数字万用表设计.docx

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数字万用表设计

数字万用表设计与校准

一、实验目的

1．了解数字万用表的特性、基本组成和工作原理。

2．掌握分压电路、分流电路、电阻分档电路的计算和连接。

了解整流、滤波电路和过压过流保护电路的功用。

3．学会数字万用表的直流电压和交流电压的校准方法。

4．正确连接、组成测试交直流电压、交直流电流、测试电阻的基本电路，掌握数字万用表的使用方法。

二、实验仪器

1．JD-SB-Ⅱ型数字万用表设计性实验仪

2．四位半数字万用表（作为标准表）

三、数字万用表的基本组成和原理

1．数字万用表的优良特性

与指针式万用表相比，数字万用表具有许多优良特性。

诸如：

高准确度和高分辨力；作为电压表具有高达10MΩ以上的输入阻抗；能够自动判别极性；自动调零；全部测量实现数字直读；具备比较完善的保护电路；具有较强的抗过压过流的能力等。

所以，数字万用表受到用户的青睐，是从事电工、电子的工程技术人员必备的仪表。

2．数字万用表的基本组成

不同型号的数字万用表还有其它一些附加功能，本实验只研究数字万用表的这些基本组成部分和基本功能。

由图1可见，数字测量仪表的核心是模数（A/D）转换、译码显示电路。

本实验仪的核心是一个三位半数字表头，它由数字表专用A/D转换译码驱动电路和LED数码管等构成。

该表头有7个输入端，包括2个测量电压输入端（IN+，IN-），2个基准电压输入端（VREF+，VREF-）和三个小数点驱动输入端（表头最左边一位小数点为dp1，依次为dp2,dp3）。

为了使电路的连接清晰明了，本仪器不用数字万用表通常采用的拨盘式多刀量程转换开关，而是采用特殊的迭插头对，由实验者自己用连线连接有关电路，从而达到设计性实验的目的。

3．直流电压测量电路

在数字电压表头前面加一级分压电路（分压器），可以扩展直流电压测量的量程。

如图2所示，U0为数字电压表头的量程（如200mV）,r为其内阻（如10MΩ），r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。

由于r>>r2，所以分压比为：

扩展后的量程为：

多量程分压器原理电路见图3，5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为2000V、200V、20V、2V和200mV。

采用图3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程档明显降低了电压表的输入阻抗，这在实际使用中是所不希望的。

所以，实际数字万用表的分压器电路为图4所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。

例如：

其中200V档的分压比为：

其余各档的分压比可同样算出，请同学们自己计算。

实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。

如先确定：

R总=R1+R2+R3+R4+R5=10M

再计算2000V档的电阻

R5=0.0001R总=1K

再逐档计算R4、R3、R2、R1。

尽管上述最高量程档的理论量程是2000V，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为1000V。

换量程时，实际万用表的拨盘式多刀量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。

本实验仪略去了拨盘开关，由实验者用导线，将待测电压量程和数字表头相连，而小数点也是由实验者根据量程将小数点设置电路连接到相应的小数点位。

如图5所示。

当量程为200mV或200V时，小数点设置为dp3，量程为20V时，小数点设置为dp2，量程为2V时，小数点设置为dp1，当量程为2000V时，不设置小数点。

对于后面将要叙述的电流和电阻的测量，小数点设置见表1。

表1电压、电流、电阻分档量程与小数点位置对照

小数点

测试种类

dp1

dp2

dp3

电压

2V

20V

200mV，200V

电流

2mA，2A

20mA

200μA，200mA

电阻

2KΩ，2MΩ

20KΩ

200Ω，200KΩ

4．直流电流测量电路

测量电流的原理是：

根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。

如图6，由于r>>R，取样电阻R上的电压降为

Ui=RIi

即被测电流：

Ii=Ui/R

若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻（也称分流电阻）为：

R=U0/I0

如U0=200mV,则I0=200mA档的分流电阻为R=1Ω。

多量程分流器原理电路见图7。

图7中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，被测电路的电压可能使数字表头过载，所以，实际数字万用表的直流电流档电路如图8所示。

图8中各档分流电阻的阻值是这样计算的：

先计算最大电流档的分流电阻R5

再计算下一档的R4

依次可计算出R3、R2和R1，请同学们自己计算。

图中的BX是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，起过流保护作用。

两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封硅整流二极管，它们起双向限幅过压保护作用。

正常测量时，输入电压小于硅二极管的正向导通压降，二极管截止，对测量毫无影响。

一旦输入电压大于0.7V，二极管立即导通，两端电压被限制住（小于0.7V），保护仪表不被损坏。

用2A档测量时，若发现电流大于1A时，应不使测量时间超过20秒，以避免大电流引起的较高温升影响测量精度甚至损坏电表。

5．交流电压、电流测量电路

数字万用表中交流电压、电流测量电路是在直流电压、电流测量电路的基础上，在分压器或分流器之后加入了一级交流-直流（AC-DC）变换器，图9为其原理简图。

该AC-DC变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波器等组成，还包含一个能调整输出电压高低的电位器，用来对交流电压档进行校准之用。

同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高档的量限通常限定为700V（有效值）。

数字万用表交流电压、电流档适用的频率范围通常为40~400Hz（如DT830A、M3900等型号），有些型号的交流档测量频率可达1000Hz（如M3800、PF72等）。

6．电阻测量电路

数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，其原理电路见图10。

由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻R0和被测电阻RX的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。

所以A/D转换器的参考电压UREF和输入电压UIN有如下关系：

即

根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与UREF的比值，当UIN=UREF时显示“1000”，UIN=0.5UREF时显示“500”，以此类推。

所以，当RX=R0时，表头将显示“1000”，当RX=0.5R0时显示“500”，这称为比例读数特性。

因此，我们只要选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量档。

如对200Ω档，取R01=100Ω，小数点定在十位上。

当RX=100Ω时，表头就会显示出100.0（Ω）。

当RX变化时，显示值相应变化，可以从0.1Ω测到199.9Ω。

又如对2KΩ档，取R02=1KΩ，小数点定在千位上。

当RX变化时，显示值相应变化，可以从0.001kΩ测到1.999kΩ。

其余各档道理相同，实验者可自行推演。

数字万用表多量程电阻档电路见图11。

由以上分析可知：

R1=R01=100Ω

R2=R02-R01=1000-100=900Ω

R3=R03-R02=10K-1K=9K

……

图11中由正温度系数（PTC）热敏电阻Rt与晶体管T组成了过压保护电路，以防误用电阻档去测高电压时损坏集成电路。

当误测高电压时，晶体管T发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。

同时Rt随着电流的增加而发热，其阻值迅速增大，从而限制了电流的增加，使T的击穿电流不超过允许范围。

即T只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，Rt和T都能恢复正常。

四、实验内容与步骤

1．设计制作多量程直流数字电压表

（1）制作200mV（199.9mV）直流数字电压表头并校准。

使用电路单元：

三位半数字表头，直流电压校准，待测直流电压，分压器。

按图12接线，参考电压VREF输入端接直流电压校准电位器，左数第三位小数点dp3接小数点设置电路。

把一只成品数字万用表（称为标准表）置于直流200mV档与表头输入端并联，利用调整待测直流电压源的电位器和分压电阻获得100mV左右的校准电压（由标准表读出），再调整“直流电压校准”旋钮使表头读数与标准表读数一致（允许误差±0.5mV）。

然后保留虚线框内的线路，拆去其余部分即可。

这个200mV直流数字电压表头，是数字电压表的基础单元，一旦校准，这个电位器就不能变动，若不慎改动，就必须重新校准。

否则，各种测量将产生很大的误差。

这个直流数字电压表头，在仪器的面板上，由内层红色虚线框出。

（2）扩展电压表头成为多量程直流电压表

使用电路单元：

直流数字电压表头，分压器，小数点设置电路。

按图4电路连接，组成多量程直流电压表。

（3）用自制电压表测直流电压

a.测量5号电池的端电压（标称值1.5V）；

b.测量实验仪上的待测直流电压：

按图4的分压器电路，连接电路，将分压器的Ui端连到待测直流电压电流的V测试端，将已校好的数字电压表头的IN-接地，IN+接到分压器的某一量程。

实验中，若表头显示“│”或“┥”，则输入信号过大，数据溢出，则重新连接分压器，选择一个合适的量程，转换量程时，小数点设置电路也需要按表1相应改变。

调节“待测直流电压电流”单元的电位器，可以改变直流电压“V”的大小和极性。

测量并记录待测直流电压可调范围和中间三点的电压值。

同时把作标准用的数字电压表接入，进行对比测量。

2．设计制作多量程交流数字电压表

（1）在上述200mV直流数字电压表头的基础上，增加交流-直流（AC-DC）变换器，制成交流数字电压表头并校准。

使用电路单元：

三位半数字表头，直流电压校准，交流电压校准（AC-DC变换器），待测交流电压电流，分压器。

按图13接线，在200mV直流数字电压表头（已校准）前面接入AC-DC变换器，然后进行交流电压校准。

把数字万用表（标准表）置于交流200mV档，利用待测交流电压源和分压器获得70mV左右的交流电压。

再调整“交流电压校准”旋钮使表头读数与标准表读数一致（允许误差±1.5mV）。

校准后，拆去校准电路。

同样，交流数字电压表头是测量交流电压电流的基础单元，一旦校准，这个电位器也不允许再调整。

这个交流数字电压表头，在仪器的面板上，用外层的红色虚线框出。

（2）制成多量程交流数字电压表

使用电路单元：

已校好的交流数字电压表头，分压器。

把校准好的交流数字表接入分压器的合适的量程，小数点控制电路的设置方法与内容1相似。

（3）用自制交流电压表测电压

a.测量待测“交流电压电流”单元中的～V，将待测交流电路中的～V与分压器的Ui连接，调节待测交流电压电流电路中的电位器，测量并记录待测交流电压的可调范围和中间三个点的电压值。

并与标准表测量之值相比较。

b.测量市电（标称值~220V）的电压（注意安全，最好在教师指导下进行）。

3．设计制作多量程直流数字电流表

（1）制成多量程直流数字电流表

使用电路单元：

直流数字电压表头，分流器，电流档保护电路。

按图8接线，小数点设置见表1。

（2）用自制电流表测直流电流

将电流表串接在待测直流电流电路中，调节电位器可观察到电流的大小、极性的变化，测量并记录待测直流电流的变化范围和中间三点数值，并与标准表的测量值相比较。

4．设计制作多量程交流数字电流表

（1）制作

在实验内容2、3的基础之上，参照数字万用表结构框图（图1），自行设计并连接多量程交流数字电流表电路。

提示：

若保持“直流电压校准”和“交流电压校准”电位器状态不变，则可略去校准步骤。

否则，要参照内容1、2重新进行校准。

（2）用自制交流电流表测电流强度

将交流电流表串入待测交流电流，