡子电路的振荡端；
所述晶体管β值测量电路包括晶体管切换子电路和电压采集子电路；
所述晶体管切换子电路的输入端连接元器件；
所述晶体管切换子电路的输出端连接电压采集子电路。
2.根据权利要求1所述的低功耗数字多功能表，其特征在于，
所述晶体管切换子电路包括选择开关、第一晶体管电路和第二晶体管电路；
所述选择开关分别连接第一晶体管电路和第二晶体管电路的输入端。
3.根据权利要求1所述的低功耗数字多功能表，其特征在于，
所述电压采集子电路包括采样电阻；
所述采样电阻适于发送采样数据给处理器模块，以生成待测量元器件的β值。
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