數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)

1、數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)原理機(jī)電實(shí)踐班2010.31. 數(shù)字萬(wàn)用表的特性數(shù)字萬(wàn)用表的特性與指針式萬(wàn)用表相比較，數(shù)字萬(wàn)用表有如下優(yōu)良特性： 高準(zhǔn)確度和高分辨力高準(zhǔn)確度和高分辨力三位半數(shù)字式電壓表頭的準(zhǔn)確度為0.5，四位半的表頭可達(dá)0.03，而指針式萬(wàn)用表中使用的磁電系表頭的準(zhǔn)確度通常僅為2.5。分辨力即表頭最低位上一個(gè)字所代表的被測(cè)量數(shù)值，它代表了儀表的靈敏度。通常三位半數(shù)字萬(wàn)用表的分辨力可達(dá)到電壓0.1mV、電流（指電流強(qiáng)度，下同）0.1A、電阻0.1，遠(yuǎn)高于一般的指針式萬(wàn)用表。 電壓表具有高的輸入阻抗電壓表具有高的輸入阻抗電壓表的輸入阻抗越高，對(duì)被測(cè)電路影響越小，測(cè)量準(zhǔn)確性也越高。三位半數(shù)字萬(wàn)用表電壓

2、檔的輸入阻抗一般為10M，四位半的則大于100M。而指針式萬(wàn)用表電壓檔輸入阻抗的典型值是20100k/V。 測(cè)量速率快測(cè)量速率快數(shù)字表的速率指每秒鐘能完成測(cè)量并顯示的次數(shù)，它主要取決于A/D轉(zhuǎn)換的速率。三位半和四位半數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量速率通常為每秒24次，高的可達(dá)每秒幾十次。 自動(dòng)判別極性自動(dòng)判別極性指針式萬(wàn)用表通常采用單向偏轉(zhuǎn)的表頭，被測(cè)量極性反向時(shí)指針會(huì)反打，極易損壞。而數(shù)字萬(wàn)用表能自動(dòng)判別并顯示被測(cè)量的極性，使用起來(lái)格外方便。 全部測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)字式直讀全部測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)字式直讀指針式萬(wàn)用表盡管刻畫(huà)了多條刻度線，也不能對(duì)所有檔進(jìn)行直接讀數(shù)，需要使用者進(jìn)行換算、小數(shù)點(diǎn)定位，易出差錯(cuò)。特別是電阻檔的刻

3、度，既反向讀數(shù)（由大到小）又是非線性刻度，還要考慮檔的倍乘。而數(shù)字萬(wàn)用表則沒(méi)有這些問(wèn)題，換檔時(shí)小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)顯示，所有測(cè)量檔都可以直接讀數(shù)，不用換算、倍乘。 自動(dòng)調(diào)零自動(dòng)調(diào)零由于采用了自動(dòng)調(diào)零電路，數(shù)字萬(wàn)用表校準(zhǔn)好以后使用時(shí)無(wú)需調(diào)校，比指針式萬(wàn)用表方便許多。 抗過(guò)載能力強(qiáng)抗過(guò)載能力強(qiáng)當(dāng)然，數(shù)字萬(wàn)用表也有一些缺點(diǎn)缺點(diǎn)，如： 測(cè)量時(shí)不象指針式儀表那樣能清楚直觀地觀察到指針偏轉(zhuǎn)的過(guò)程，在觀察充放電等過(guò)程時(shí)不夠方便。不過(guò)有些新型數(shù)字表增加了液晶顯示條，能模擬指針偏轉(zhuǎn)，彌補(bǔ)這一不足。 數(shù)字萬(wàn)用表的量程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)通常與電路板是一體的，觸點(diǎn)容量小，耐壓不很高，有的機(jī)械強(qiáng)度不夠高，壽命不夠長(zhǎng)，導(dǎo)致用舊以后換檔不可靠

4、。 一般數(shù)字萬(wàn)用表的V/檔公用一個(gè)表筆插孔，而A檔單獨(dú)用一個(gè)插孔。使用時(shí)應(yīng)注意根據(jù)被測(cè)量調(diào)換插孔，否則可能造成測(cè)量錯(cuò)誤或儀表?yè)p壞。2. 數(shù)字萬(wàn)用表的基本組成數(shù)字萬(wàn)用表的基本組成圖1 數(shù)字萬(wàn)用表的基本組成 數(shù)字顯示屏（LED或液晶）模數(shù)轉(zhuǎn)換，譯碼驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)電壓小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)（配合被測(cè)量與量程）過(guò)壓過(guò)流保護(hù)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)分檔電阻（量程轉(zhuǎn)換）分壓器（量程轉(zhuǎn)換）分流器（量程轉(zhuǎn)換）交流直流變換器（放大、整流、濾波）直流被測(cè)量輸 入交流VREF電流電壓電阻VIN 除了圖（1）中的基本組成部分之外，數(shù)字萬(wàn)用表通常還有蜂鳴器電路、二極管檢測(cè)電路、三極管hFE測(cè)量電路、低電壓指示電路等（如DT830A型）。有的表還設(shè)有

5、電容測(cè)量電路、溫度測(cè)量電路、自動(dòng)延時(shí)關(guān)機(jī)電路等（如DT890C+、M890D、KT105等型號(hào)）。更新型的還有電感、頻率測(cè)量電路（如DT930F+、KT102、VC9808等型號(hào)）。3.模數(shù)（模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路）轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路 常見(jiàn)的物理量都是幅值（大?。┻B續(xù)變化的所謂模擬量（模擬信號(hào)）。指針式儀表可以直接對(duì)模擬電壓、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（如存儲(chǔ)、傳輸、打印、運(yùn)算等）。 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)不同，其幅值（大?。┦遣贿B續(xù)的。就是說(shuō)數(shù)字信號(hào)的大小只能是某些分立的數(shù)值。就象人站在樓梯上時(shí)，人站的高度只能是某些

6、分立的數(shù)值一樣。這種情況被稱為是“量化的”。若最小量化單位（量化臺(tái)階）為，則數(shù)字信號(hào)的大小一定是的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進(jìn)制數(shù)碼表示。但為了能直觀地讀出信號(hào)大小的數(shù)值，需經(jīng)過(guò)數(shù)碼變換（譯碼）后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來(lái)。 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示已是很成熟的電子技術(shù)，且已經(jīng)制成大規(guī)模集成電路，一般的儀器儀表生產(chǎn)者、使用者只要知道該類集成電路的管腳及特性，就能使用了。 本安裝實(shí)驗(yàn)使用的數(shù)字萬(wàn)用表其核心是一個(gè)三位半數(shù)字表頭，它由數(shù)字表專用A/D轉(zhuǎn)換譯碼驅(qū)動(dòng)集成電路和外圍元件、液晶顯示電路構(gòu)成。該表頭有個(gè)輸入端，包括個(gè)測(cè)量電壓輸入端（IN+、IN-）、個(gè)基準(zhǔn)電壓輸入端（VREF+、VREF-）和個(gè)小數(shù)點(diǎn)驅(qū)

7、動(dòng)輸入端。4. 直流電壓測(cè)量電路直流電壓測(cè)量電路v在數(shù)字電壓表頭前面加一級(jí)分壓電路（分壓器），可以擴(kuò)展直流電壓測(cè)量的量程。如圖所示，U0為數(shù)字電壓表頭的量程（如200mV），r為其內(nèi)阻（如10M），r1、r2為分壓電阻，Ui0為擴(kuò)展后的量程。 v v由于r r2，所以分壓比為v擴(kuò)展后的量程為 圖 分壓電路原理數(shù)字電壓表r1rrU0Ui021200rrrUUi02210UrrrUiv多量程分壓器原理電路見(jiàn)圖（），檔量程的分壓比分別為、0.1、0.01、0.001和0.0001，對(duì)應(yīng)的量程分別為200m V、2V、20V、200V和2000V。v 圖 多量程分壓器原理10M99k9k1M1k數(shù)字電

8、壓表200mV200V20V2VUi2000V IN+ IN 采用圖的分壓電路雖然可以擴(kuò)展電壓表的量程，但在小量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實(shí)際使用中是所不希望的。所以，實(shí)際數(shù)字萬(wàn)用表的直流電壓檔電路為圖所示，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達(dá)到同樣的分壓效果。2000V數(shù) 字電壓表1k9k90k900k9MR5R4R3R2R1Ui200mV2V200V20VIN+IN 盡管上述最高量程檔的理論量程是2000V，但通常的數(shù)字萬(wàn)用表出于耐壓和安全考慮， 規(guī)定最高電壓量限為1000V。 圖 實(shí)用分壓器電路 5.直流電流測(cè)量電路直流電流測(cè)量電路測(cè)量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把

9、待測(cè)電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測(cè)量。如圖，由于rR，取樣電阻R上的電壓降為 Ui=R*Ii 即被測(cè)電流 ： Ii=Ui/R 數(shù)字電壓表IN+INRUirIi若數(shù)字表頭的電壓量程為U0，欲使電流檔量程為I0，則該檔的取樣電阻（也稱分流電阻）為R=U0/I0如U0=200mV，則I0=200mA檔的分流電阻為R=1。 圖 電流測(cè)量原理 圖中的分流器在實(shí)際使用中有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)換檔開(kāi)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(guò)載，所以，實(shí)際數(shù)字萬(wàn)用表的直流電流檔電路為圖所示。1k101100數(shù)字電壓表2A2mA20mA200mAUi200AIN+IN0.1Ii數(shù) 字電壓表0.10.9990900

10、R5R4R3R2R1IN+IN2A200mA20mA2mA200AD1D2IiUi圖圖 多量程分流器電路多量程分流器電路 圖圖 實(shí)用分流器電路實(shí)用分流器電路 FUSE 圖中的FUSE是2A保險(xiǎn)絲管，電流過(guò)大時(shí)會(huì)快速熔斷，起過(guò)流保護(hù)得作用。兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管D1、D2為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過(guò)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(wú)影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被限制?。ㄐ∮?.7V），保護(hù)儀表不被損壞。 注意：用2A檔測(cè)量時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電流大于1A時(shí)，應(yīng)不使測(cè)量時(shí)間超過(guò)20秒，以避免大電流引起的較高溫升

11、影響測(cè)量精度，甚至損壞儀表。6. 交流電壓、電流測(cè)量電路交流電壓、電流測(cè)量電路 數(shù)字萬(wàn)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一級(jí)交流-直流（AC-DC）變換器，圖為其原理簡(jiǎn)圖。A交流電壓輸入直流電壓輸出圖 AC-DC變換器原理簡(jiǎn)圖交流電壓校準(zhǔn) 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，還包含一個(gè)能調(diào)整輸出電壓高低的電位器，用來(lái)對(duì)交流電壓檔進(jìn)行校準(zhǔn)之用。調(diào)整該電位器可使數(shù)字表頭的顯示值等于被測(cè)交流電壓的有效值。 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）。 數(shù)字萬(wàn)用

12、表交流電壓、電流檔適用的頻率范圍通常為40400Hz（如DT830A、M3900等型號(hào)），有些型號(hào)的交流檔測(cè)量頻率可達(dá)1000Hz（如M3800、PF72等）。7.電阻測(cè)量電路電阻測(cè)量電路數(shù)字萬(wàn)用表中的電阻檔采用的是比例測(cè)量法，其原理電路見(jiàn)圖。由穩(wěn)壓管ZD提供測(cè)量基準(zhǔn)電壓，流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻R0和被測(cè)電阻Rx的電流基本相等（數(shù)字表頭的輸入阻抗很高，其取用的電流可忽略不計(jì)）。所以A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF和輸入電壓UIN有如下關(guān)系：RxIN+ZDA/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字表頭R0IN-VREF+VREFUREFUIN 圖圖9 9 電阻測(cè)量原理電阻測(cè)量原理X0INREFRRUU0REFINXRUUR 根據(jù)所用

13、A/D轉(zhuǎn)換器的特性可知，數(shù)字表顯示的是UIN與UREF的比值，當(dāng)UINUREF時(shí)顯示“1000”，UIN0.5UREF時(shí)顯示“500”，以此類推。所以，當(dāng)RxR0時(shí)，表頭將顯示“1000”，當(dāng)Rx0.5R0時(shí)顯示“500”，這稱為比例讀數(shù)特性。因此，我們只要選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻并適當(dāng)?shù)貙?duì)小數(shù)點(diǎn)進(jìn)行定位，就能得到不同的電阻測(cè)量檔。 如對(duì)200檔，取R01=100，小數(shù)點(diǎn)定在十位上。當(dāng)Rx=100時(shí)，表頭就會(huì)顯示出100.0()。當(dāng)Rx變化時(shí)，顯示值相應(yīng)變化，可以從0.1測(cè)到199.9。 又如對(duì)2k檔，取R02=1k，小數(shù)點(diǎn)定在千位上。當(dāng)Rx變化時(shí)，顯示值相應(yīng)變化，可以從0.001k測(cè)到1.999k

14、。數(shù)字萬(wàn)用表多量程電阻檔電路見(jiàn)圖數(shù)字萬(wàn)用表多量程電阻檔電路見(jiàn)圖10。由上分析可知，由上分析可知，R1R01=100R2R02R011000100900R3R03R0210k1k9kRxIN+A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字表頭RtIN-VREF+VREF 圖10 電阻測(cè)量電路R1R2R3R4900k90k9k900100PTCT+V2002k20k200k2MR5 圖圖10中由中由正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)（PTC）熱敏）熱敏電阻電阻Rt與晶體管與晶體管T組成了過(guò)壓保護(hù)電路，組成了過(guò)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)，晶體管電路。當(dāng)誤測(cè)高電壓時(shí)，晶體管T發(fā)射發(fā)射極將擊穿從而限制了輸入電壓的升高。極將擊穿從而限制了輸入電壓的升高。同時(shí)同時(shí)Rt隨著電流的增加而發(fā)熱，其阻值隨著電流的增加而發(fā)熱，其阻值迅速增大，從