數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計(jì)

1、DH6505A數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書）實(shí)驗(yàn)DH6505A數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計(jì)使用說明書數(shù)字電表以它顯示直觀、準(zhǔn)確度高、分辨率強(qiáng)、功能完善、性能穩(wěn)定、體積小易于攜帶等特點(diǎn)在科學(xué)研究、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字電表工作原理簡(jiǎn)單， 完全可以讓同學(xué)們理解并利用這一工具來設(shè)計(jì)對(duì)電流、電壓、電阻、壓力、溫度等物理量 的測(cè)量，從而提高大家的動(dòng)手能力和解決問題能力。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解數(shù)字電表的基本原理及常用雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片外圍參數(shù)的選取原則、電表的校準(zhǔn)原則以及測(cè)量誤差來源。2、了解萬用表的特性、組成和工作原理。3、掌握分壓、分流電路的原理以及設(shè)計(jì)對(duì)電壓、電流和電阻的多量程測(cè)量。

2、4、了解交流電壓、三極管和二極管相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。5、通過數(shù)字電表原理的學(xué)習(xí)，能夠在傳感器設(shè)計(jì)中靈活應(yīng)用數(shù)字電表。實(shí)驗(yàn)儀器1、DH6505A數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀。2、 四位半通用數(shù)字萬用表。（自備）3、示波器。（自備）4、ZX25a電阻箱。（自備）實(shí)驗(yàn)原理一、數(shù)字電表原理常見的物理量都是幅值大小連續(xù)變化的所謂模擬量，指針式儀表可以直接對(duì)模擬電壓和電流進(jìn)行顯示。而對(duì)數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號(hào)（通常是電壓信號(hào)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行顯示和處理。數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)不同，其幅值大小是不連續(xù)的，就是說數(shù)字信號(hào)的大小只能是某些分立的數(shù)值，所以需要進(jìn)行量化處理。若最小量化單位為.:，則數(shù)字信號(hào)的大

3、小是 ：的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進(jìn)制碼表示。設(shè) .：=0.1 mV，我們把被測(cè)電壓 U與厶比較，看U 是厶的多少倍，并把結(jié)果四舍五入取為整數(shù) N （二進(jìn)制）。一般情況下， N 1000即可滿 足測(cè)量精度要求（量化誤差w 1/1000=0.1%）。所以，最常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為 1999, 被稱為三位半（3 1/2）數(shù)字表。如：U是厶（0.1 mV）的1861倍，即N=1861，顯示結(jié)果 為186.1（ mV）。這樣的數(shù)字表頭，再加上電壓極性判別顯示電路和小數(shù)點(diǎn)選擇位，就可以測(cè)量顯示-199.9199.9 mV的電壓，顯示精度為 0.1mV。1、雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ICL7107 ）的基本工作

4、原理雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的原理比較簡(jiǎn)單，當(dāng)輸入電壓為Vx時(shí)，在一定時(shí)間 T1內(nèi)對(duì)電量為零的電容器 C進(jìn)行恒流（電流大小與待測(cè)電壓Vx成正比）充電，這樣電容器兩極之間的電量將隨時(shí)間線性增加，當(dāng)充電時(shí)間T1到后，電容器上積累的電量Q與被測(cè)電壓Vx成正比；然后讓電容器恒流放電（電流大小與參考電壓Vref成正比），這樣電容器兩極之間的電量將線性減小，直到T2時(shí)刻減小為零。所以，可以得出T2也與Vx成正比。如果用計(jì)數(shù)器在T2開始時(shí)刻對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)束時(shí)刻停止計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值 N2,則N2與Vx成正比。雙積分AD的工作原理就是基于上述電容器充放電過程中計(jì)數(shù)器讀數(shù)N2與輸入電壓 Vx成正比構(gòu)成的?，F(xiàn)在我

5、們以實(shí)驗(yàn)中所用到的3位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7107為例來講述它的整個(gè)工作過程。ICL7107雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本組成如圖1所示，它由積分器、過零比較器、邏輯控制電路、閘門電路、計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘脈沖源、鎖存器、譯碼器及顯示等電路所組 成。下面主要講一下它的轉(zhuǎn)換電路，大致分為三個(gè)階段：第一階段，首先電壓輸入腳與輸入電壓斷開而與地端相連放掉電容器C上積累的電量，然后參考電容 Cref充電到參考電壓值 Vref，同時(shí)反饋環(huán)給自動(dòng)調(diào)零電容 Gz以補(bǔ)償緩沖放 大器、積分器和比較器的偏置電壓。這個(gè)階段稱為自動(dòng)校零階段。第二階段為信號(hào)積分階段（采樣階段），在此階段Vs接到Vx上使之與積分器相連，這樣電容器C將

6、被以恒定電流 Vx/R充電，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到某一特定值N1（對(duì)于三位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 2= 1000）時(shí)邏輯控制電路 使充電過程結(jié)束，這樣采樣時(shí)間 T1 是一定的，假設(shè)時(shí)鐘脈沖為 Tcp,則T仁N1*Tcp。在此階段積分器輸出電壓 Vo=-Qo/C（因?yàn)閂o 與Vx極性相反），Qo為T1時(shí)間內(nèi)恒流（Vx/R）給電容器C充電得到的電量，所以存在下式：Vo=-Qo=dt=VxT1Qo = VxC RC邏輯控制計(jì)數(shù)器-鎖存罄-譯碼器數(shù)字顯示圖1雙積分AD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖門二切II圖2 積分和反積分階段曲線圖第三階段為反積分階段（測(cè)量階段），在此階段，邏輯控制電路把已經(jīng)充電至Vref的參考電容C

7、yf按與Vx極性相反的方式經(jīng)緩沖器接到積分電路，這樣電容器C將以恒定電流Vref R放電，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，電容器C上的電量線性減小， 當(dāng)經(jīng)過時(shí)間T2后,電容器電壓減小到 0，由零值比較器輸出閘門控制信號(hào)再停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示出計(jì)數(shù)結(jié) 果。此階段存在如下關(guān)系：Vo+T21 Vrefdt =0(3)把（2）式代入上式，得:T2=VxVref從（4）式可以看出，由于 T1和Vref均為常數(shù)，所以T2與Vx成正比，從圖2可以看出。若時(shí)鐘最小脈沖單元為 TCP ,則T1 = N1 “ TCp , T2 = N 2 “ TCP，代入（4），即有：N1N2= VVf可以得出測(cè)量的計(jì)數(shù)值 N2與被測(cè)電

8、壓 Vx成正比。對(duì)于ICL7107,信號(hào)積分階段時(shí)間固定為1000個(gè)TCP ,即N1的值為1000不變。而N2的計(jì)數(shù)隨Vx的不同范圍為01999，同時(shí)自動(dòng)校零的計(jì)數(shù)范圍為29991000，也就是測(cè)量周期總保持 4000個(gè)TCP不變。即滿量程時(shí) N2max=2000=2*N1所以Vxmax=2Vref，這樣若取 參考電壓為100mV則最大輸入電壓為 200mV若參考電壓為1V,則最大輸入電壓為 2V。對(duì)于ICL7107的工作原理這里我們不再多說，以下我們主要講講它的引腳功能和外圍 元件參數(shù)的選擇，讓同學(xué)們學(xué)會(huì)使用該芯片。2、ICL7107雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器引腳功能、外圍元件參數(shù)的選擇(1*S) 1

9、brCem圖4 ICL7107和外圍器件連接圖ICL7107芯片的引腳圖如圖3所示，它與外圍器件的連接圖如圖4所示。圖4中它和數(shù)碼管相連的腳以及電源腳是固定的，所以不加詳述。芯片的第32腳為模擬公共端，稱為COM端;第36腳Vr+和35腳Vr-為參考電壓正負(fù)輸入端；第31腳IN+和30腳IN-為測(cè)量電壓正負(fù)輸入端；Cint和Rint分別為積分電容和積分電阻，Caz為自動(dòng)調(diào)零電容，它們與芯片的27、28和29相連，用示波器接在第27腳可以觀測(cè)到前面所述的電容充放電過程，該腳對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀上示波器接口Vint ;電阻R1和C1與芯片內(nèi)部電路組合提供時(shí)鐘脈沖振蕩源，從40腳可以用示波器測(cè)量出該振蕩波形，

10、時(shí)鐘頻率的快慢決定了芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間(因 為測(cè)量周期總保持 4000個(gè)Tcp不變)以及測(cè)量的精度。下面我們來分析一下這些參數(shù)的具 體作用：Rint 為積分電阻，它是由滿量程輸入電壓和用來對(duì)積分電容充電的內(nèi)部緩沖放大器的輸出電流來定義的，對(duì)于ICL7107，充電電流的常規(guī)值為lint=4uA，貝U Rint=滿量程/4uA。所以在滿量程為 200mV即參考電壓 Vref=0.1V時(shí)，Rint=50K,實(shí)際選擇47K電阻；在滿量 程為 2V,即參考電壓 Vref=1V 時(shí)，Rint=500K,實(shí)際選擇 470K 電阻。Cint=T1*Iint/Vint, 一般為了減小測(cè)量時(shí)工頻50HZ干擾，T1時(shí)間

11、通常選為0.1S，具體下面再分析，這樣又由于積分電壓的最大值 Vint=2V，所以：Cint=0.2uF,實(shí)際應(yīng)用中選取 0.22uF。對(duì)于ICL7107 , 38腳輸入的振蕩頻率為：f0=1/(2.2*R1*C1)，而模數(shù)轉(zhuǎn)換的計(jì)數(shù)脈沖 頻率是f0的4倍，即Tcp=1/(4*f0)，所以測(cè)量周期 T=4000*Tcp=1000/f0，積分時(shí)間(采 樣時(shí)間)T仁1000*Tcp=250/fo。所以fo的大小直接影響轉(zhuǎn)換時(shí)間的快慢，頻率過快或過慢 都會(huì)影響測(cè)量精度和線性度。 一般情況下，為了提高在測(cè)量過程中抗50HZ工頻干擾的能力，應(yīng)使A/D轉(zhuǎn)換的積分時(shí)間選擇為50HZ工頻周期的整數(shù)倍，即T1=

12、 n*20ms,考慮到線性度和測(cè)試效果，我們?nèi)?T仁0.1m(n=5)，這樣 T=0.4S, f0=40kHZ , A/D轉(zhuǎn)換速度為 2.5次/秒。由T1=0.1=250/f0，若取 6= 100pF,貝U R1 112.5K Q。3、用ICL7107A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行常見物理參量的測(cè)量Vttf=lV Vr+V “Vin=0*2Vo_IN +ICL7107IIN-J；COM圖6(1) 直流電壓測(cè)量的實(shí)現(xiàn)(直流電壓表)I :當(dāng)參考電壓 Vref=100mV時(shí)，Rint=47K Q。此時(shí)采用分壓法實(shí)現(xiàn)測(cè)量02V的直流電壓，電路圖見圖5。n :直接使參考電壓 Vref=1V , Rint=470K Q

13、來測(cè)量02V的直流電壓，電路圖如圖6。（2）直流電流測(cè)量的實(shí)現(xiàn)（直流電流表）直流電流的測(cè)量通常有兩種方法，第一種為歐姆壓降法，如圖7所示，即讓被測(cè)電流流過一定值電阻 Ri，然后用200mV的電壓表測(cè)量此定值電阻上的壓降Ri*ls （在Vref=100mV時(shí)，保證 Ri*ls 200mV就行），由于對(duì)被測(cè)電路接入了電阻，因而此測(cè)量方法會(huì)對(duì)原電路 有影響，測(cè)量電流變成Is =R0*ls/（R0+Ri）,所以被測(cè)電路的內(nèi)阻越大，誤差將越小。 第二 種方法是由運(yùn)算放大器組成的I-V變換電路來進(jìn)行電流的測(cè)量，此電路對(duì)被測(cè)電路的無影響，但是由于運(yùn)放自身參數(shù)的限制，因此只能夠用在對(duì)小電流的測(cè)量電路中，所以在

14、這里 就不再詳述。（3）電阻值測(cè)量的實(shí)現(xiàn)（歐姆表）I :當(dāng)參考電壓選擇在 100mV時(shí)，此時(shí)選擇Rint=47K Q ,測(cè)試的接線圖如圖 8所示，圖 中Dw是提供測(cè)試基準(zhǔn)電壓，而Rt是正溫度系數(shù)（PTQ熱敏電阻，既可以使參考電壓低于100mV同時(shí)也可以防止誤測(cè)高電壓時(shí)損壞轉(zhuǎn)換芯片，所以必需滿足Rx=0 時(shí)，Vr 100mV。由前面所講述的7107的工作原理，存在：Vr=(Vr+)- (Vr-)=Vd*Rs/(Rs+Rx+Rt)(6)IN=(IN+)- (IN-)=Vd*Rx/(Rs+Rx+Rt)(7)由前述理論 N2/N1=IN/Vr有：Rx=(N2/N1) *Rs(8)所以從上式可以得出電阻

15、的測(cè)量范圍始終是02RsQ。n :當(dāng)參考電壓選擇在 1V時(shí)，此時(shí)選擇 Rint=470K Q ,測(cè)試電路可以用圖 9實(shí)現(xiàn)，此 電路僅供有興趣的同學(xué)參考，因?yàn)樗粠ПＷo(hù)電路，所以必需保證Vr r 2,所以分壓比為U。Ui200mVYKS2擴(kuò)展后的量程為R19M2VUoIN+r u2多量程分壓器原理電路見圖12,無檔量R2900K 20V4程的分壓比分別為1、0.1、0.01 0.001 和R30.0001，對(duì)應(yīng)的量程分別為20V、200V 和 2000V。200 mV、2V、90K 200V直流電壓表J_ IN-R4（見實(shí)驗(yàn)儀中的分 壓器b）雖然可以擴(kuò)展電壓表的量程，但在小 量程檔明顯降低了電壓

16、表的輸入阻抗，這在實(shí)際應(yīng)用中是行不通的。 所以，實(shí)際通用數(shù)字萬 用表的直流電壓檔分壓電路（見實(shí)驗(yàn)儀中的分 壓器a）為圖13所示，它能在不降低輸入阻抗（大小為 R/r，R=R1+R2+R3+R4+R5的情況下,例如：其中20V檔的分壓比為：R3 R4 R5采用圖12的分壓電路9K2000V R51K圖13實(shí)用分壓器原理達(dá)到同樣的分壓效果。R1 R2 R3 R4 R5其余各檔的分壓比也可照此算出。遊70110M實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)是根據(jù)各檔的分壓比和以及考慮輸入阻抗要求所決定的總電阻來確定各分 壓電阻的。首先確定總電阻：R=R1+R2+R3+R4+R5=10M再計(jì)算2000 V檔的分壓電阻：R5=0.000

17、1R=1K然后200V檔分壓電阻：R4+R5=0.001RR4=9K這樣依次逐檔計(jì)算 R3、R2和R1。盡管上述最高量程檔的理論量程是2000V，但通常的數(shù)字萬用表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為1000V。由于只重在掌握測(cè)量原理，所以我們不提倡大家做高電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在轉(zhuǎn)換量程時(shí)，波段轉(zhuǎn)換開關(guān)可以根據(jù)檔位自動(dòng)調(diào)整小數(shù)點(diǎn)的顯示。同學(xué)們可以自行 設(shè)計(jì)這一實(shí)現(xiàn)過程，只要對(duì)應(yīng)的小數(shù)位 dpi、dp2或dp3插孔接地就可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)的點(diǎn)亮。2、直流電流量程擴(kuò)展測(cè)量（參考電壓100mV測(cè)量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測(cè)電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓， 再進(jìn)行測(cè)量。如圖14,由于電壓表內(nèi)阻r

18、R,取樣電阻 R上的電壓降為：圖15多量程分流器電路5 = hRUiTifRIN+ 裁字電壓表IN圖14電流測(cè)量原理若數(shù)字表頭的電壓量程為Uo,欲使電流檔量程為Io，則該檔的取樣電阻（也稱分流電阻）只0=匹。若U=200mV則10 =200mA檔的分流電阻為。Io多量程分流器原理電路見圖15。圖9中的分流器（見實(shí)驗(yàn)儀中的分流器b）在實(shí)際使用中有一個(gè)缺點(diǎn)， 就是當(dāng)換檔開關(guān)接觸不良時(shí)，被測(cè)電路的電壓可能使數(shù)字表頭過載，所以，實(shí)際數(shù)字萬用表的直流電流檔IiKS2FUSE200uA900 ?2 ?90R1UiINDID2KS20A $R3R412A力J.1IR5圖16實(shí)用分流器原理電路（見實(shí)驗(yàn)儀中的分

19、流器 a）為圖16所示。圖16中各檔分流電阻的阻值是這樣計(jì)算的：先計(jì)算最大電流檔的分流電阻R Is I m5 2同理下一檔的民為：=0.1(門)R5:-R5m4二咚 -0.1 =0.9()0.2這樣依次可以計(jì)算出 R3、R2和R1的值。圖16中的FUSE是2A保險(xiǎn)絲管，起到過流保護(hù)作用。兩只反向連接且與分流電阻并 聯(lián)的二極管D1、D2為硅整流二極管，它們起雙向限幅過壓保護(hù)作用。正常測(cè)量時(shí)，輸入電 壓小于硅二極管的正向?qū)▔航?，二極管截止，對(duì)測(cè)量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被鉗制在0.7V內(nèi)，保護(hù)儀表不被損壞。用2A檔測(cè)量時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電流大于1A時(shí)，應(yīng)盡量減小測(cè)量時(shí)

20、間，以免大電流引起的較高溫升而影響測(cè)量精度甚至損壞電表。3、交流電壓、交流電流測(cè)量 （參考電壓100mV）數(shù)字萬用表中交流電壓、電流測(cè)量電路是在直流電壓、電流測(cè)量電路的基礎(chǔ)上，在分 壓器或分流器之后加入了交直流轉(zhuǎn)換電路，即AC-DC變換電路，具體電路圖見圖17。該AC-DC變換器主要由集成運(yùn)算放大器、整流二極管、RC濾波器等組成，電位器RW用來調(diào)整輸出電壓高低，用來對(duì)交流電壓檔進(jìn)行校準(zhǔn)之用，使數(shù)字表頭的顯示值等于被測(cè)交 流電壓的有效值。實(shí)驗(yàn)儀中用圖18所示的簡(jiǎn)化圖代替。同直流電壓檔類似，出于對(duì)耐壓、安全方面的考慮，交流電壓最高檔的量限通常限定 為750V （有效值）。圖18交直流電壓轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)圖4

21、、電阻測(cè)量電路(參考電壓01V)數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例測(cè)量法，其原理電路圖見前面的圖8,測(cè)量時(shí)我們撥動(dòng)撥位開關(guān) K1-1，使Rint=470K，使參考電壓的范圍為 0IV。如前所述：Rx= ( N2/N1) *RsN2=1000*Rx/Rs當(dāng)Rx=Rs時(shí)，數(shù)字顯示將為 1000,若選擇相應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)位就可以實(shí)現(xiàn)電阻值的顯示。 若構(gòu)成200 Q檔，取Rs=100Q ,小數(shù)點(diǎn)定在十位上，即讓dp3插孔接地，當(dāng) Rx變化時(shí)，顯示從0.1 Q199.9 Q ;若構(gòu)成2KQ檔，取Rs=1KQ，小數(shù)點(diǎn)定在千位上，即讓dp3插孔接地，當(dāng)Rx變化時(shí)，顯示從 0.001K Q1.999K Q;其它檔類推

22、。數(shù)字萬用表多量程電阻檔電路如圖10所示，由上述分析給電阻參數(shù)的選擇如下：R仁 100 QR2=1000-R仁900 QR3=10K-R1-R2=9K QR4=100K-R1-R2-R3=90K QR5=1000K-R1-R2-R3-R4=900K Q圖19中由正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻R與 晶體管T組成了過壓保護(hù)電路，以防誤用電阻檔 去測(cè)高電壓時(shí)損壞集成電路。當(dāng)誤測(cè)高電壓時(shí)， 晶體管T發(fā)射極將擊穿從而限制了輸入電壓的 升高。同時(shí) R隨著電流的增加而發(fā)熱，其阻值 迅速增大，從而限制了電流的增加，使T的擊穿電流不超過允許范圍。即T只是處于軟擊穿狀態(tài)，不會(huì)損壞，一旦解除誤操作，R和T都能恢 復(fù)正

23、常。5、三極管參數(shù)hFE的測(cè)量（參考電壓100mV） 測(cè)量NPN管的hFE大小的電路如圖20所示， 三極管的固定偏置電阻由R37和R39組成，調(diào)整R37可使基極電流Ib=1OuA,R42為取樣電阻，這樣輸入直流電壓表的電壓為：R.3R2KS2200KQ 9K900iooFTC+VV盟衛(wèi)+TIN+IN-XVeip-呂rdI圖19多檔電阻測(cè)試圖Vin=VxNk hFE*| b*R42= h fe*10uA*10 Q =0.1h FE（mV）若表頭為200mV的量程，則理論上測(cè)量范圍為01999，但為了不出現(xiàn)較大誤差，實(shí)際測(cè)量范圍限制在 01000之間，測(cè)量過程中可以讓小數(shù)點(diǎn)消隱（即不點(diǎn)亮）。測(cè)量P

24、NP管的hFE大小的電路如圖21所示,原理和測(cè)量NPN管的hFE大小一樣，所以不再贅述。測(cè)量hFE時(shí)需注意以下事項(xiàng)：（1）僅適用于測(cè)量小功率晶體管。這是因?yàn)闇y(cè)試電壓較低同時(shí)測(cè)試電流較小的緣故。倘 若去測(cè)大功率晶體管，測(cè)量的結(jié)果就與典型值差很大。（2）當(dāng)Vin 200mV時(shí)，儀表將顯示過載，應(yīng)該立即停止測(cè)量。45?4-圖21 PNP管測(cè)試電路圖20 NPN管測(cè)試電路6、二極管正向壓降的測(cè)量 （參考電壓進(jìn)行二極管正向壓降測(cè)試的電路圖如圖22 , +5V經(jīng)過R36,PTC向二極管提供5V的測(cè)試電壓，使二極管 D9導(dǎo)通，測(cè)試電流（即二極管正向工作電流）If - 1mA導(dǎo)通壓降Vf輸入到IN+和IN-端

25、，由于Vf的大小一般在02V之間，所以我們可以選擇參考電壓為1V,此時(shí)通過撥位開關(guān)選擇Rint=470K Q，這樣可以直接測(cè)出 Vf的值。如果想用 200mV檔測(cè)試，必需要對(duì)Vf分壓才行，請(qǐng)同學(xué)們自己分析。+5VIVVr+-NP NPTCIC7L71071N+470K1N-XZ圖22二極管正向壓降測(cè)試圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟-、實(shí)驗(yàn)儀組成簡(jiǎn)介im z 03“D CL J 9 廠00000000IH-Ccin Ur - Ui -dpJ d|_i2 dp3 A +5VWM 1M 99K 9K 1K0.11 W 100 1KDH6505數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀模塊如圖所示，下面我們講講各模塊的功1、I

26、CL7107模數(shù)轉(zhuǎn)換及其顯示模塊。2、量程轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊。3、直流電壓電流模塊，提供直流電壓和電流，通過模塊中的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。4、 待測(cè)元件模塊，提供二極管、電阻、NPN三極管和PNP三極管各一個(gè)。5、AD參考電壓模塊，提供模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓，通過模塊中的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。6、參考電阻模塊，提供可調(diào)參考電阻和可調(diào)待測(cè)電阻各一個(gè)。7、交直流電壓轉(zhuǎn)換模塊，把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，模塊中有電位器進(jìn)行調(diào)整。8、電阻檔保護(hù)模塊，防止過壓損壞儀器。9、電流檔保護(hù)模塊，防止過流。10、 NPN三極管測(cè)量模塊、PNP三極管測(cè)量模塊、二極管測(cè)量模塊。11、 量程擴(kuò)展分壓器 a、b,分流器a、b，以及分檔電阻模

27、塊。二、數(shù)字電表原理實(shí)驗(yàn)直流電壓的測(cè)量（1） 200mV檔量程的校準(zhǔn)圖24 直流電壓測(cè)量接線圖1、 撥動(dòng)撥位開關(guān) K1-2到ON其他到OFF,使Rint=47K Q （注：撥位開關(guān) K1和K2,撥 到上方為ON撥到下方為 OFF）。調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊中的電位器，同時(shí)用萬用表 200mV 檔測(cè)量其輸出電壓值，直到萬用表的示數(shù)為100mV為止。2、調(diào)節(jié)直流電壓電流模塊中的電位器，同時(shí)用萬用表200mV當(dāng)測(cè)量該模塊電壓輸出值， 使其電壓輸出值為 0-199.9mV的某一具體值（如：150.0mV）。3、 撥動(dòng)撥位開關(guān) K2-3到ON其他到OFF,使對(duì)應(yīng)的ICL7107模塊中數(shù)碼管的相應(yīng)小 數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮

28、，顯示 XXX.X。4、按圖24方式接線。5、 觀察ICL7107模塊數(shù)碼管顯示是否為前述 0-199.9mV中那一具體值（如：150.0mV）。若有些許差異，稍微調(diào)整AD參考電壓 模塊中的電位器使模塊顯示讀數(shù)為前述那一具體值（如：150.0mV）。6、 調(diào)節(jié)直流電壓電流 模塊中的電位器，減小其輸出電壓，使模塊輸出電壓為199.9mV、180.0mV、160.0mV、20.0mV、0mV并同時(shí)記錄下萬用表所對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。再以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標(biāo)，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。7、若輸入的電壓大于 200mV ，請(qǐng)先采用分壓電路并改變對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管在進(jìn)行，請(qǐng)同學(xué) 們自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。注意在

29、測(cè)量高電壓時(shí)，務(wù)必在測(cè)量前確定線路連接正確，避免傷亡事故。（ 2 ） 2V 檔量程校準(zhǔn)1撥動(dòng)撥位開關(guān) K1-1到ON其他到OFF,使Rint=470K Q。調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊中 的電位器，同時(shí)用萬用表2V檔測(cè)量其輸出電壓值，直到萬用表的示數(shù)為1.000V為止。2、 調(diào)節(jié)直流電壓電流 模塊中的電位器，同時(shí)用萬用表2V檔測(cè)量該模塊電壓輸出值， 使其電壓輸出值為 0-1.999V 的某一具體值（如： 1.500V）。3、 撥動(dòng)撥位開關(guān) K2-1到ON其他到OFF ,使對(duì)應(yīng)的ICL7107模塊中數(shù)碼管的相應(yīng)小 數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮，即顯示 X.XXX4、按圖 24 方式接線。5、觀察 ICL7107 模塊數(shù)碼管

30、顯示是否為 0-1.999V 中的前述的那某一具體值（如：1.500V）。若有些許差異，稍微調(diào)整AD參考電壓模塊 中的電位器使模塊顯示讀數(shù)為前述那一具體值（如： 1.500V）。6、調(diào)節(jié) 直流電壓電流 模塊中的電位器，減小其輸出電壓，使模塊輸出電壓為 1.999V、1.800V、1.600V、0.020V、0V;并同時(shí)記錄下萬用表所對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。再以模塊顯示的 讀數(shù)為橫坐標(biāo)，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。*若輸入的電壓大于 2V,請(qǐng)先采用分壓電路并改變對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)位后再進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)，請(qǐng)同學(xué)們自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。多量程擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)將在后面進(jìn)行詳細(xì)說明。*在上面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于直流電壓電流

31、模塊中的電位器細(xì)度不夠，可能調(diào)整不到相應(yīng)的值（如：150.0mV和1.500V ）,可以調(diào)整到一個(gè)很接近的值；但是在稍微調(diào)整AD參考電壓模塊中的電位器時(shí)，注意一定要使模塊顯示值與實(shí)際測(cè)量的直流電壓電流模塊中輸 出的電壓值顯示一樣。在以下電流檔的校準(zhǔn)也同樣遵循這一原則。直流電流的測(cè)量（1） 20mA 檔量程校準(zhǔn)1、 測(cè)量時(shí)可以先左旋 直流電壓電流 模塊中的電位器到底，使輸出電流為0。2、 撥動(dòng)撥位開關(guān) K1-2到ON其他到OFF,使Rint=47K Q。調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊中的 電位器，同時(shí)用萬用表 200mV檔測(cè)量輸出電壓值，直到萬用表的示數(shù)為100mV為止。3、撥動(dòng)撥位開關(guān) K2-2到ON其

32、他OFF,使對(duì)應(yīng)的ICL7107模塊中數(shù)碼管的相應(yīng)小數(shù)點(diǎn) 點(diǎn)亮，顯示 XX.XX。4、按照?qǐng)D 25 方式接線。供電。向右旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié) 直流電壓電流 模塊中的電位器，使萬用表顯示為 0-19.99mA 的某一具體值（如：15.00mA）。5、 觀察模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中顯示值是否為0-19.99mA 中的前述的那某一具體值（如： 15.00mA）。若有些許差異，稍微調(diào)整 AD參考電壓 模塊中的電位器使模塊顯示數(shù)值為 0-19.99mA 中的前述的那某一具體值（如： 15.00mA）。6、調(diào)節(jié) 直流電壓電流 模塊中的電位器，減小其輸出電流，使顯示模塊輸出電流為19.99mA、18.00mA、16.00mA、0

33、.20mA、0mA并同時(shí)記錄下萬用表所對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。再 以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標(biāo),以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標(biāo),繪制校準(zhǔn)曲線。JUntA祥開關(guān)00 林 卷X I. I - 改I 黒-JDOL。lb4 Er*mImmOQQQQOOOEhD 5豈諂fliv O WIII-.譯 d|p2ap30PnwciZQQfiiA 6mA2mA2WA0圖25直流電流測(cè)量接線圖(2) 2mA檔量程校準(zhǔn)1若要進(jìn)行2mA檔校準(zhǔn)，只需要把 分流器b中的電阻選用100Q, ICL7107模塊中數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的顯示為 X.XXX。同時(shí)把萬用表的量程選擇為2mA檔，然后重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟16即可。2、更高量程的輸入請(qǐng)用分流電路a來實(shí)現(xiàn)，同

34、學(xué)們可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。電阻的測(cè)量圖27電阻測(cè)量接線圖1、 由于電阻檔基準(zhǔn)電壓 為1V，所以在進(jìn)行電阻測(cè)試時(shí)，選擇參考電壓為1V的設(shè)置， 即撥動(dòng)撥位開關(guān) K1-1到ON,其他到 OFF,使Rint=470 KQ。這樣可以保證在 Rx=0時(shí)，Rs 上的電壓將最大為 1V，即參考電壓（Vr+）-（Vr-） w 1V。2、 進(jìn)行2KQ檔校準(zhǔn)。把高精度電阻箱的電阻值給定為1500 Q;撥動(dòng)撥位開關(guān) K2-1到ON，其他到OFF。使對(duì)應(yīng)的ICL7107模塊中數(shù)碼管的相應(yīng)小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮，顯示X.XXX。3、按照?qǐng)D26方式接線。4、 觀察模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中顯示值是否為1.500。若有些許差異，稍微調(diào)節(jié)RWs使模塊顯示

35、數(shù)值為1.500。5、 調(diào)節(jié)外接高精度電阻箱，使顯示模塊輸出讀數(shù)分別為1.999K Q、1.800K為 1.600K Q0.200K Q 0.000K Q同時(shí)記錄下電阻箱的電阻值。再以模塊顯示的讀數(shù)為 橫坐標(biāo)，以電阻箱的讀數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。6、進(jìn)行未知電阻 Rx的測(cè)量。7、首先用萬用表測(cè)出 Rx的值；調(diào)節(jié)電位器 RWx，使之在01.999K之間，記錄下該電阻的值，然后再按照?qǐng)D27方式接線，記錄下模塊顯示的讀數(shù)。比較兩者測(cè)量的誤差，重復(fù)多次測(cè)量，分析誤差來源。8、 其它檔也可以通過調(diào)節(jié)電位器RWs改變Rs的值，并用相應(yīng)的外接高精度電阻箱進(jìn) 行校準(zhǔn)，請(qǐng)同學(xué)們自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。*實(shí)際在對(duì)電阻進(jìn)行

36、精密測(cè)量時(shí)也是用上述方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，即進(jìn)行每檔分別校準(zhǔn)，但 為了使測(cè)量有很好的線性度一般使參考電壓保持不變（由于我們要求的精度不是很高，所 以參考電壓是變化的對(duì)不同的測(cè)量值）。下面我們介紹一種用于精密電阻測(cè)量的方法，其原理圖見圖28。它采用的是恒流源電路，這樣模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓是維持不變的，其中R為精密電阻，IL=Eg/R=Vx/Rx ; Vx=Eg*Rx/R; Vref=Eg ; Rw和Rm用于校準(zhǔn)時(shí)調(diào)整用，理論上只 要校準(zhǔn)時(shí)選擇精度足夠高的Rx,測(cè)量將同樣精確，在加上一些放大處理電路，此電路可以使測(cè)量精確到微歐。U1Ui 200mV交流電壓的校準(zhǔn)1丄I改GnO-i酹匚二|s裝ljL 表 J0

37、(L 0 9 q . Cr *1QOQQQOOO1H- IrH- C* Ur - U +opl 申刪題逬豳卿別LMJrnV 忸A(yù)JC-DCPfiTvefYoGND_o-DCEr-GND圖29交流電壓的測(cè)量1先進(jìn)行200mV直流電壓檔量程的校準(zhǔn)（參照直流電壓的測(cè)量）。2、調(diào)節(jié)交流電壓電流 模塊的交流電壓輸出，用萬用表測(cè)量，使之為 0-199.9mV中的某 一具體值（如：150.0mV）o3、 按照?qǐng)D29方式接線。供電?？茨K的顯示值是否為0-199.9mV中的前述那一具體值（如：150.0mV）o若有差別，調(diào)節(jié) 交直流電壓轉(zhuǎn)換 模塊中的電位器，使模塊與萬用表測(cè)量的值相同即可。4、 調(diào)節(jié)交流電壓電

38、流 模塊中的電位器，減小其輸出電壓，使模塊輸出電壓為199.9mV、 180.0mV、160.0mV、20.0mV、0mV并同時(shí)記錄下萬用表所對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。再以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標(biāo)，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。5、如果要測(cè)量大于 200mV的交流信號(hào)，必需在交直流轉(zhuǎn)換模塊前加入分壓器后在進(jìn)行 測(cè)量，與多量程直流電壓測(cè)量一樣。注意在測(cè)量高電壓時(shí)，務(wù)必在測(cè)量前確定線路連接正確，避免傷亡事故。 20mA交流電流的測(cè)量1、進(jìn)行200mV交流電壓的校準(zhǔn)。2、按圖30方式接線。供電。19.99mA、3、調(diào)節(jié)交流電壓電流 模塊中的電位器，減小輸出電流，使顯示模塊輸出電壓為 18.00mA、16

39、.00mA、0.20mA、0mA并同時(shí)記錄下萬用表對(duì)應(yīng)的讀數(shù)。再以模塊顯示的 讀數(shù)為橫坐標(biāo)，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。4、 若需要測(cè)量更高量程的輸入，需用分流器a來實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)同學(xué)們自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。注意 在測(cè)量大電流時(shí)，務(wù)必在測(cè)量前確定線路連接正確，避免傷亡事故。a iu- ffjI改Zu叫乂壬W n裝I曲L表右*o-_|刖站液飾際劇L-咖凹R1蟄C1 RiKrA0GNDGNU圖30交流電流測(cè)量ZVmA2mA+5W用 BrtfJoO pQHl) AD弓1K區(qū)dpi申2如3OQOQQOOO二極管正向壓降的校準(zhǔn)和測(cè)量MH OM 11 H 1：fl LoJQQQQQOOO(ll-nI* C2|H 綾嚴(yán)、I肛L表QQQQQOOOrTt_舊kUrgilrCZH圖32 NPN三極管hFE參數(shù)測(cè)量圖33 PNP三極管hFE參數(shù)測(cè)量1制作200mV直流數(shù)字電壓表頭并進(jìn)行校準(zhǔn)。2、撥動(dòng)撥位開關(guān) K2，使其都成OFF，即不點(diǎn)亮任何小數(shù)位。3、拿出一個(gè)NPN管9013，先用萬用表進(jìn)行 hFE參數(shù)測(cè)量并