2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  畢業(yè)設(shè)計說明書</b></p><p>  數(shù)字萬用表電路的設(shè)計</p><p> 專業(yè)電氣工程及其自動化</p><p> 學(xué)生姓名</p><p> 班級</p><p> 學(xué)號</p><p> 指導(dǎo)教師</p><p

2、> 完成日期年 月 日</p><p>  數(shù)字萬用表電路的設(shè)計</p><p>  摘 要:數(shù)字萬用表是采用數(shù)字化測量技術(shù),把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的、離散的數(shù)字信號并加以顯示的儀表,廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域,顯示出強(qiáng)大的生命力。本次設(shè)計的數(shù)字萬用表將使用美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC14433 A/D轉(zhuǎn)換器,配合分流電阻、分壓

3、電阻、基準(zhǔn)電阻可以測量交、直流電壓,直流電流、電阻并經(jīng)四位數(shù)碼管顯示。在測量過程中使用量程開關(guān)來選擇相應(yīng)的電壓、電流、電阻檔位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,之后將采集的信號一律轉(zhuǎn)換為0~2V的直流電壓值送到A/D轉(zhuǎn)換器MC14433,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后,將此數(shù)字信號送至鎖存-譯碼器,變成BCD碼,再由LED顯示器顯示出來。其中,量程切換電路控制著對應(yīng)小數(shù)點的明暗,從而使LED顯示器顯示出不同量程的讀數(shù)。由于操作過程中可能會有超量程現(xiàn)象,所以在設(shè)計中添加了

4、超量程報警部分,當(dāng)檢測到超量程信號時, LED顯示器閃爍,以示報警。設(shè)計中采用了先進(jìn)的數(shù)顯技術(shù),精度高、抗干擾能力強(qiáng),可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便。</p><p>  關(guān)鍵詞:數(shù)字萬用表;A/D轉(zhuǎn)換器;MC14433;超量程報警</p><p>  The Design of Digital Multimeter </p><p>  Abstract: Digital

5、multimeter are using digital measurement techniques, the continuous analog signal to discontinuous, discrete digital signal and to display instrumentation, widely used in electronics and electrical measurement, industria

6、l automation instruments, automatic test systems and other intelligent measurement, shows a strong vitality. The design of the digital multimeter will use the Motorola company produces the MC14433 A/D converter, cooperat

7、e to shunt resistance, dividing resistor, </p><p>  Key Words: Digital multimeter; A / D converter; MC14433; over range alarm</p><p><b>  目 錄</b></p><p><b>  1概

8、述1</b></p><p><b>  2總體方案論證1</b></p><p>  2.1 直流電壓測量方案2</p><p>  2.2 交流電壓測量方案2</p><p>  2.3 直流電流測量方案3</p><p>  2.4 電阻測量方案3</p>

9、<p>  2.5 顯示電路方案3</p><p>  2.6 量程自動切換電路方案3</p><p>  3單元電路的設(shè)計3</p><p>  3.1 直流電壓電路的設(shè)計3</p><p>  3.2 交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓電路的設(shè)計4</p><p>  3.3 直流電流轉(zhuǎn)換成直流電壓電路

10、的設(shè)計6</p><p>  3.4 電阻轉(zhuǎn)換成直流電壓電路的設(shè)計6</p><p>  3.5 數(shù)字電壓表電路的設(shè)計8</p><p>  3.5.1 A/D轉(zhuǎn)換器MC144338</p><p>  3.5.2 七路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列MC141312</p><p>  3.5.3 七段譯碼驅(qū)動器CD451

11、112</p><p>  3.5.4 高精度低漂移能隙基準(zhǔn)電壓源MC140313</p><p>  3.5.5 顯示器15</p><p>  3.6 量程自動切換電路的設(shè)計16</p><p>  3.6.1 量程轉(zhuǎn)換電路18</p><p>  3.6.2 小數(shù)點顯示電路19</p>

12、<p>  3.6.3 超量程閃爍報警電路20</p><p>  3.6.4 雙向移位寄存器CD4019420</p><p>  3.6.5 四輸入異或門CD407021</p><p>  3.6.6 雙上升沿D觸發(fā)器CD401322</p><p>  3.7 穩(wěn)壓電源的設(shè)計23</p><p&

13、gt;<b>  4結(jié)束語23</b></p><p><b>  參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>  致 謝26</b></p><p><b>  附 錄27</b></p><p>  附錄1:數(shù)字萬用表電路原理圖

14、28</p><p>  附錄2:數(shù)字萬用表電路PCB圖29</p><p>  數(shù)字萬用表電路的設(shè)計</p><p><b>  1概 述</b></p><p>  數(shù)字萬用表是一種用途很廣的數(shù)字測量儀器,能測量直流電壓、交流電壓、直流電流、電阻等,涉及到模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的許多內(nèi)容。本設(shè)計要求以MC

15、14433 A/D轉(zhuǎn)換器為核心構(gòu)成位數(shù)字電壓表。其中位是指十進(jìn)制數(shù)0000-1999,所謂3位是指個位、十位、百位,其數(shù)字范圍均為0-9,而所謂半位是指千位數(shù),它不能從0變化到9,而只能由0變到1,即二值狀態(tài),所以稱為半位。該設(shè)計電路主要分為位A/D轉(zhuǎn)換器、7段譯碼驅(qū)動器及位驅(qū)動器、位共陰極LED顯示器、超量程閃爍報警電路、基準(zhǔn)電壓源、AC/DC轉(zhuǎn)換器、功能及量程開關(guān)電路、自動量程電路、恒流源和±6V穩(wěn)壓電源部分組成。本設(shè)計的

16、任務(wù)是能夠完成四級量程的直流電壓測量,其量程范圍為2V、20V、200V、2000V;完成四級量程的交流電壓測量,其量程范圍為2V、20V、200V、2000V;完成四級量程的直流電流測量,其量程范圍為2mA、20mA、200mA、2A;完成四級量程的電阻測量,其量程范圍為2K、20 K、200 K、2M;完成量程手動自動切換功能。本課題主要運用《數(shù)字電子技術(shù)》、《模擬電子技術(shù)》、《電路》、《電子測量技術(shù)》等幾門課程的基本</p&

17、gt;<p><b>  2總體方案論證</b></p><p>  方案一:使用單片機(jī)AT89C51與ADC0809設(shè)計一個數(shù)字萬用表,配合分流電阻、分壓電阻、基準(zhǔn)電阻測量交直流電壓、直流電流、直流電阻并經(jīng)四位數(shù)碼管顯示。</p><p>  方案二:以美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC14433 A/D轉(zhuǎn)換器為核心構(gòu)成位數(shù)字萬用表。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計制作一個能

18、測量直流電壓、交流電壓、直流電流和電阻的數(shù)字測量儀器。電流、電阻的測量主要是運用安培定律,將電流、電阻轉(zhuǎn)化成數(shù)字萬用表的核心器件A/D轉(zhuǎn)換器能夠測量的0~2V的電壓量,將得到的二進(jìn)制數(shù)值通過BCD七段譯碼器/驅(qū)動器進(jìn)行編碼,最后送給數(shù)碼管顯示出來。根據(jù)設(shè)計要求可以初步畫出如圖2-1所示的設(shè)計框圖。</p><p>  圖2-1系統(tǒng)設(shè)計原理框圖</p><p>  方案一雖然電路簡單,但編程

19、復(fù)雜,不易實現(xiàn)。方案二雖然電路復(fù)雜,但不需要編程,功能實現(xiàn)簡單。綜合比較,本次數(shù)字萬用表電路的設(shè)計使用方案二。</p><p>  2.1 直流電壓測量方案</p><p>  為了檢測大于2V的直流電壓,必須在輸入端引入衰減器將電壓變換成0~2V,然后在檢測顯示時再放大同樣的倍數(shù)。衰減器是用精密電阻構(gòu)成的分壓器,在圖3-2所示電路中被測信號和輸入到A/D電路的信號之比分別為1、10、10

20、0及1000,即被測信號在0~2V、0~20V、0~200V及0~2000V四檔范圍內(nèi),得到的信號均為0~2V。</p><p>  2.2 交流電壓測量方案</p><p>  為了實現(xiàn)交流電壓的測量,首先必須將輸入交流信號作衰減,這一點和上面的直流檢測是相同的。衰減之后的交流電壓還要進(jìn)行精密整流變成直流電壓后才能進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>  2.3 直

21、流電流測量方案</p><p>  為了實現(xiàn)電流的檢測,就必須將被測電流變成0~2V的直流電壓,即實現(xiàn)衰減和I/V變換。使四檔輸入電流2mA、20mA、200mA及2A都通過一個電阻,經(jīng)這取樣電阻將電流變成相對應(yīng)的電壓值,然后通過一個比例放大器,使比例系數(shù)對應(yīng)1000、100、10及1,則經(jīng)比例放大后的輸出電壓均為2V,以此作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。在顯示檢測結(jié)果時將小數(shù)點的位置隨比例系數(shù)作相應(yīng)的變化。</p

22、><p>  2.4 電阻測量方案</p><p>  早期數(shù)字儀表采用恒流法測量電阻,通過恒流源和精密運算放大器實現(xiàn)電阻/電壓(/V)轉(zhuǎn)換,因此電路較復(fù)雜,成本高,而本次設(shè)計使用的是比例法。比例法是測量電阻的一種新方法,很容易將被測電阻值轉(zhuǎn)換成輸入電壓,實現(xiàn)/V轉(zhuǎn)換。比例法的優(yōu)點是電路簡單、測量準(zhǔn)確度高,成本低。</p><p>  2.5 顯示電路方案</p&

23、gt;<p>  LED數(shù)碼管是目前常用的一種數(shù)顯器件。把發(fā)光二極管(LED)制成條狀,再按一定方式連接,組成數(shù)字8,就構(gòu)成LED數(shù)碼管。使用時讓某些字段上的發(fā)光二極管發(fā)亮,即可組成0~9的一系列數(shù)字。</p><p>  2.6 量程自動切換電路方案</p><p>  自動量程切換電路的作用是根據(jù)MC14433提供的輸入信號情況(在量程、過量程=0,欠量程=1),以及時間

24、信號(EOC、、)產(chǎn)生相應(yīng)的量程信號。當(dāng)被檢測的信號超過當(dāng)前量程時,使電路模擬開關(guān)切換位置,顯示器的小數(shù)點移動位置,即量程向高位變化。欠量程則向低位變化,而在量程則不發(fā)生變化。</p><p><b>  3單元電路的設(shè)計</b></p><p>  3.1 直流電壓電路的設(shè)計</p><p>  在基準(zhǔn)數(shù)字電壓表頭前面加一級分壓電路,可以擴(kuò)展

25、直流電壓測量的量程。如圖3-1所示,為電壓表頭的量程,為其內(nèi)阻,、為分壓電阻,為擴(kuò)展后的量程。</p><p>  由于r>>,所以分壓比為:</p><p><b> ?。?-1)</b></p><p><b>  即擴(kuò)展后的量程為:</b></p><p><b>  (

26、3-2)</b></p><p>  數(shù)字電壓表的直流電壓檔測量電路如圖3-2所示,各檔的分壓比介紹如下:</p><p>  圖3-1 分壓電路原理 圖3-2多量程直流電壓測量電路</p><p>  a) 2000V的分壓比:</p><p>  =0.001

27、(3-3)</p><p>  b) 200V的分壓比:</p><p>  =0.01 (3-4)</p><p>  c) 20V的分壓比:</p><p>  =0.1 (3-5)</p><p>  d) 2V的分壓比:</p

28、><p>  =1 (3-6)</p><p>  然后根據(jù)各檔的分壓比和總電阻來確定各分壓電阻。首先先確定,然后確定,以此類推:、、。</p><p>  3.2 交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓電路的設(shè)計</p><p>  測交流電壓必須在直流電壓測量電路上增加AC/DC轉(zhuǎn)換器。平均值響應(yīng)的AC/DC轉(zhuǎn)換器是由

29、運算放大器和二極管組成的半波(或全波)線性整流電路。它具有線性度好、準(zhǔn)確度高、電路簡單、成本低廉等優(yōu)點。但由于是按照正弦波平均值與有效值的關(guān)系而定義的,因此所構(gòu)成的交流數(shù)字電壓表只能測量正弦波電壓。要想準(zhǔn)確測量非正弦波形,須采用真有效值/直流(TRMS/DC)轉(zhuǎn)換器。</p><p>  平均值響應(yīng)的五量程交流數(shù)字電壓表電路如圖3-3所示,S2a為量程轉(zhuǎn)換開關(guān)。</p><p>  圖3-

30、3 交流電壓測量電路</p><p>  現(xiàn)利用低漂移單運放AR1和二極管組成平均值響應(yīng)的線性半波整流電路。該電路可避免二極管在小信號整流時所引起的非線性誤差,使輸出電壓(平均值)與AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(有效值)呈線性關(guān)系,適合測量40~400Hz的正弦波電壓,測量準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%。</p><p>  對半波整流而言,正弦波電壓有效值與平均值的關(guān)系為</p>

31、<p><b> ?。?-7)</b></p><p>  這就要求電路的電壓放大倍數(shù)必須大于2.22倍,才能調(diào)整的余量。電路中的為AR1同相端的輸入電阻。與是負(fù)反饋電阻,可將AR1偏置在線性放大區(qū),并且控制運放的增益。為了提高AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗,降低輸入信號的衰減,AR1接成同相放大器,其電壓放大倍數(shù)由下式確定:</p><p><b>

32、; ?。?-8)</b></p><p>  現(xiàn)取,亦取,代入式3-8中可得到K=3>2.22(倍)。顯然符號設(shè)計要求。</p><p>  盡管AR1屬于低漂移運放,但考慮到AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓很弱,即使失調(diào)電壓很低,也會造成測量誤差。為此需增加隔直電容、,不讓直流成分(包括AR1的失調(diào)電壓)進(jìn)入整流濾波電路。</p><p>  在正半周

33、期時導(dǎo)通,截止,AR1的輸出電流途徑→→→→→地(COM端),并經(jīng)過對進(jìn)行充電。負(fù)半周時導(dǎo)通,截止,電流途徑地。此時緩慢地放電,放電時間常數(shù)。是MC14433的輸入電阻,因其阻值極高(),故可認(rèn)為兩端的電壓維持不變。</p><p>  由和組成的平滑濾波器可濾除交流紋波,高頻干擾信號則由、構(gòu)成的高頻濾波器濾掉,從而獲得穩(wěn)定的平均值電壓。</p><p>  RP3是交流電壓的校準(zhǔn)電位器。

34、調(diào)整RP3可使整個AC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓放大系數(shù)為2.22倍,令儀表直接顯示出被測電壓的有效值。</p><p>  在電路中起保護(hù)作用。負(fù)半周時為反向電流提供通路。是運放的頻率補(bǔ)償電容。和還為提供一個適合的偏置電壓,以減小AC/DC轉(zhuǎn)換器對小信號進(jìn)行放大時的波形失真。</p><p>  3.3 直流電流轉(zhuǎn)換成直流電壓電路的設(shè)計</p><p>  多量程直流電流

35、測量電路設(shè)計是根據(jù)歐姆定律,用合適的分流電阻把待測電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓,再進(jìn)行測量。</p><p>  圖3-4 電流測量原理 圖3-5 多量程直流電流測量電路</p><p>  原理圖如圖3-4所示,由于r>>R,分流電阻R上的電壓降為,即被測電流。若數(shù)字表頭的電壓量程為,欲使電流檔量程為,則該檔的分流電阻為。圖3-5所示的為直流電流測量電路。<

36、/p><p>  3.4 電阻轉(zhuǎn)換成直流電壓電路的設(shè)計</p><p>  早期數(shù)字儀表采用恒流法測量電阻,通過恒流源和精密運算放大器實現(xiàn)電阻/電壓(/V)轉(zhuǎn)換,因此電路較復(fù)雜,成本高。比例法是測量電阻的一種新方法,很容易將被測電阻值轉(zhuǎn)換成輸入電壓,實現(xiàn)/V轉(zhuǎn)換。比例法的優(yōu)點是電路簡單、測量準(zhǔn)確度高,成本低。</p><p>  比例法測量電阻的原理如圖3-6所示。被測

37、電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)后接在與之間。有關(guān)系式:</p><p><b> ?。?-9)</b></p><p><b>  即</b></p><p><b> ?。?-10)</b></p><p><b>  通常情況下:</b></p>&

38、lt;p><b> ?。?-11)</b></p><p>  這表明顯示值僅取決于與的比值,故稱之為比例法。當(dāng)=,即時,儀表顯示值應(yīng)為1000。 當(dāng)=0.5,即時,儀表顯示值應(yīng)為500。</p><p>  圖3-6 比例法測量電阻原理圖 圖3-7多量程電阻測量電路</p><p>  以200電子檔為例,取=100,

39、代入式(3-9)中得到:</p><p>  N=10 () (3-12)</p><p>  將小數(shù)點定在十位即可直接讀結(jié)果。</p><p>  當(dāng)=(n為倍率,n=1,2,3,...7)時,仍可直接讀結(jié)果,此時</p><p>  N= () (3-1

40、3)</p><p>  式中的單位可根據(jù)n值和小數(shù)點位置分別取、k、M。</p><p>  電阻測量電路如圖3-7所示,4個電阻量程依次為2k,20k,200k和2M。</p><p><b>  由上分析可知:</b></p><p>  3.5 數(shù)字電壓表電路的設(shè)計</p><p>  數(shù)

41、字電壓表是將被測模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并進(jìn)行實時數(shù)字顯示。系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖2-1所示, 各部分的功能如下:</p><p>  a) 位A/D轉(zhuǎn)換器:將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。</p><p>  b) 7段譯碼驅(qū)動器及位驅(qū)動器:驅(qū)動LED顯示器顯示。</p><p>  c) 位共陰極LED顯示器:將譯碼器輸出的七段信號進(jìn)行數(shù)字顯示,讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。&

42、lt;/p><p>  d) 超量程閃爍報警電路:當(dāng)儀表超量程時,LED顯示器以閃爍狀態(tài)進(jìn)行報警。</p><p>  e) 基準(zhǔn)電壓源:提供精密電壓,供A/D轉(zhuǎn)換器作參考電壓。</p><p>  f) AC/DC轉(zhuǎn)換器:將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。</p><p>  g) 功能及量程開關(guān)電路:手動轉(zhuǎn)換量程。</p><p

43、>  h) 自動量程電路:自動轉(zhuǎn)換量程。</p><p>  i) 恒流源:恒定電流通過待測電阻,從而在待測電阻兩端形成電壓降,將此電壓降送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量。</p><p>  j) ±6V穩(wěn)壓電源:為整個電路進(jìn)行供電。</p><p>  本系統(tǒng)是位數(shù)字電壓表,位是指十進(jìn)制數(shù)0000~1999,所謂3位是指個位、十位、百位,其數(shù)字范圍均為0

44、~9。而所謂半位是指千位數(shù),它不能從0變化到9,而只能由0變到1,即二值狀態(tài),所以稱為半位。</p><p>  3.5.1 A/D轉(zhuǎn)換器MC14433 </p><p>  MC14433是美國摩托羅拉(Motorola)公司生產(chǎn)的CMOS單片位A/D轉(zhuǎn)換器,也是目前國內(nèi)外普遍采用的一種芯片。</p><p>  MC14433型A/D轉(zhuǎn)換器具有下列特點:<

45、/p><p>  a) 采用CMOS工藝制成的位A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度為±0.05%±1個字(相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù))。</p><p>  b) 電壓量程有兩檔:200mV、2V。最大顯示值分別為199.9 mV和1.999V。在滿量程情況下,正、反向積分的時間相等,即,因此,基準(zhǔn)電壓與量程之間成1:1的關(guān)系,有公式:</p><p><b&

46、gt; ?。?-14)</b></p><p>  c) 具有自動調(diào)零和自動轉(zhuǎn)換極性之功能。</p><p>  d) 芯片內(nèi)部設(shè)有時鐘震蕩器,使用時僅需外接一只振蕩電阻,亦可采用外</p><p>  時鐘輸入方式。時鐘頻率范圍大約是48kHz~160 kHz。</p><p>  e) 有多路調(diào)制的BCD碼輸出,可直接配微型計

47、算機(jī)或打印機(jī)。</p><p>  f) 能獲得超量程、欠量程信號,便于實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換量程。</p><p>  g) 能增加讀數(shù)保持功能。</p><p>  h) 采用動態(tài)掃描顯示方式。通常選共陰極LED顯示器,但是改變外部的段、位驅(qū)動方式后,亦可采用以驅(qū)動液晶顯示器(LCD)或熒光數(shù)碼管顯示器(VFD)。</p><p>  i) 工作電

48、壓范圍是±4.5~±8V。一般選典型值±5V,工作電流小于2mA(不包括顯示器),功耗約8mV。</p><p>  MC14433采用24腳雙列直插式封裝(DIP-40),管腳排列順序如圖3-8所示。各管腳的功能如下:</p><p>  圖3-8 MC14433引腳圖</p><p>  —正電源端,一般接+5V。</p>

49、;<p>  —輸入信號的公共端,簡稱模擬地。</p><p>  —各輸出信號(~,~,,EOC,但不包括)的公共地;此端接時輸出電平變化范圍是~,接~。</p><p>  —負(fù)電源端,通常接-5V;主要作為內(nèi)部模擬電路的負(fù)電源,其負(fù)載電流約0.8mA。</p><p>  —模擬電壓輸入端,輸入電壓為。</p><p>&

50、lt;b>  —外接基準(zhǔn)電壓端。</b></p><p><b>  —外接積分元件端。</b></p><p>  —外接自動調(diào)零電容。</p><p>  DU—實時輸出控制端,亦稱數(shù)據(jù)更新端。若在雙積分第5階段開始之前從DU端輸入一個正脈沖,則本次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果就依次通過鎖存器和多路選擇開關(guān)輸出。否則,輸出端仍保持鎖存器

51、中原有數(shù)據(jù)不變。使用中若將DU與EOC端相連,則每次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果都被輸出。若將DU端接,即可實現(xiàn)讀數(shù)保持。</p><p>  、—分別為時鐘脈沖輸入、輸出端,二者之間接上振蕩電阻即可產(chǎn)生時鐘信號。</p><p>  EOC—A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志輸出端,每個A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時此端輸出一個正脈沖。</p><p>  —超量程信號輸出端,超量程時=0(負(fù)邏輯)。

52、</p><p>  ~—多路調(diào)制位選通信號輸出端,其中為千位,為個位。</p><p>  ~—BCD碼輸出端。</p><p>  圖3-9 MC14433的原理框圖</p><p>  MC14433的原理框圖如圖3-9所示。主要包括模擬電路(A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)字電路兩大部分。</p><p>  a) A/D轉(zhuǎn)

53、換器工作原理 </p><p>  A/D轉(zhuǎn)換器電路由緩沖器、積分器、比較器、積分電阻、積分電容、自動調(diào)零電容以及模擬開關(guān)~所組成。圖3-10示出其等效電路,是將運算放大器接成電壓跟隨器,以提高A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。與、構(gòu)成積分器。的輸出還作為內(nèi)部數(shù)字電路(控制邏輯)的一個控制信號。</p><p>  為消除~產(chǎn)生的失調(diào)電壓Δ并且提高轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度,還增加了自動調(diào)零電路。其中緩沖器和積分器

54、采用模擬調(diào)零方式,比較器則采用數(shù)字調(diào)零方式。在模擬調(diào)零階段,將緩沖器和積分器的失調(diào)電壓存放在自動調(diào)零電容上。比較器的失調(diào)電壓則以數(shù)字形式存放在鎖存器中。這樣在對輸入電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時,就能自動扣除失調(diào)電壓,獲得精確的測量結(jié)果。</p><p>  圖3-10 A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理</p><p><b>  b) 數(shù)字電路</b></p><p

55、>  MC14433的數(shù)字電路主要包括時鐘振蕩器、位十進(jìn)制計數(shù)器(其中位實際是D觸發(fā)器,只能計0和1)、鎖存器、多路選擇開關(guān)、控制邏輯、極性檢測器和超量程指示器。芯片內(nèi)部沒有譯碼器,使用時必須外接段譯碼驅(qū)動電路,才能驅(qū)動共陰極LED顯示器。</p><p>  時鐘振蕩電路如圖3-11所示,外接電阻取360k,時鐘頻率。儀表測量速率。位掃描頻率</p><p>  。、均為積分電阻,

56、是積分電容,為自動調(diào)零電容。現(xiàn)將轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端(EOC)與實時輸出控制端(DU)短接,以保證A/D轉(zhuǎn)換能夠連續(xù)進(jìn)行。</p><p>  圖3-11 時鐘振蕩電路</p><p>  位十進(jìn)制計數(shù)器由三級十進(jìn)制計數(shù)器和一個D觸發(fā)器組成。在反向積分時間內(nèi)對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù),計數(shù)范圍是0~1999。鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。控制邏輯的作用是適時發(fā)出控制信號,根據(jù)輸入信號的極性來接

57、通相應(yīng)的模擬開關(guān),按照順序來完成每次A/D轉(zhuǎn)換工作,并在反向積分過程令位十進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)。</p><p>  3.5.2 七路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列MC1413</p><p>  MC1413采用NPN達(dá)林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu),因此具有很高的電流增益和很高的輸入阻抗,可直接接受MOS或CMOS集成電路的輸出信號,并把電壓信號轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號驅(qū)動各種負(fù)載。該電路內(nèi)含有7個集電極開路反相器(

58、也稱OC門)。MC1413電路結(jié)構(gòu)和引腳如圖3-12所示,它采用16引腳的雙列直插式封裝。</p><p>  圖3-12 MC1413引腳圖</p><p>  3.5.3 七段譯碼驅(qū)動器CD4511</p><p>  CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED (數(shù)碼管)顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器,特點:具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能

59、的CMOS電路能提供較大的拉電流,可直接驅(qū)動LED顯示器。</p><p>  圖3-13 CD4511引腳圖</p><p>  CD4511 是一片 CMOS BCD—鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器,引腳排列如圖3-13所示。</p><p>  BI:4腳是消隱輸入控制端,當(dāng)BI=0 時,不管其它輸入端狀態(tài)如何,七段數(shù)碼管均處于熄滅(消隱)狀態(tài),不顯示數(shù)字。<

60、/p><p>  LT:3腳是測試輸入端,當(dāng)BI=1,LT=0 時,譯碼輸出全為1,不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何,七段均發(fā)亮,顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 </p><p>  LE:鎖定控制端,當(dāng)LE=0時,允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài),譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。</p><p>  A1、A2、A3、A4、為BCD碼輸入端。

61、 </p><p>  a、b、c、d、e、f、g:為譯碼輸出端,輸出為高電平1有效。</p><p>  CD4511的內(nèi)部有上拉電阻,在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。</p><p>  3.5.4 高精度低漂移能隙基準(zhǔn)電壓源MC1403</p><p>  本次設(shè)計的數(shù)字萬用表的基準(zhǔn)電源電路見圖3-14所示。使用的是MC14

62、03 能隙基準(zhǔn)電壓源,C2為輸出端的消噪電容。基準(zhǔn)電壓分壓器共設(shè)計了兩套:由~和構(gòu)成的分壓器,可輸出基準(zhǔn)電壓,為調(diào)整電位器;~和組成的分壓器能獲得,亦是調(diào)整電位器。</p><p>  MC1403是美國Motorola公司生產(chǎn)的低漂移、用激光修正的能帶間隙式基準(zhǔn)電壓源。該產(chǎn)品分3檔,電壓溫度系數(shù)最低為10ppm/℃。國產(chǎn)的型號為5G1403、CH1403。</p><p>  MC140

63、3采用DIP-8封裝,管腳排列如圖3-15(a)所示。其輸入電壓范圍是4.5~15V,輸出電壓的典型值為2.5V。為便于配8P插座,MC1403上專門設(shè)置5個空腳(NC)。</p><p>  圖3-14基準(zhǔn)電壓源電路</p><p> ?。╝) (b)</p><p><b> ?。╟

64、)</b></p><p> ?。╝)管腳排列 (b)電路符號 (c)簡化電路</p><p>  圖3-15 MC1403的管腳排列及電路</p><p><b>  C—比例系數(shù);</b></p><p><b>  T—熱力學(xué)溫度;</b></p><

65、;p>  k—波爾茲曼常數(shù),k=8.63×eV/K;</p><p>  q—電子電量,q=e;</p><p>  、—分別為內(nèi)部晶體管、的發(fā)射極周長,設(shè)計的:=8:1.選擇合適的電阻比,可使式(3-15)中的第二項與第三項之和恰好等于零,實現(xiàn)零溫漂。</p><p><b>  實取,則。</b></p>&l

66、t;p>  圖3-16 MC1403的典型接法</p><p>  MC1403的典型接法如圖3-16所示。輸出端接1kΩ電位器,用以調(diào)整輸出的基準(zhǔn)電壓值。C是消噪電容,根據(jù)情況亦可省去。實測MC1403的輸入—輸出特性見表3-1。由表可見,當(dāng)輸入電壓從10V變化到4.5V時,MC1403的輸出電壓只變化了0.0001V,相對變化率為</p><p>  表3-1 MC1403的輸入

67、輸出特性</p><p><b>  3.5.5 顯示器</b></p><p>  為了能以十進(jìn)制數(shù)碼直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù),目前廣泛使用了七段字符顯示器,或稱作七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可發(fā)光的線段拼合而成。常見的七段字符顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。本次設(shè)計所采用的是4個半導(dǎo)體數(shù)碼管。</p><p>  圖3-17

68、八段數(shù)碼管引腳圖</p><p>  這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,簡稱LED),因而也把它叫做LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。</p><p>  在一些數(shù)碼管中還在右下角處增設(shè)了一個小數(shù)點,形成了所謂八段數(shù)碼管,如圖3-17所示。此外,為了增加使用的靈活性,同一規(guī)格的數(shù)碼管一般都有共陰極和共陽極兩種類型可供選用。本次設(shè)計所采用的是共陰

69、極數(shù)碼管。</p><p>  3.6 量程自動切換電路的設(shè)計</p><p>  圖3-18 自動轉(zhuǎn)換量程電路</p><p>  圖3-18是具有五個量程自動轉(zhuǎn)換量程電路。其設(shè)計思想是:利用MC14433的超量程信號來控制雙向移位寄存器CD40194右移(升量程)或左移(降量程),移位寄存器的輸出信號~再經(jīng)過四異或門CD4070譯碼,擴(kuò)展到五個量程控制信號~,最

70、后分別通過復(fù)合管去驅(qū)動固態(tài)繼電器,切換儀表輸入端的電阻分壓器電路。</p><p>  MC14433是在位選通信號的選通期間,利用~輸出最高位(千位,即1/2位)上的數(shù)據(jù)0或1來表示超量程、欠量程信號和極性信號。此時是用的電平表示量程是否合適,用的電平代表千位的數(shù)據(jù)。有以下幾種情況:</p><p>  a) =0,說明輸入的模擬電壓在正常的范圍之內(nèi),即=0.180~1.999V,此時=

71、1。</p><p>  b) =1,=0,說明>1.999V,儀表超量程,此時=0。</p><p>  c) =1,=1,說明<0.180V,儀表欠量程,此時=1。</p><p>  雙向移位寄存器CD40194的移位方向由控制,而實現(xiàn)移位的時鐘脈沖(簡稱移位脈沖,屬于正向脈沖)CP則由EOC、、、組合而成。信號和反相后得到的OR信號,分別接CD4

72、0194的、端。超量程時=1,=0,=0(OR=1),由于控制端=0,=1,使CD40194可以向右移位(升量程)。欠量程時=1,=1,=1(OR=0),由于控制端=1,=10,使CD40194可以向左移位(降量程)。</p><p>  移位脈沖由D觸發(fā)器CD4013和與門CD4073產(chǎn)生。CD4013的CP端、R端分別接MC14433的EOC端和端。CD4013的Q端以及MC14433的、端分別接與門Y的輸入

73、端。當(dāng)一次測量周期結(jié)束時,從EOC端發(fā)出的正脈沖將觸發(fā)器置1,Q=1。當(dāng)選通信號來到時,其上升沿又將觸發(fā)器置0,直到下一個EOC脈沖來到為止。</p><p>  圖3-19 產(chǎn)生移位脈沖的時序波形</p><p>  時序波形如圖3-19所示。由圖可見,在每個測量周期里,從觸發(fā)器Q端輸出一個脈沖寬度與相等的正向脈沖。此信號再和、相“與”,只要超過額定的0.180~1.999V范圍,與門Y

74、就輸出一個移位脈沖,令CD40194按照(OR)已規(guī)定好的方向移動一位。如果移位后輸入電壓在正常范圍內(nèi),因=0,與門就不能產(chǎn)生移位脈沖,盡管=1,也不起作用。若第一次移位之后仍為高電平,則與門Y就輸出第二個移位脈沖,繼續(xù)移位。移位電路的真值表見表3-2。需要注意的是當(dāng)移位寄存器已經(jīng)移到最高量程(最低量程)時,即使再有移位脈沖也不能夠移位了。</p><p>  表3-2 移位電路的真值表</p>&

75、lt;p>  3.6.1 量程轉(zhuǎn)換電路</p><p>  本次設(shè)計量程轉(zhuǎn)換電路詳見附錄1,電路主要包括功能選擇開關(guān)(~),交流/直流選擇開關(guān)(、),精密分壓器(~),分流器(~),8路CMOS模擬開關(guān),4只微型繼電器(~,常開觸點依次為~)。量程控制信號(A~E)使相應(yīng)的模擬開關(guān)接通,選擇最佳量程;另一方面還經(jīng)過達(dá)林頓驅(qū)動器MC1413使微型繼電器吸合,同時切換小數(shù)點的位置。由于MC14433具有兩個基本

76、量程:200mV、2V,因此分壓電阻只需要4只。在每個分流電阻上還并有正、反向接法的二極管各一只,作過壓保護(hù)。上述電路的工作原理是將被測輸入電壓、電流、電阻 ,一律轉(zhuǎn)換為0~2V的電壓信號,以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的測量需要。</p><p>  量程轉(zhuǎn)換的功能詳見表3-3~表3-5。表中的I代表功能,當(dāng)I=0(或=1)時進(jìn)入電壓、電阻測量模式;I=1時轉(zhuǎn)入電流測量模式。</p><p>  表

77、3-3 測量電壓的功能(I=0)</p><p>  表3-4 測量電流的功能(I=1)</p><p>  表3-5 測量電阻的功能(I=0)</p><p>  3.6.2 小數(shù)點顯示電路</p><p>  根據(jù)表3-3~表3-5所列條件,推導(dǎo)出小數(shù)點亮、暗狀態(tài)的邏輯表達(dá)式:</p><p>  (3-16)不難

78、 433</p><p><b>  (3-17)</b></p><p>  (3-18)不難 433</p><p><b>  (3-19)</b></p><p>  式中,對應(yīng)于最低位小數(shù)點,為最高小數(shù)點。當(dāng)某個邏輯表達(dá)式為“1” 時,相應(yīng)的小數(shù)點發(fā)光。利用CMOS門電路能直接驅(qū)動小數(shù)

79、點。</p><p>  單位符號顯示電路如圖3-20所示。電路由量程開關(guān)S19、發(fā)光二極~組成,~是發(fā)光二極管的限流電阻。</p><p>  圖3-20 單位符號顯示電路</p><p>  3.6.3 超量程閃爍報警電路</p><p>  在測量中因為我們可能不知道所測量的大小,我們可能會出現(xiàn)所選量程會超出測量的范圍。所以在電路設(shè)計中

80、增加了超量程閃爍報警電路,如圖3-21所示。</p><p>  圖3-21中利用雙D觸發(fā)器CD4013的一半作二分頻,另一半可用于自動轉(zhuǎn)換量程電路中。作觸發(fā)器復(fù)零信號,EOC作時鐘脈沖。設(shè)MC14433的時鐘頻率,則EOC脈沖的頻率,即A/D轉(zhuǎn)換速率為3次/s。</p><p>  當(dāng)輸入電壓未超過量程范圍時,=1,將觸發(fā)器置零,,顯示器正常工作。一旦超出量程,=0,經(jīng)過二分頻變成f=1

81、.5Hz的方波,周期T=0.67s。這樣,端就加上交替變化的高、低電平,LED顯示器以1.5Hz的低頻進(jìn)行閃爍,以示報警。</p><p>  需要說明的是不能把EOC信號直接接到CD4511的端,來實現(xiàn)上述功能,這是因為EOC信號屬于窄脈沖,其脈沖寬度,占空比,因此不可能觀察到閃爍現(xiàn)象。利用D觸發(fā)器可將上述窄脈沖變成方波(D=50%),并且頻率降低一半(二分頻),更便于觀察。</p><p&

82、gt;  圖3-21 超量程閃爍報警電路</p><p>  3.6.4 雙向移位寄存器CD40194 </p><p>  移位寄存器是指寄存器中所存的代碼能夠在移位脈沖的作用下依次左移或右移。CD40194/CC40194是一個4位雙向移位寄存器,最高時鐘脈沖為36MHz,其引腳排列如圖3-22所示。其中:~為并行輸入端;~為并行輸出端;為右移串引輸入端;為左移串引輸入端;、為操作模式

83、控制端;為直接無條件清零端;CP為時鐘脈沖輸入端。CD40194模式控制及狀態(tài)輸出如表3-6所示。</p><p>  圖3-22 CD40194引腳圖</p><p>  表3-6 CD40194功能表</p><p>  3.6.5 四輸入異或門CD4070</p><p>  CD4070是一塊四輸入異或門集成電路,其真值表如表3-7所

84、示,圖3-23為其引腳圖。</p><p>  圖3-23 CD4070引腳圖</p><p>  表3-7 CD4070真值表</p><p>  異或門的工作原理是:當(dāng)異或門A、B兩個輸入端上的信號、相同時,Y端輸出低電平;當(dāng)A、B兩個輸入端上的信號不同時,Y端輸出高電平。</p><p>  3.6.6 雙上升沿D觸發(fā)器CD4013&l

85、t;/p><p>  CD4013是CMOS雙D觸發(fā)器,其管腳排列如圖3-24所示,內(nèi)部有兩個完全相同的D觸發(fā)器和。圖中,D為數(shù)據(jù)輸入端,CP為時鐘脈沖輸入端,Q和為一對互補(bǔ)的輸出端,S為置位端,R為復(fù)位端,和分別為電源正負(fù)端。</p><p>  圖3-24 CD4013頂視圖</p><p>  CD4013的功能如表3-8所示,由表可見,當(dāng)R=S=0時,在CP上升

86、沿作用下,Q端狀態(tài)與D端狀態(tài)相同,即=D,也就是將D端數(shù)據(jù)置入觸發(fā)器。當(dāng)R=0,S=1時,Q=1;當(dāng)R=1,S=0時,Q=0,稱為直接置1和置0,無需CP和D配合。</p><p>  表3-8 CD4013功能表</p><p>  CD4013有四種基本方式,即數(shù)據(jù)鎖存方式,單穩(wěn)態(tài)工作方式,無穩(wěn)態(tài)工作方式及雙穩(wěn)態(tài)工作方式。在本次設(shè)計中所采用的是數(shù)據(jù)鎖存方式。</p>&l

87、t;p>  圖3-25為CD4013數(shù)據(jù)鎖存工作方式,也是它的基本功能。由圖可見,在CP作用后,D端數(shù)據(jù)被鎖存到Q端。若將多個D觸發(fā)器組合可構(gòu)成多位數(shù)據(jù)鎖存器或寄存器。</p><p>  圖3-25 CD4013數(shù)據(jù)鎖存工作方式</p><p>  3.7 穩(wěn)壓電源的設(shè)計</p><p>  圖3-26 ±6V穩(wěn)壓電源電路</p>&

88、lt;p>  穩(wěn)壓電源的電路如圖3-26所示。為獲得±6V對稱輸出的兩路穩(wěn)壓電源,現(xiàn)將三端集成穩(wěn)壓器7806(正壓輸出)與7906(負(fù)壓輸出)搭配使用,可同時輸出正壓和負(fù)壓,并且二者公用一套整流濾波電路。圖中,TM為220V/8V×2V的電源變壓器。全波整流橋選用PM104型(1A/50V)。C1是濾波電容,C2和C3可以進(jìn)一步減小紋波,C4、C5能改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng),D是保護(hù)二極管。</p>&

89、lt;p><b>  4結(jié)束語</b></p><p>  本次設(shè)計的數(shù)字萬用表電路詳見附錄1,電路可分為功能及量程開關(guān)電路、AC/DC轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、自動量程電路、超量程閃爍報警電路、基準(zhǔn)電壓源、段譯碼驅(qū)動器、位驅(qū)動器以及LED顯示器部分。功能及量程開關(guān)電路選擇測量信號相應(yīng)的電壓、電流、電阻量程開關(guān)(如測量交流時,則還需接入AC/DC轉(zhuǎn)換器將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號),之后將采集

90、的信號一律轉(zhuǎn)換為0~2V的直流電壓值送到A/D轉(zhuǎn)換器MC14433,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后,將此數(shù)字信號送至段、位譯碼驅(qū)動器變成BCD碼,再由LED顯示器顯示出來?;鶞?zhǔn)電壓源是提供精密電壓,供A/D轉(zhuǎn)換器作參考電壓,自動量程電路可以自動選擇相應(yīng)的量程并控制著對應(yīng)小數(shù)點的明暗,從而使LED顯示器顯示出不同量程的讀數(shù)。由于操作過程中可能會有超量程現(xiàn)象,所以在設(shè)計中添加了超量程報警部分,當(dāng)檢測到超量程信號時, LED顯示器閃爍,以示報警。</

91、p><p>  通過以上各部分電路的設(shè)計可以達(dá)到本設(shè)計所提出的要求,即以MC14433 A/D轉(zhuǎn)換器為核心構(gòu)成的位數(shù)字萬用表,實現(xiàn)對直流電壓0~2000V、交流電壓0~2000V、直流電流0~2A、電阻0~2M的測量。</p><p>  早期的萬用表都是指針式的,精度低,而本次設(shè)計的萬用表是直接以數(shù)字形式顯示出來,精度高,其內(nèi)部直接控制,不需要編程。在設(shè)計的時候考慮到在測量中有超出所選量程,

92、故在設(shè)計的時添加了超量程報警部分,當(dāng)檢測到超量程信號時, LED顯示器閃爍,以示報警。這一設(shè)計不僅保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,還符合了使用者讀數(shù)的習(xí)慣,也保護(hù)了器件的壽命。由于布線的復(fù)雜,零件的繁多,焊接困難,故沒有做出實物。</p><p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p>  [1] 沙占友.數(shù)字萬用表的原理、使用與維修[M].北京:電子工業(yè)出版社,1988.

93、</p><p>  [2] 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社,2014. </p><p>  [3] 中國集成電路大全編寫委員會編.中國集成電路大全 COMS集成電路[S].北京:國防工業(yè)出版社,1985.</p><p>  [4] 孫宏國,周云龍.電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.</p>&l

94、t;p>  [5] 余小平,奚大順.電子系統(tǒng)設(shè)計(基礎(chǔ)篇)(第二版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.</p><p>  [6] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2014. </p><p>  [7] 李哲英,駱麗.數(shù)字集成電路設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.</p><p>  [8] 梁

95、宗善.新型集成電路的應(yīng)用[M]. 武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999.</p><p>  [9] 蔣宗文.自動顯示儀表[M].武漢:華中工學(xué)院出版社,1985. </p><p>  [10] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2014. </p><p>  [11] 美 D.H.Sheingold.模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].南京:江蘇科學(xué)

96、技術(shù)出版社,1985. </p><p><b>  致 謝</b></p><p>  時間過的好快,轉(zhuǎn)眼間都到了我們離校的時刻了。隨著畢業(yè)設(shè)計的完成,這也將意味著這個最美好、最快樂的大學(xué)時光也即將結(jié)束,也意味著我們將要靠我們自己的雙手獨自到外面的大千世界去闖蕩出屬于自己的一片天地。</p><p>  經(jīng)過幾個月的努力,畢業(yè)設(shè)計也基本

97、完成。在此我要特別感謝我們的指導(dǎo)老師,在做畢業(yè)設(shè)計的時候老師對我們的要求很嚴(yán)格,要求我們不斷完善??赡芤婚_始的時候我們有點不大習(xí)慣,但現(xiàn)在看來,正是因為老師對我們的嚴(yán)格要求,才能更好的完成我們的畢業(yè)設(shè)計。所以畢業(yè)設(shè)計的順利完成與老師的幫助是密不可分的。</p><p>  同時由于自己能力的有限,在完成過程中會遇到各種各樣的問題,但在老師和同學(xué)們的幫助下,我不僅克服了各種難題,也積累了寶貴的經(jīng)驗。在此我要向他們致

98、以深深的敬意和最真摯的謝意!</p><p>  在此我要特別感謝母校對我四年來的教育和關(guān)心,在這里我不僅學(xué)到了豐富的專業(yè)知識,還學(xué)到了很多做人處事的道理,使我明確了以后的發(fā)展方向,樹立了良好的價值觀和人生觀,這一切都讓我受益終身。</p><p><b>  附 錄</b></p><p>  附錄1:數(shù)字萬用表電路原理圖</p&

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