CN2685886Y - 数字万用表 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了用于测量电气参数并具有语音播报功能的数字万用表。该数字万用表主要由功能选择电路(4)、量程转换电路(5)、LCD电路(9)、电源(1)和带有模/数转换器ADC和数/模转换器DAC的微控制器(3)构成。其中该数字万用表的量程转换电路(5)和微控制器(3)内部的模/数转换器ADC构成了量程自动转换电路(6)。该数字万用表的微控制器(3)是采用凌阳公司的SPCE061A芯片作为其控制部件，不但能够进行量程的自动识别，且可实现多种测量结果的语音播报及能与上位机进行通讯，因而具有电路集成度高、可靠性高、体积小、成本低、智能化程度较高等特点。

Description

数字万用表

技术领域

本实用新型涉及一种测量仪表，尤其涉及一种用于测量电气参数且可实现语音播报的数字万用表。

背景技术

数字万用表在电气测量领域广为应用，目前人们使用的数字万用表的测量结果多是以数字显示方式输出，这就要求使用者必须用眼睛观看测量结果，因此使用者须一边测量一边观看测量结果，这样不但会使使用者分心使测量产生误差，还可能造成测量短路，从而对人体产生伤害或使设备毁坏。另外，当测量点较多或分布较密时，测量效率必将大受影响。因此，现有技术中提供一种无需观看就可以知晓测量结果的万用表。申请号为96229006.8，名称为“具语音报读数功能的数字万用表”的中国实用新型专利文献中就公开了一种通过语音播报测量结果的数字万用表，该数字万用表由功能开关及辅助电路、A/D转换器、微处理机、LCD显示器、语音ROM及功率放大电路、语音输出装置和功能选择/执行开关组成，其中微处理机、语音ROM是专用芯片，借助功能选择/执行开关，使万用表具有多种功能，如测量值的多种读数模式。这样的数字万用表使得测量者能够集中注意力进行测量，而不必分心观察测量结果，有效保障了使用者的人身安全及设备安全，且可实现精确测量。但是，上述公开的数字万用表，其所包含的A/D转换器、微处理机、语音ROM及功率放大电路均为分离的芯片，这样组合而成的数字万用表集成度、可靠性均较低，而且体积较大、成本较高，并且不支持串口通讯、测量结果的打印输出等功能。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种集成度高、可靠性高、体积小、成本低且可实现语音播报的数字万用表。

本实用新型提供的数字万用表，包括：功能选择电路、量程转换电路、LCD电路、电源，并且还包括具有模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、数字信号处理器DSP以及片内存储器的微控制器；其中，被测量、功能选择电路、量程转换电路及微控制器的模/数转换器ADC依次串联并产生数码测量结果经由LCD电路输出；该数码测量结果通过数字信号处理器DSP处理产生播报测量结果的数字声音数据，再经由数/模转换器DAC转换为连续的语音模拟量信号输出。

所述量程转换电路和所述模/数转换器ADC组成量程自动转换电路。

所述微控制器为凌阳公司16位单片机SPCE061A。

所述微控制器的片内存储器存储有合成语音的音素库，其采用TTS(文本-语音转换)技术合成。

所述LCD电路的驱动方式为二分之一偏压或三分之一偏压。

本实用新型提供的数字万用表还包括与数/模转换器DAC依次串接的驱动电路和音频输出电路，语音模拟量信号经放大驱动后输出给音频输出电路实现语音播报测量结果。

本实用新型提供的数字万用表还包括自动关机电路，电源通过自动关机电路为微控制器提供工作电压，当数字万用表待机时间超过预先设定值时，切断连接到微控制器的电源。

本实用新型提供的数字万用表采用具有模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、数字信号处理器DSP以及片内存储器的微控制器，例如SPCE061A作为其控制部件，而不采用分离元件的模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、数字信号处理器DSP以及语音ROM，因而具有电路集成度高、可靠性高、体积小、成本低等特点。另外，本实用新型的量程转换电路和模/数转换器ADC组成量程自动转换电路，其能够进行量程的自动识别，且微控制器的片内存储器存储有合成语音的音素库，可实现测量结果的多种语言的语音播报，并且该数字万用表能够同上位机进行通讯，智能化程度也较高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型的电路原理框图；

图2是本实用新型实施例的电路框图；

图3是图2所示实施例的功能选择电路的触头及其编号图；

图4是图2所示实施例实现功能选择电路位置判断的电路；

图5是图2所示实施例所采用的74HC4051逻辑结构原理框图；

图6是图2所示实施例的量程自动转换的电路图；

图7是图2所示实施例中数字万用表与上位机通讯的电路图。

具体实施方式

本实用新型提供的数字万用表，主要由功能选择电路、量程转换电路、LCD电路、电源和带有模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、数字信号处理器DSP以及片内存储器的微控制器构成。该数字万用表的量程转换电路和微控制器内部的模/数转换器ADC构成了量程自动转换电路。

下面结合附图来详细说明本实用新型的具体实施方式。

图1是本实用新型数字万用表的原理框图。本实用新型提供的一种数字万用表由功能选择电路4、量程转换电路5、电源1、自动关机电路2、LCD电路9、驱动电路7、音频输出电路8及微控制器3组成。电源1通过自动关机电路2连接微控制器3的VDD管脚，为微控制器3提供工作电压，当数字万用表待机时间超过预先设定值时，切断连接到微控制器3的电源。被测量通过数字万用表的表笔连接功能选择电路4，功能选择电路4同时与量程转换电路5连接，量程转换电路5与微控制器3内部的模/数转换器ADC共同构成量程自动转换电路6，在微控制器3的控制下，测量值通过功能选择电路4和量程转换电路5输入到微控制器3中，通过微控制器3内部的运算处理产生数码测量结果，该数码测量结果通过LCD电路9显示输出；或微控制器3根据测量结果逐步从音素库中取出压缩过的音素数据，通过DSP运算进行解压缩及合成处理后产生播报测量结果的数字声音数据，这些数字声音数据又逐一经过微控制器3内部的数/模转换器转换为连续的语音模拟量信号后经驱动电路7放大驱动后输出给音频输出电路8实现语音播报测量结果。数字万用表可以测量直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、电阻、电容、三极管放大倍数、二极管及线路通断等电气参数。功能选择电路4用于选择被测量，以确定具体的被测量为上述哪一种电气参数；量程转换电路5用于选择测量的量程范围；电源1用于为该数字万用表提供工作电压；驱动电路7和音频输出电路8用于语音播报测量结果；LCD电路9的驱动方式可为二分之一偏压或三分之一偏压，其用于测量结果的显示。微控制器3用于控制选定功能和量程以及将输入的被测量进行模/数转换和运算处理，并输出测量结果。

请一起参阅图2，其是本实用新型实施例的电路框图。本实用新型数字万用表的微控制器采用具有模/数转换ADC、数/模转换DAC、数字信号处理器DSP以及片内存储器的台湾凌阳科技公司的SPCE061A芯片，其是16位μ’nSPTM内核微处理器，具有2K字SRAM和32K字FLASH程序存储器，工作电压在2.6V到3.6V范围内时的工作速度范围为0.32MHz到49.152MHz。SPCE061A芯片可以实现A/D转换、LCD显示、语音数据提取、解码及合成后送DAC转换成音频电流驱动扬声器播报测量结果。SPCE061A芯片的ADC(IOA0)测试的基本量为直流电压，范围为0到3.3V，因此这就需要先将被测量(直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻、电容、三极管放大倍数、二极管及线路通断等)转换成直流电压，由功能选择电路选择所测试的是哪一个被测量。图2中的功能选择电路中主要部件为机械开关，即功能选择开关，需要测试人员手动调节，所以需要侦测出功能选择开关的位置，才能知道当前测试的是哪一个被测量。本实用新型的实施例中采用SPCE061A芯片的通用I/O口控制8-3编码器74HC148来确定功能选择开关的位置，再由SPCE061A芯片中的ADC与量程转换电路配合控制量程的选择。输入到SPCE061A芯片中的ADC电路的直流电压在0到3.3V范围内，经SPCE061A芯片内部的10位精度的ADC转换成0到1023的数字量值，并经微控制器SPCE061A芯片运算处理后产生000.0到999.9(3位半)数码结果，经驱动在LCD上显示出来，当中小数点的位置可由量程选择确定。同时，SPCE061A根据000.0-999.9数码结果(文本结果)从存储在SPCE061A片内的Flash存储器里的音素库中地取出压缩过的音素数据，通过DSP运算对其进行解压缩后逐步合成出对应于上述数码结果的0到1023的数字语音数据，通过SPCE061A芯片片内10位精度的数/模转换器DAC将数字语音信号转换成连续的0到3mA音频电流信号，经驱动电路使音频输出电路中的扬声器发出语音声音(语音结果)。当然，本实施例中也可以采用外接功放电路，例如LM386功放集成电路，来完成语音的播放。

本实用新型的万用表通过上述的TTS(文本-语音转换)技术过程实现语音播报测量结果，可以节省大量的存储器资源，从而可进一步降低成本。

本实用新型的万用表可采用用户定制的方法进行多种语言选择，根据用户的需要将相应语言的音素库压缩存入SPCE061A的片内Flash存储器中；并且，SPCE061A可据用户定制信息，在进行上述文本-语音转换过程中采用相应的解压缩及合成处理方法，便可实现本实用新型万用表多种语言选择的语音报数功能。

在图2所示的实施例中，所采用的SPCE061A单片机的IOB7、IOB10为并行输入输出口(I/O)，其第二功能为通用异步串行接口UART的发送端口TXD、接收端口RXD，能够支持串行通讯；同时该微控制器支持并行打印功能，通过微控制器的I/O口连接并行打印机(图中未示)，并由SPCE061A的I/O口模拟并行通讯的时序完成与打印机的通讯，这样就能够将测量结果打印出来，而且，由于微控制器SPCE061A的I/O口具有输出锁存功能，因此可以不需要外加锁存器进行数据的锁存。当然，本实用新型中采用的微控制器并不仅仅局限于实施例中所示的SPCE061A单片机，也可以采用其他品牌、型号的微控制器，但是需要根据其各自的电气特性增添相应的辅助器件来实现本实用新型的功能。例如所采用的微控制器没有内置的模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、数字信号处理器DSP或片内ROM存储器，就需要添加相应器件以及驱动电路；如果所采用的微控制器没有内置的串口或并口，同样需要添加相应的通讯接口电路，以及相应的驱动、锁存电路来实现本实用新型的功能。

图3是图2所示实施例功能选择电路的触头及其编号图。图3所示的功能选择开关对应于图1中所示的功能选择电路，该功能选择开关为机械旋转开关。图3中，S1——S51为镀银或镀铜的触头，对应于不同的测量电路。本实用新型数字万用表所测量的各种参数具有不同的测量电路和测量单位，数字万用表测试何种被测量由功能选择开关来选择，当选择某测量功能时，从万用表表笔接入的被测量通过该开关连接到对应的电路上，由量程自动转换电路自动选择最合适的量程进行A/D转换，同时断开其它功能电路，以便降低功耗；另一方面，微控制器读入该开关的位置信息，并根据所述开关位置对应的功能档的量程大小来显示、语音播报被测量的工程值大小、单位。例如图3所示为选择测量交流电压档，万用表黑表笔连接到系统的“地”上，红表笔电压信号连接到S1上，通过功能选择开关的动触片连接到S11上，S11为连接交流电压转换为直流电压电路的固定触头，交流电压转换为直流电压电路的输出通过S27、S31、S35、S38、S41、S42连接到量程自动转换电路，从而进入单片机SPCE061A的ADC电路，功能选择开关的S18、S26用来供SPCE061A判断位置信息。其它测量功能如直流电压、直流电流、交流电流、电阻、电容、三极管放大倍数、二极管及线路通断等测量电路的信号流向与测量交流电压类同。

图4是图2所示实施例实现功能选择电路位置判断的电路。用来判断图4所示功能选择开关的位置。实现该位置判断功能的电路可以有很多种，本实施例中是采用8-3编码器74HC148来进行位置判断。如图4中所示，74HC148共有8路输入、3路输出，第0、7两路输入未使用，第1到第6路分别连接到功能选择开关的S16～S21；其中，S16连到S51、S17连到S50、S18连到S25、S19连到S24、S20连到S23、S21连到S22。功能选择开关的S26固定接低电平，S49接微控制器SPCE061A的一个I/O口。由于图4中所示的被测量有12种，而74HC148的输入端最多只有8个，因此在本实施例中需要另外配合S26、S49的逻辑电平共同完成功能的选择，也就是使用74HC148其中的6路输入并配合S26、S49的逻辑电平共同进行判断。如图4所示，74HC148的8路输入分别通过10K的上拉电阻接高电平，并且第0、7两路输入未使用，当第1到第6路无低电平时，74HC148的A2、A1、A0输出全为高电平，当其中有低电平时，A2、A1、A0的编码范围为001到110，74HC148逻辑真值表如表1所示。当万用表的功能选择开关被旋转到某一个测量功能时，S16～S21将有不同的逻辑电平编码，即对应于74HC148的6路有不同的电平序列输入，74HC148则有不同的编码输出，将其编码结果输出到微控制器SPCE061A的I/O口(IOA4～IOA6)，由微控制器SPCE061A进行判断，就可以知道所选择的被测功能，从而实现了被测量的功能选择开关位置的判断。下面以选择ACV为例来具体说明如何进行功能选择开关位置的判断。见表1所示的74HC148芯片的逻辑真值表，首先微控制器向S49输出一个高电平，并读入74HC148的A2、A1、A0的状态，由微控制器判断A2、A1、A0的编码是否在正确的编码范围内，因为功能选择开关在ACV的位置，S18与S26相连，所以S18为低电平，即74HC148的第4路输入为低电平，则74HC148的A2、A1、A0编码输出为011，在正确的编码范围内，微控制器根据此编码和S49的电平状态即可知道是ACV档。如果功能选择开关在右半边(200uA——20A挡)时，则微控制器必须向S49输出低电平，74HC148的A2、A1、A0编码输出才在正确的编码范围内，由此就可以判断功能选择开关的位置了，从而实现对被测量的信息判断。

                         表1  74HC148芯片的逻辑真值表

74HC148的逻辑真值表
												输入									输出
EI	0	1	2	3	4	5	6	7	A2	A1	A0
												H	X	X	X	X	X	X	X	X	H	H	H
L	H	H	H	H	H	H	H	H	H	H	H
												L	X	X	X	X	X	X	X	L	L	L	L
L	X	X	X	X	X	X	L	H	L	L	H
												L	X	X	X	X	X	L	H	H	L	H	L
L	X	X	X	X	L	H	H	H	L	H	H
												L	X	X	X	L	H	H	H	H	H	L	L
L	X	X	L	H	H	H	H	H	H	L	H
												L	X	L	H	H	H	H	H	H	H	H	L
L	L	H	H	H	H	H	H	H	H	H	H
												注	表中符号“L”代表低电平，符号“H”代表高电平，符号“X”代表无关状态。

图5是图2所示实施例所采用的74HC4051逻辑结构原理框图。图5中所示的芯片为74HC4051，是8选1多路选择开关。其中有8个输入端口A0～A7，其管脚为图中对应的小圆圈中的数字；1个输出通道A，其管脚为3；三个控制端口S0～S2，对应的管脚分别为11～9。8选1多路选择开关74HC4051的输入信号来自于分压电阻R74到R80的分压值，控制信号来自于微控制器，输出信号连接到微控制器的模/数转换器ADC。74HC4051芯片的控制端口S0～S2编码由微控制器控制(由微控制器SPCE061A输出)决定哪个输入通道与输出通道导通，见表2所示的74HC4051真值表。例如，S0～S2端口的二进制编码为000时，输出通道A与输入A0通道导通，输出端口A输出的值即为A0通道对应的分压值；S0～S2端口的二进制编码为101时，输入端口A5对应的通道导通，输出端口A输出的值即为A5通道对应的测量值。

              表2  芯片74HC4051真值表

74 74HC4051的逻辑真值表
					输入状态				通道选通
E	S2	S1	S0
				L	L	L	L	A0
L	L	L	H						A1
				L	L	H	L	A2
L	L	H	H						A3
				L	H	L	L	A4
L	H	L	H						A5
				L	H	H	L	A6
L	H	H	H						A7
				H	X	X	X	无
注	表中符号“L”代表低电平，符号“H”代表高电平，符号“X”代表无关状态。

图6是图2所示实施例量程自动转换的电路图。由于SPCE061A的ADC电路的输入电压范围为0到3.3V，所以要将由数字万用表表笔接入的被测量转换成ADC电路正常工作的输入电压范围，量程自动转换是通过74HC4051与微控制器内部的模/数转换器ADC配合工作的，74HC4051是8选1多路选择开关。如图6所示，各测量电路送来的电压信号通过功能选择开关的S11和S31加到分压电阻R74到R80上。分压电阻R74到R79各电阻的两端分别连接74HC4051的输入端口1到7，如图6中所示。首先，SPCE061A的I/O输出(IOA9～IOA11)控制74HC4051选择最大量程即第7端口(管脚2)所表示的输入通道，74HC4051的输出端(管脚3)通过功能选择开关的S41送微控制器SPCE061A进行模/数转换，如果转换得到的值低于此档量程，则SPCE061A的IOA9～IOA11端输出较小的量程的控制信号到74HC4051的控制端口S0～S2，再进行AD转换，重复上述过程，直到找到最合适的量程。下面以被测量为20V直流电压为例，详细说明本实用新型是如何进行量程的自动转换的。

20V的被测直流电压通过万用表表笔连接到功能选择开关上，拨动功能选择开关到直流电压档，使20V电压加到分压电阻R74～R80的两端(S11、S31端)，经过R74～R80的分压，使连接到74HC4051各输入通道的电压值为20V电压按不同比例分压后的值。首先微控制器SPCE061A输出控制信号到74HC4051，选择最大的量程，即74HC4051的第7通道(管脚2)，经过分压后，信号较小，不在本量程范围内，因此，单片机SPCE061A通过其端口IOA9～IOA11向74HC4051输出较小量程的控制信号到74HC4051的端口S0～S2，再进行A/D转换，直到找到最为合适的量程，实现了量程的自动转换。

图7是图2所示实施例的数字万用表与上位机通讯的电路图。图7中所示的芯片为RS232芯片HIN232CP。图7中所示微控制器SPCE061A通过其管脚IOB7、IOB10连接一个RS232芯片HIN232CP，管脚IOB7、IOB10的第二功能为通用异步串行通讯口(UART)的TXD、RXD，HIN232CP的端口DOUT2、RIN2连接一个SUB-D9针接口，通过这个SUB-D9针接口连接上位计算机的UART，这样就可以实现与上位机的连接和通讯了。

本实用新型提供的数字万用表采用微控制器SPCE061A作为其控制部件，而不采用分离元件的模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、数字信号处理器DSP以及语音ROM，因而具有电路集成度高、可靠性高、体积小、成本低等特点。本实用新型数字万用表能够进行量程的自动识别，实现多种语言的语音播报测量结果并且能够同上位机进行通讯，智能化程度较高。

需要指出的是，本实用新型不仅仅局限于上述所述的实施例中所示的数字万用表实现语音播报测量值以及进行量程自动转换功能的具体实施方式。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种数字万用表，包括：功能选择电路、量程转换电路、LCD电路、电源，其特征在于：还包括具有模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、数字信号处理器DSP以及片内存储器的微控制器；其中，被测量、功能选择电路、量程转换电路及微控制器的模/数转换器ADC依次串联并产生数码测量结果经由LCD电路输出；该数码测量结果通过数字信号处理器DSP处理产生播报测量结果的数字声音数据，再经由数/模转换器DAC转换为连续的语音模拟量信号输出。

2.根据权利要求1所述的数字万用表，其特征在于：所述量程转换电路和所述模/数转换器ADC组成量程自动转换电路。

3.根据权利要求1所述的数字万用表，其特征在于：所述微控制器为凌阳公司16位单片机SPCE061A。

4.根据权利要求1所述的数字万用表，其特征在于：所述微控制器的片内存储器存储有合成语音的音素库。

5.根据权利要求4所述的数字万用表，其特征在于：所述音素库采用TTS技术合成的语音音素库。

6.根据权利要求1所述的数字万用表，其特征在于：所述LCD电路的驱动方式为二分之一偏压或三分之一偏压。

7.根据权利要求1所述的数字万用表，其特征在于：进一步包括与数/模转换器DAC依次串接的驱动电路和音频输出电路，语音模拟量信号经放大驱动后输出给音频输出电路实现语音播报测量结果。

8.根据权利要求1至7任一项所述的数字万用表，其特征在于：进一步包括自动关机电路，电源通过自动关机电路为微控制器提供工作电压，当数字万用表待机时间超过预先设定值时，切断连接到微控制器的电源。

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