第四篇數(shù)字萬用表講義

1、實驗五 數(shù)字電表原理及組裝設計 一 、實驗目的 1、了解數(shù)字電表的基本原理及常用雙積分模數(shù)轉換芯片外圍參數(shù)的選取原則、電表的校準原則以及測量誤差來源。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計對電壓、電流和電阻的多量程測量。二 、實驗儀器1、DH6505A數(shù)字電表原理及萬用表設計實驗儀。2、四位半通用數(shù)字萬用表。3、示波器。 4、電阻箱。 三、 實驗原理（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模擬電壓和電流進行顯示。而對數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號(通常是電壓信號)轉換成數(shù)字信號，再進行顯示和處理。數(shù)字信號與模擬信號

2、不同，其幅值大小是不連續(xù)的，就是說數(shù)字信號的大小只能是某些分立的數(shù)值，所以需要進行量化處理。若最小量化單位為，則數(shù)字信號的大小是的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進制碼表示。設=0.1，我們把被測電壓與比較，看是的多少倍，并把結果四舍五入取為整數(shù) (二進制)。一般情況下，1000即可滿足測量精度要求(量化誤差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：是 (0.1)的1861倍，即=1861，顯示結果為186.1()。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)點選擇位，就可以測量顯示-199.9199.9的電壓，顯示精度為0.1。1、

3、雙積分模數(shù)轉換器（ICL7107）的基本工作原理雙積分模數(shù)轉換電路的原理比較簡單，當輸入電壓為Vx時，在一定時間T1內對電量為零的電容器C進行恒流（電流大小與待測電壓Vx成正比）充電，這樣電容器兩極之間的電量將隨時間線性增加，當充電時間T1到后，電容器上積累的電量Q與被測電壓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時刻減小為零。所以，可以得出T2也與Vx成正比。如果用計數(shù)器在T2開始時刻對時鐘脈沖進行計數(shù)，結束時刻停止計數(shù)，得到計數(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數(shù)器讀數(shù)N

4、2與輸入電壓Vx成正比構成的?，F(xiàn)在我們以實驗中所用到的3位半模數(shù)轉換器ICL7107為例來講述它的整個工作過程。ICL7107雙積分式A/D轉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、計數(shù)器、時鐘脈沖源、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換電路，大致分為三個階段：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，同時反饋環(huán)給自動調零電容CAZ以補償緩沖放大器、積分器和比較器的偏置電壓。這個階段稱為自動校零階段。第二階段為信號積分階段（采樣階段），在此階段Vs接到Vx上使之

5、與積分器相連，這樣電容器C將被以恒定電流Vx/R充電，與此同時計數(shù)器開始計數(shù)，當計到某一特定值N1（對于三位半模數(shù)轉換器，N1=1000）時邏輯控制電路使充電過程結束，這樣采樣時間T1是一定的，假設時鐘脈沖為TCP，則T1=N1*TCP。在此階段積分器輸出電壓Vo=-Qo/C(因為Vo與Vx極性相反)，Qo為T1時間內恒流（Vx/R）給電容器C充電得到的電量，所以存在下式： Qo= (1) Vo=-=- (2) 圖 1 雙積分AD內部結構圖 圖2 積分和反積分階段曲線圖第三階段為反積分階段（測量階段），在此階段，邏輯控制電路把已經充電至的參考電容按與極性相反的方式經緩沖器接到積分電路，這樣電容

6、器C將以恒定電流 放電，與此同時計數(shù)器開始計數(shù)，電容器C上的電量線性減小，當經過時間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再停止計數(shù)器計數(shù)并顯示出計數(shù)結果。此階段存在如下關系： Vo+=0 （3）把（2）式代入上式，得： T2=Vx (4)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。若時鐘最小脈沖單元為,則，代入（4），即有： N2= Vx (5) 可以得出測量的計數(shù)值N2與被測電壓Vx成正比。對于ICL7107，信號積分階段時間固定為1000個,即N1的值為1000不變。而N2的計數(shù)隨Vx的不同范圍為01999，同時自動校零的計數(shù)范

7、圍為29991000，也就是測量周期總保持4000個不變。即滿量程時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。對于ICL7107的工作原理這里我們不再多說，它的引腳功能和外圍元件參數(shù)的選擇請參考附1表。2、用ICL7107A/D轉換器進行常見物理參量的測量 圖5 圖6（1）直流電壓測量的實現(xiàn)（直流電壓表）: 當參考電壓Vref=100mV時，Rint=47K。此時采用分壓法實現(xiàn)測量02V的直流電壓 ,電路圖見圖5。:直接使參考電壓Vref=1V，Rint=470K來測量02V的直

8、流電壓，電路圖如圖6。（2）直流電流測量的實現(xiàn)（直流電流表）直流電流的測量通常有兩種方法，第一種為歐姆壓降法，如圖7所示，即讓被測電流流過一定值電阻Ri，然后用200mV的電壓表測量此定值電阻上的壓降Ri*Is（在Vref=100mV時，保證Ri*Is200mV就行），由于對被測電路接入了電阻，因而此測量方法會對原電路有影響，測量電流變成Is=R0*Is/(R0+Ri),所以被測電路的內阻越大，誤差將越小。第二種方法是由運算放大器組成的I-V變換電路來進行電流的測量，只能夠用在對小電流的測量電路中，所以在這里就不再詳述。 圖7(3)電阻值測量的實現(xiàn)（歐姆表）:當參考電壓選擇在100mV時，此時

9、選擇Rint=47K，測試的接線圖如圖8所示，圖中Dw是提供測試基準電壓，而Rt 是正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻，既可以使參考電壓低于100mV，同時也可以防止誤測高電壓時損壞轉換芯片，所以必需滿足Rx=0時，Vr100mV。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的測量范圍始終是02Rs。: 當參考電壓選擇在1V時，此時選擇Rint=470K，測試電路可以用圖9

10、實現(xiàn)，此電路僅供有興趣的同學參考，因為它不帶保護電路，所以必需保證Vr1V。在進行多量程實驗時(萬用表設計實驗)，為了設計方便，我們的參考電壓都將選擇為100mV，除了比例法測量電阻我們使Rint=470K和在進行二極管正向導通壓降測量時也使Rint=470K并且加上1V的參考電壓。 圖8 圖9（二）、數(shù)字萬用表設計原理常用萬用表需要對交直流電壓、交直流電流、電阻、三極管和二極管正向壓降的測量等，圖10為萬用表測量基本原理圖。下面我們主要講講提到的幾種參數(shù)的測量： 圖10數(shù)字萬用表基本原理圖本實驗使用的DH6505型數(shù)字電表原理及萬用表設計實驗儀，它的核心是由雙積分式模數(shù)A/D轉換譯碼驅動集成

11、芯片ICL7107和外圍元件、LED數(shù)碼管構成。為了同學們能更好的理解其工作原理，我們在儀器中預留了8個輸入端，包括2個測量電壓輸入端(IN+ 、IN-)、2個基準電壓輸入端(Vr+、Vr-)、3個小數(shù)點驅動輸入端（dp1、dp2和dp3）以及模擬公共端（COM）。1、直流電壓量程擴展測量在前面所述的直流電壓表前面加一級分壓電路(分壓器)，可以擴展直流電壓測量的量程。如圖11所示，電壓表的量程Uo為200，即前面所講的參考電壓選擇100mV時所組成的直流電壓表，為其內阻(如10)，、為分壓電阻，Ui為擴展后的量程。 圖11分壓電路原理 圖12多量程分壓器原理 由于r>>r2，所以分

12、壓比為擴展后的量程為多量程分壓器原理電路見圖12，無檔量程的分壓比分別為1、0.1、0.01、0.001和0.0001，對應的量程分別為200、2、20、200和2000。采用圖12的分壓電路（見實驗儀中的分壓器b）雖然可以擴展電壓表的量程，但在小量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實際應用中是行不通的。所以，實際通用數(shù)字萬用表的直流電壓檔分壓電路（見實驗儀中的分 圖13實用分壓器原理壓器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，達到同樣的分壓效果。 例如：其中20檔的分壓比為：其余各檔的分壓比也可照此算出。實際設計時是根據(jù)各檔的分壓比

13、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再計算2000檔的分壓電阻：R5=0.0001R=1K 然后200V檔分壓電阻： R4+R5=0.001R R4=9K這樣依次逐檔計算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。由于只重在掌握測量原理，所以我們不提倡大家做高電壓測量實驗。在轉換量程時，波段轉換開關可以根據(jù)檔位自動調整小數(shù)點的顯示。同學們可以自行設計這一實現(xiàn)過程，只要對應的小數(shù)位dp1、dp2或dp3插孔接地就可以實現(xiàn)小數(shù)點的點亮。2、

14、直流電流量程擴展測量（參考電壓100mV）測量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測電流轉換為相應的電壓，再進行測量。如圖14，由于電壓表內阻r>>R，取樣電阻上的電壓降為： 圖14電流測量原理 圖15多量程分流器電路若數(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)Ro=。若=200mV，則=200mA檔的分流電阻為。多量程分流器原理電路見圖15。圖9中的分流器（見實驗儀中的分流器b）在實際使用中有一個缺點，就是當換檔開關接觸不良時，被測電路的電壓可能使數(shù)字表頭過載，所以，實際數(shù)字萬用表的直流電流檔圖16 實用分流器原理電路（見實驗儀中

15、的分流器a）為圖16所示。 圖16中各檔分流電阻的阻值是這樣計算的：先計算最大電流檔的分流電阻： 同理下一檔的為： 這樣依次可以計算出R3、R2和R1的值。圖16中的FUSE是2A保險絲管，起到過流保護作用。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作用。正常測量時，輸入電壓小于硅二極管的正向導通壓降，二極管截止，對測量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導通，兩端電壓被鉗制在0.7V內，保護儀表不被損壞。用2A檔測量時，若發(fā)現(xiàn)電流大于1A時，應盡量減小測量時間，以免大電流引起的較高溫升而影響測量精度甚至損壞電表。3、交流電壓、交流電流測量(

16、參考電壓100mV)數(shù)字萬用表中交流電壓、電流測量電路是在直流電壓、電流測量電路的基礎上，在分壓器或分流器之后加入了交直流轉換電路，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算放大器、整流二極管、RC濾波器等組成，電位器RW用來調整輸出電壓高低，用來對交流電壓檔進行校準之用，使數(shù)字表頭的顯示值等于被測交流電壓的有效值。實驗儀中用圖18所示的簡化圖代替。 同直流電壓檔類似，出于對耐壓、安全方面的考慮，交流電壓最高檔的量限通常限定為750(有效值)。 圖17 交直流電壓轉換電路圖18 交直流電壓轉換簡圖4、電阻測量電路(參考電壓01V)數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例

17、測量法，其原理電路圖見前面的圖8，測量時我們撥動撥位開關K1-1，使Rint=470K，使參考電壓的范圍為01V。 如前所述： Rx=（N2/N1）*Rs N2=1000*Rx/Rs當Rx=Rs時，數(shù)字顯示將為1000，若選擇相應的小數(shù)點位就可以實現(xiàn)電阻值的顯示。若構成200檔，取Rs=100,小數(shù)點定在十位上，即讓dp3插孔接地，當Rx變化時，顯示從0.1199.9；若構成2K檔，取Rs=1K，小數(shù)點定在千位上，即讓dp3插孔接地，當Rx變化時，顯示從0.001K1.999K；其它檔類推。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： R1=100 R2=1000-

18、R1=900 R3=10K-R1-R2=9K R4=100K-R1-R2-R3=90K R5=1000K-R1-R2-R3-R4=900K圖19中由正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻與晶體管組成了過壓保護電路，以防誤用電阻檔去測高電壓時損壞集成電路。當誤測高電壓時，晶體管發(fā)射極將擊穿從而限制了輸入電壓的升高。同時Rt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，使的擊穿電流不超過允許范圍。即只是處于軟擊穿狀態(tài)，不會損壞，一旦解除誤操作，Rt和都能恢復正常。 四、本實驗儀器的模塊說明，如下圖 DH6505數(shù)字電表原理及萬用表設計實驗儀模塊如圖所示，下面我們講講各模塊的功能。1、ICL71

19、07模數(shù)轉換及其顯示模塊。2、量程轉換開關模塊。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行調節(jié)。4、待測元件模塊，提供二極管、電阻、NPN三極管和PNP三極管各一個。5、AD參考電壓模塊，提供模數(shù)轉換器的參考電壓，通過模塊中的電位器進行調節(jié)。6、參考電阻模塊，提供可調參考電阻和可調待測電阻各一個。7、交直流電壓轉換模塊，把交流電壓轉換成直流電壓，模塊中有電位器進行調整。8、電阻檔保護模塊，防止過壓損壞儀器。9、電流檔保護模塊，防止過流。10、NPN三極管測量模塊、PNP三極管測量模塊、二極管測量模塊。11、量程擴展分壓器a、b，分流器a、b，以及分檔電阻模塊。五 數(shù)字萬用

20、表各項功能組裝及校準方法：（一）、直流電壓表組裝方法及校準測量 （1）200mV檔量程的校準 圖24 直流電壓測量接線圖1、撥動撥位開關K1-2到ON，其他到OFF，使Rint=47K（注：撥位開關K1和K2，撥到上方為ON，撥到下方為OFF。）。調節(jié)AD參考電壓模塊中的電位器，同時用萬用表200mV檔測量其輸出電壓值，直到萬用表的示數(shù)為100mV為止。2、調節(jié)直流電壓電流模塊中的電位器，同時用萬用表200mV檔測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、撥動撥位開關K2-3到ON，其他到OFF，使對應的ICL7107模塊中數(shù)碼管的相應小數(shù)點

21、點亮，顯示XXX.X。4、按圖24方式接線。供電，調節(jié)模數(shù)轉換及其顯示模塊中的電位器RWC，使外部頻率計的讀數(shù)為40kHZ。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；并同時記錄下萬用表所對應的讀數(shù)。再以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標，繪制校準曲線。（2）2V檔量程校準1、撥動撥位開

22、關K1-1到ON，其他到OFF，使Rint=470K。調節(jié)AD參考電壓模塊中的電位器，同時用萬用表2V檔測量其輸出電壓值，直到萬用表的示數(shù)為1.000V為止。2、調節(jié)直流電壓電流模塊中的電位器，同時用萬用表2V檔測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、撥動撥位開關K2-1到ON，其他到OFF ,使對應的ICL7107模塊中數(shù)碼管的相應小數(shù)點點亮，即顯示X.XXX4、按圖24方式接線。供電，調節(jié)模數(shù)轉換及其顯示模塊中的電位器RWC，使外部頻率計的讀數(shù)為40kHZ。5、觀察ICL7107模塊數(shù)碼管顯示是否為0-1.999V中的前述的那某一具體值（

23、如：1.500V）。若有些許差異，稍微調整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；并同時記錄下萬用表所對應的讀數(shù)。再以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標，繪制校準曲線。（二）直流電流表組裝方法及校準測量(1) 20mA檔量程校準1、測量時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、撥動撥位開關K1-2到ON，其他到OFF，使Rint=47K。調節(jié)AD參考電壓模塊中的電位器，同時用萬用表200mV

24、檔測量輸出電壓值，直到萬用表的示數(shù)為100mV為止。3、撥動撥位開關K2-2到ON，其他OFF,使對應的ICL7107模塊中數(shù)碼管的相應小數(shù)點點亮，顯示XX.XX。4、按照圖25方式接線。供電。向右旋轉調節(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

25、19.99mA、18.00mA、16.00mA、0.20mA、0mA；并同時記錄下萬用表所對應的讀數(shù)。再以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標，繪制校準曲線。 圖25 直流電流測量接線圖（2）2mA檔量程校準1、若要進行2mA檔校準，只需要把分流器b中的電阻選用100，ICL7107模塊中數(shù)碼管對應的顯示為X.XXX。同時把萬用表的量程選擇為2mA檔，然后重復實驗步驟16即可。2、更高量程的輸入請用分流電路a來實現(xiàn)，同學們可以自行設計實驗。（三）直流數(shù)字電阻表組裝方法及測量圖26 電阻檔校準接線圖圖27 電阻測量接線圖1、由于電阻檔基準電壓為1V，所以在進行電阻測試時，選擇參考電

26、壓為1V的設置，即撥動撥位開關K1-1到ON，其他到OFF，使Rint=470K。這樣可以保證在Rx=0時，Rs上的電壓將最大為1V，即參考電壓(Vr+)-(Vr-)1V。2、進行2K檔校準。把高精度電阻箱的電阻值給定為1500；撥動撥位開關K2-1到ON，其他到OFF。使對應的ICL7107模塊中數(shù)碼管的相應小數(shù)點點亮，顯示X.XXX。3、按照圖26方式接線。4、觀察模數(shù)轉換模塊中顯示值是否為1.500。若有些許差異，稍微調節(jié)RWs使模塊顯示數(shù)值為1.500。5、調節(jié)外接高精度電阻箱，使顯示模塊輸出讀數(shù)分別為1.999K、1.800K、1.600K、0.200K、0.000K；同時記錄下電阻

27、箱的電阻值。再以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標，以電阻箱的讀數(shù)為縱坐標，繪制校準曲線。6、進行未知電阻Rx的測量。7、首先用萬用表測出Rx的值；調節(jié)電位器RWx，使之在01.999K之間，記錄下該電阻的值，然后再按照圖27方式接線，記錄下模塊顯示的讀數(shù)。比較兩者測量的誤差，重復多次測量，分析誤差來源。（四）200mV交流電壓數(shù)字表組裝及校準 圖29 交流電壓的測量1、先進行200mV直流電壓檔量程的校準（參照直流電壓的測量）。2、調節(jié)交流電壓電流模塊的交流電壓輸出，用萬用表測量，使之為0-199.9mV中的某一具體值（如：150.0mV）。3、按照圖29方式接線。供電。看模塊的顯示值是否為0-199.

28、9mV中的前述那一具體值（如：150.0mV）。若有差別，調節(jié)交直流電壓轉換模塊中的電位器，使模塊與萬用表測量的值相同即可。4、調節(jié)交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；并同時記錄下萬用表所對應的讀數(shù)。再以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標，繪制校準曲線。5、如果要測量大于200mV的交流信號，必需在交直流轉換模塊前加入分壓器后在進行測量，與多量程直流電壓測量一樣。注意在測量高電壓時，務必在測量前確定線路連接正確，避免傷亡事故。（五）20mA交流電流表組裝及測量1、進行200mV交流電壓

29、的校準。2、按圖30方式接線。供電。3、調節(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19.99mA、18.00mA、16.00mA、0.20mA、0mA；并同時記錄下萬用表對應的讀數(shù)。再以模塊顯示的讀數(shù)為橫坐標，以萬用表顯示的讀數(shù)為縱坐標，繪制校準曲線。4、若需要測量更高量程的輸入，需用分流器a來實現(xiàn)，請同學們自行設計實驗。注意在測量大電流時，務必在測量前確定線路連接正確，避免傷亡事故。 圖30 交流電流測量六、 實驗內容及步驟：（1） 組裝200mV數(shù)字直流電壓表，測量150mv待測電壓，與萬用表標準值比較誤差。（見五）（2） 組裝20mA 數(shù)字直流電流表，測量15mA待測電流，與萬用表標準值比較誤差。（見五，選作）（3） 利用量程轉換開關，設計多量程數(shù)字直流電壓表，用曲線描繪實驗誤差。量程轉換開關模塊如圖34所示。通過撥動轉換開關，可以使