CN1133078C - 自动换量限数字万用表及其自动换量限方法 - Google Patents

Abstract

一种自动换量限数字万用表，由模/数转换器电路、位控转换电平电路、锁存器电路、数值比较电路、触发记忆电路、模拟切换和变比电路、放大器电路、交/直流转换电路和液晶显示器共同电气连接构成。其自动换量限方法包括模/数转换器的数据输入到锁存器电路，再送到数值比较电路，触发和记忆其状态，控制模拟切换电路，信号放大，输入模/数转换器，显示等步骤。本发明功耗小、成本低、方法简单。

Description

自动换量限数字万用表及其自动换量限方法

本发明涉及一种自动换量限数字万用表及其自动换量限方法，属于自动化测量仪表技术。

万用表属于自动化仪表，基本上是作为工具类仪表被使用，因此市场需求量相当大，其产值也非常高。万用表技术同电子信息技术一样也在不断地发展，从早期的指针式仪表，到数字式，再到目前的数字式自动换量限(digitalautoranging)，其先进程度不断提高。由于不同形式的仪表有不同的特点，所以目前还有相当多的工程技术人员习惯使用指针式仪表，但是随着科学技术的发展，数字式替代指针式、自动换量限替代手动换量限是必然的发展趋势。目前，国内外的万用表技术水平和工艺水平与国外基本相当，而且国内企业生产的产品价格低于国外同类产品2～3倍。国内产品基本上占领了国内市场。我国生产万用表的大型企业在10家以上，其中的销售产值估计为15亿元。深圳华谊仪表有限公司，是生产万用表的大型企业之一，其产品的技术水平居国内外领先地位。该公司生产的MY-67型自动换量限数字万用表代表了该产品的最先进水平，主要特征是3·3/4位LCD显示，仪表内配有单片计算机，用来自动升降量限，具有与微机接口的3·3/4位A/D转换器通过数据接口与单片计算机进行数据通讯。目前市场上销售的自动换量限数字万用表，基本上都是利用单片计算机实现自动升降量限，其优点是控制换量的电路比较少，缺点是单片计算机的功耗大，显示位数仅限4位LCD数字，即只能利用3·3/4位数字的A/D转换器，因为选用具有与微机接口的5位数字A/D转换器时，其价格约为3·3/4位数字的10倍，这是目前万用表需要解决的最大技术难题。

本发明的目的在于解决目前自动换量限数字万用表的上述技术难题，提供一种数字显示位数达到4·1/2位而功耗小、价格较便宜的自动换量限数字万用表，并提供一种利用数字电路实现自动换量限的新的简便方法。

本发明的自动换量限数字万用表由4·1/2位液晶显示器、电源开关、电压和电阻输入插座、公共输入插座、电流输入插座、电压/电流/电阻选择开关和电路板共同连接构成，其相互连接关系为：4·1/2位液晶显示器与电路板上的相应模/数转换器电气连接，电源开关分别与电路板和电源电气连接，电压和电阻输入插座、公共输入插座、电流输入插座与电路板上的变比电路电气连接，电压/电流/电阻选择开关与电路板电气连接；万用表的通用电路由电压电阻变比电路、电流变比电路、放大器电路、交/直流电压有效值转换电路和4·1/2位液晶显示器共同电气连接构成，实现自动换量程的数字电路由位控转换电平电路、锁存器电路、数值比较电路、触发记忆电路、电压模拟切换电路、电阻模拟切换电路、电流模拟切换电路共同电气连接构成，其相互连接关系为：4·1/2位模/数转换器电路分别与位控转换电平电路、锁存器电路、放大器电路、液晶显示器和交/直流电压有效值转换电路电气连接；位控转换电平电路与锁存器电路电气连接；数值比较电路分别与锁存器电路、触发记忆电路电气连接；触发记忆电路分别与电压模拟切换电路、电流模拟切换电路、电阻模拟切换电路电气连接；电压电阻变比电路分别与电压模拟切换电路、电阻模拟切换电路、放大器电路、交/直流电压有效值转换电路电气连接；电流变比电路分别与电流模拟切换电路、放大器电路电气连接。

4·1/2位模/数转换器电路由4·1/2位模/数转换器、电阻、电容、稳压管共同电气连接构成；位控转换电平电路由逻辑门电路、运算放大器、电阻共同电气连接构成；所述的交/直流转换电路由电容、二极管、电阻共同电气连接构成；锁存器电路由寄存器、逻辑非门共同电气连接构成；数值比较电路由逻辑非门、数值比较器共同电气连接构成；触发器电路由逻辑或门、逻辑与门、逻辑或非门共同电气连接构成；电流模拟切换电路由多路模拟开关、电流变比电阻、二极管、保险丝共同电气连接构成；电压模拟切换、电阻模拟切换电路由多路模拟开关、电阻共同电气连接构成；放大器电路由运算放大器、电阻共同电气连接构成；电阻测量信号比较电路由运算放大器、稳压二极管、电位器、三极管和电阻共同电气连接构成。

图3、图4、图5是本发明的电路原理图。本发明自动换量限的方法包括如下步骤：

(1)4·1/2位模/数转换器的串行数据输入到位控转换电平电路和锁存器电路，即模/数转换器输出的千位和万位数字进入到位控转换电平电路和寄存器锁存；

(2)将转换和锁存数据送到数值比较电路，经过测量状态的触发器和记忆，其具体过程如下：当数字为1----时，即模/数转换器处于过载状态，此时数值比较电路的输出信号LA＝B为逻辑“1”电平，信号5BC为逻辑“0”电平，信号LB3为逻辑“1”电平，有逻辑与门输出“1”电平，当计数器输出为“0001”时，触发记忆电路输出逻辑信号RSA为逻辑“1”电平；为“0010”时，RSB为“1”；为“0100”时，RSC为“1”；为“1000”时，RSD为“1”，最后控制模拟切换电路的选通状态；当处于正常测量状态时，输出数字的千位和万位是“00”、“01”数值，数值比较电路的输出信号A＝B为逻辑“1”电平，LB2为逻辑“1”电平，当计数器输出为“0001”时，使得触发记忆电路输出逻辑信号RSD为逻辑“0”电平；为“0010”时，RSC为“0”；为“0100”时，RSB为“0”；为“1000”时，RSA为“0”，最后控制模拟切换电路的选通状态；

(3)触发和记忆的数据控制电压模拟切换电路、电阻模拟切换电路、电流模拟切换电路，使得经过电压电阻变比后的测量信号输入到放大器电路或交/直流转换电路处理，并使得经过电流变比后的信号输入到放大器电路，最后输入到4·1/2位模/数转换器，模/数转换后的数据通过液晶显示器显示。

本发明与现有技术相比具有如下的优点和效果：

(1)本发明选用了4·1/2位模/数转换器，使得自动换量限的万用表的显示位数是4·1/2位数字，即显示数字是“19999”；

(2)本发明利用4·1/2位模/数转换器输出数字进行锁存、数值比较、触发记忆，控制电压、电阻、电流模拟切换电路，也就是选择不同的变比达到实现换量限的目的；

(3)本发明的模/数转换器、放大器电路的最大电流＜2mA，数字电路均为CMOS电路器件，所以其工作电流＜2mA，全部万用表的工作电流＜4mA；

(4)本发明所选用的模/数转换器和CMOS电路器件的价格均比较低，所以万用表总的成本也相应低，非常利于进行大批量生产；

(5)本发明的万用表自动换量限方法简单可行，在生产中不需要特别调试，便于进行批量生产；

(6)本发明的功耗低，既省电又提高了模拟电路的稳定性。

下面结合附图与实施例对本发明进行更详细的说明：

图1是本发明的外型结构示意图。

图2是本发明的电路方框图。

图3为本发明4·1/2位模/数转换器电路、交/直流电压转换电路和位控制信号转换电平电路的电路原理图。

图4为本发明锁存器电路、数值比较电路和触发器记忆电路的电路原理图。

图5为本发明电压模拟切换电路、电阻模拟切换电路、电流模拟切换电路、电压电阻变比电路、电流变比电路、放大器电路的电路原理图。

在图1中，1为4·1/2位液晶显示器、2为电源开关、3为电压和电阻输入插座、4为公共输入插座、5为电流输入插座、6为电压/电流/电阻选择开关、7为机壳。其中，电压/电流/电阻选择开关可以是旋转式、按键式或滑动式等形式，只要能实现电压、电流和电阻的自由选择功能，均属于本发明的保护范围。

由图2可以看出，4·1/2位模/数转换器电路分别通过串行数据输出线、模拟电压输入线、小数点控制线分别与位控转换电平电路输入线、锁存器电路输入线、放大器电路输出线、液晶显示器输入线和交/直流电压有效值转换电路输出线电气连接；位控转换电平电路输出线和锁存器电路输入线电气连接；数值比较电路分别通过输入输出控制线与锁存器电路输出线、触发记忆电路输入控制线电气连接；触发记忆电路通过输出线分别与电压模拟切换电路输入控制线、电流模拟切换电路输入控制线、电阻模拟切换电路输入控制线电气连接；电压电阻变比电路分别通过输入输出线与电压模拟切换电路输出线、电阻模拟切换电路输出线、放大器电路输入线、交/直流电压有效值转换电路输入线电气连接；电流变比电路分别通过输入输出线与电流模拟切换电路输出线、放大器电路输入线电气连接。

由图3可以看出，4·1/2位模/数转换器电路由4·1/2位模/数转换器IC1、电阻R1～R5、电容C1～C5、稳压管Z1共同电气连接构成；位控转换电平电路由逻辑门IC7：A、IC2：B、运算放大器IC3～IC5、电阻R6～R14共同电气连接构成；交/直流电压转换电路由运算放大器IC6、电容C6～10、二极管D1～D4、电阻R15～R24共同电气连接构成。

由图4可以看出，锁存器电路由寄存器IC11：A、IC11：B、IC12：A、逻辑非门IC13：A、IC13：B共同电气连接构成；数值比较电路由逻辑非门IC7、数值比较器IC8～IC10共同电气连接构成；触发器电路由逻辑或门IC14、逻辑与门IC16、IC21、IC23、IC25、逻辑或非门IC17、IC19、IC22、IC24、IC26共同电气连接构成。

由图5可以看出，电流模拟切换和电流变比电路由多路模拟开关IC27、电阻R27～R33、二极管D5～D8、保险丝F1共同电气连接构成；电压模拟切换、电阻模拟切换电路和电压电阻变比电路由多路模拟开关IC28、IC29、电阻R25、R26、R34、R35～R38共同电气连接构成；放大器电路由运算放大器IC31～IC33、电阻R43～R48共同电气连接构成；电阻测量信号比较电路由运算放大器IC30、稳压二极管Z3、电位器W3、三极管Q2、电阻R39～R42共同电气连接构成。

在图3、图4和图5中，相同标号的连线相互连接。

进行测量时：(1)被测量电压信号通过输入端B1输入，开关S4的r和s连接，稳压二极管Z2起到过压保护作用，此时开关S5选择m和h连接，开关S9选择n和j端连接，经过电阻R26、R35～R38接地，自动换量限电路控制多路模拟开关的RSA、RSB、RSC、RSD逻辑控制端，使得模拟开关IC29的pin20和pin1、pin3、pin8、pin10之一端选通，当被测量电压是直流时，开关S10选择o和q端连接，输出电压信号Vv，Vv经过放大器再输出电压Vdc，当被测量电压是交流时，开关S10选择o和p端，输出电压信号Va，Va经过交/直流电压有效值转换电路输出电压Vac，4·1/2位模/数转换器IC1将Vdc或Vac信号转换后送液晶显示器显示；(2)被测量电阻信号通过输入端B1输入，开关S8接通，信号经过电阻R34连接到放大器IC30的输入端，然后经过电阻R35～R38，开关S38的n和i端连接，接入放大器IC30的输出端，自动换量限电路控制多路模拟开关IC28的RSA、RSB、RSC、RSD逻辑控制端，改变其放大倍数，被测量电阻连接在放大器的输入端和地之间，放大器的输入和输出端的电压差值V(ir+-ir-1C31～IC33)输出电压信号Vdc，4·1/2位模/数转换器IC1将Vdc信号转换后送液晶显示器显示；(3)被测量电流信号经过保险丝F1、电阻R27～R33，开关S4的r和t端连接，被测量电流最后接地，自动换量限电路控制多路模拟开关IC27的RSA、RSB、RSC、RSD逻辑控制端，使得模拟开关IC27的pin19和pin1、pin3、pin8、pin10之一端选通，输出电压信号Vma，Vma经过放大器再输出电压Vdc，4·1/2位模/数转换器IC1将Vdc信号转换后送液晶显示器显示。

本发明数字万用表通过以下方法实现自动换量限：经过模/数转换器IC1输出的千位和万位数字进入寄存器IC11、IC12锁存，位控信号BP1、BP2、BP3输入到位控转换电平电路，当数字为1----时，即模/数转换器处于过载状态，此时数值比较电路IC9的输出信号LA＝B为逻辑“1”电平，信号5BC为逻辑“0”电平，信号LB3为逻辑“1”电平，有逻辑与门输出“1”电平，当计数器IC20输出为“0001”时，触发记忆电路IC16、IC17输出逻辑信号RSA为逻辑“1”电平；当计数器IC20输出为“0010”时，触发记忆电路IC25、IC26输出逻辑信号RSB为逻辑“1”电平；当计数器IC20输出为“0100”时，触发记忆电路IC23、IC24输出逻辑信号RSC为逻辑“1”电平；当计数器IC20输出为“1000”时，触发记忆电路IC21、IC22输出逻辑信号RSD为逻辑“1”电平，最后控制模拟切换电路IC27～IC29的选通状态。当处于正常测试状态时，输出数字的千位和万位是“00”、“01”数值，数值比较电路IC8、IC10的输出信号A＝B为逻辑“1”电平，LB2为逻辑“1”电平，当计数器IC20为“0001”时，使得触发记忆电路IC21、IC22输出逻辑信号RSD为逻辑“0”电平；当计数器IC20为“0010”时，使得触发记亿电路IC23、IC24输出逻辑信号RSC为逻辑“0”电平；当计数器IC20为“0100”时，使得触发记忆电路IC25、IC26输出逻辑信号RSB为逻辑“0”电平；当计数器IC20为“1000”时，使得触发记忆电路IC16、IC17输出逻辑信号RSA为逻辑“0”电平，最后控制模拟切换电路IC27～IC29的选通状态。上述逻辑锁存、比较、触发记忆步骤就是实现自动换量限的过程。

本发明自动换量限数字万用表的制备和元器件要求如下：(1)按图1所示，设计加工制造机壳7及面板。可选用铝合金或其它金属材料，用通用的方法加工机壳及面板；(2)按图1所示，可选DV16100型多位液晶显示器1；(3)按图3～图5绘制印刷电路板，然后选择元器件进行焊接及安装调试，其中，IC1可选ICL7129型4·1/2位模/数转换器；IC2、IC7、IC13可选4069型逻辑非门器件；IC3～IC6可选LM324型运算放大器器件；IC8～IC10可选4585型数值比较器；IC11、IC12可选4015型寄存器；IC14、IC19可选4071型逻辑或门；IC15可选4081型逻辑与门；IC16、IC21、IC23、IC25可选4073型逻辑与门；IC20可选4015型计数器；IC18可选4002型逻辑或非门；IC17、IC22、IC24、IC26可选4001型逻辑或非门；IC27～IC29可选4067型多路模拟开关器件；IC30～IC33可选LM324运算放大器电路；W1～W3可选3006P型电位器；电阻、电容元件为普通元件，电路中未标明的电容、电阻均选用常规万用表的参数值；(4)安装调试好的电路板装于机壳内，并把相应部分分别与液晶显示器1、电源开关2、电压/电流/电阻选择开关6进行连接，便能较好地完成本发明。

Claims (4)

1、一种自动换量限数字万用表，其特征在于由4·1/2位液晶显示器(1)、电源开关(2)、电压和电阻输入插座(3)、公共输入插座(4)、电流输入插座(5)、电压/电流/电阻选择开关(6)和电路板共同连接构成，其相互连接关系为：4·1/2位液晶显示器(1)与电路板上的相应模/数转换器电气连接，电源开关(2)分别与电路板和电源电气连接，电压和电阻输入插座(3)、公共输入插座(4)、电流输入插座(5)与电路板上的变比电路电气连接，电压/电流/电阻选择开关(6)与电路板电气连接；万用表的通用电路由电压电阻变比电路、电流变比电路、放大器电路、交/直流电压有效值转换电路和4·1/2位液晶显示器(1)共同电气连接构成，实现自动换量程的数字电路由位控转换电平电路、锁存器电路、数值比较电路、触发记忆电路、电压模拟切换电路、电阻模拟切换电路、电流模拟切换电路共同电气连接构成，其相互连接关系为：4·1/2位模/数转换器电路分别与位控转换电平电路、锁存器电路、放大器电路、液晶显示器和交/直流电压有效值转换电路电气连接；位控转换电平电路与锁存器电路电气连接；数值比较电路分别与锁存器电路、触发记亿电路电气连接；触发记忆电路分别与电压模拟切换电路、电流模拟切换电路、电阻模拟切换电路电气连接：电压电阻变比电路分别与电压模拟切换电路、电阻模拟切换电路、放大器电路、交/直流电压有效值转换电路电气连接；电流变比电路分别与电流模拟切换电路、放大器电路电气连接。

2、如权利要求1所述的自动换量限数字万用表，其特征在于所述的4·1/2位模/数转换器电路由4·1/2位模/数转换器(IC1)、电阻(R1～R5)、电容(C1～C5)、稳压管(Z1)共同电气连接构成；所述的位控转换电平电路由逻辑门(IC7：A、IC2：B)、运算放大器(IC3～IC5)、电阻(R6～R14)共同电气连接构成；所述的交/直流转换电路由运算放大器(IC6)、电容(C6～10)、二极管(D1～D4)、电阻(R15～R24)共同电气连接构成；所述的锁存器电路由寄存器(IC11：A、IC11：B、IC12：A)、逻辑非门(IC13：A、IC13：B)共同电气连接构成；所述的数值比较电路由逻辑非门(IC7)、数值比较器(IC8～IC10)共同电气连接构成；所述的触发器电路由逻辑或门(IC14)、逻辑与门(IC16、IC21、IC23、IC25)、逻辑或非门(IC17、IC19、IC22、IC24、IC26)共同电气连接构成；所述的电流模拟切换电路由多路模拟开关(IC27)、电流变比电阻(R27～R33)、二极管(D5～D8)、保险丝(F1)共同电气连接构成；所述的电压模拟切换、电阻模拟切换电路由多路模拟开关(IC28、IC29)、电阻(R25、R26、R34～R38)共同电气连接构成；所述的放大器电路由运算放大器(IC31～IC33)、电阻(R43～R48)共同电气连接构成；所述的电阻测量信号比较电路由运算放大器(IC30)、稳压二极管(Z3)、电位器(W3)、三极管(Q2)、电阻(R39～R42)共同电气连接构成。

3、如权利要求2所述的自动换量限数字万用表，其特征在于液晶显示器(1)为DV16100型；4·1/2位模/数转换器(IC1)为ICL7129型；逻辑非门器件(IC2、IC7、IC13)为4069型；运算放大器器件(IC3～IC6)为LM324型；数值比较器(IC8～IC10)为4585型；寄存器(IC11、IC12)为4015型；逻辑或门(IC14、IC19)为4071型；逻辑与门(IC15)为4081型；逻辑与门(IC16、IC21、IC23、IC25)为4073型；计数器(IC20)为4015型；逻辑或非门(IC18)为4002型；逻辑或非门(IC17、IC22、IC24、IC26)为4001型；多路模拟开关器件(IC27～IC29)为4067型；运算放大器电路(IC30～IC33)为LM324；电位器(W1～W3)为3006P型。

4、一种数字万用表的自动换量限方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)4·1/2位模/数转换器的串行数据输入到位控转换电平电路和锁存器电路，即模/数转换器输出的千位和万位数字进入到位控转换电平电路和寄存器锁存；

(2)将转换和锁存数据送到数值比较电路，经过测量状态的触发器和记忆，其具体过程如下：当数字为1----时，即模/数转换器处于过载状态，此时数值比较电路的输出信号LA＝B为逻辑“1”电平，信号5BC为逻辑“0”电平，信号LB3为逻辑“1”电平，有逻辑与门输出“1”电平，当计数器输出为“0001”时，触发记忆电路输出逻辑信号RSA为逻辑“1”电平；为“0010”时，RSB为“1”；为“0100”时，RSC为“1”；为“1000”时，RSD为“1”，最后控制模拟切换电路的选通状态；当处于正常测量状态时，输出数字的千位和万位是“00”、“01”数值，数值比较电路的输出信号A＝B为逻辑“1”电平，LB2为逻辑“1”电平，当计数器输出为“0001”时，使得触发记忆电路输出逻辑信号RSD为逻辑“0”电平；为“0010”时，RSC为“0”；为“0100”时，RSB为“0”；为“1000”时，RSA为“0”，最后控制模拟切换电路的选通状态；

(3)触发和记忆的数据控制电压模拟切换电路、电阻模拟切换电路、电流模拟切换电路，使得经过电压电阻变比后的测量信号输入到放大器电路或交/直流转换电路处理，并使得经过电流变比后的信号输入到放大器电路，最后输入到4·1/2位模/数转换器，模/数转换后的数据通过液晶显示器显示。

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