数字万用表设计性试验讲义.docx

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数字万用表设计性试验讲义

数字万用表设计性实验讲义

一、实验目的

1.掌握数字万用表的工作原理、组成和特性

2.掌握数字万用表的校准方法和使用方法

3.掌握分压及分流电路的连接和计算

4.了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用

二、实验仪器

1.DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪一台

2.三位半或四位半数字万用表一台

三、实验原理

1.数字万用表的特性

与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：

⑴高准确度和高分辨力

三位半数字式电压表头的准确度为±0.5％，四位半的表头可达±0.03％，而指针式万用表中使用的磁电系表头的准确度通常仅为±2.5％。

分辨力即表头最低位上一个字所代表的被测量数值，它代表了仪表的灵敏度。

通常三位半数字万用表的分辨力可达到电压0.1mV、电流（指电流强度，下同）0.1μA、电阻0.1Ω，远高于一般的指针式万用表。

⑵电压表具有高的输入阻抗

电压表的输入阻抗越高，对被测电路影响越小，测量准确性也越高。

三位半数字万用表电压挡的输入阻抗一般为10MΩ，四位半的则大于100MΩ。

而指针式万用表电压挡输入阻抗的典型值是20～100kΩ/V。

⑶测量速率快

数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数，它主要取决于A/D转换的速率。

三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒2～4次，高的可达每秒几十次。

⑷自动判别极性

指针式万用表通常采用单向偏转的表头，被测量极性反向时指针会反打，极易损坏。

而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性，使用起来格外方便。

⑸全部测量实现数字式直读

指针式万用表尽管刻画了多条刻度线，也不能对所有挡进行直接读数，需要使用者进行换算、小数点定位，易出差错。

特别是电阻挡的刻度，既反向读数（由大到小）又是非线性刻度，还要考虑挡的倍乘。

而数字万用表则没有这些问题，换挡时小数点自动显示，所有测量挡都可以直接读数，不用换算、倍乘。

⑹自动调零

由于采用了自动调零电路，数字万用表校准好以后使用时无需调校，比指针式万用表方便许多。

⑺抗过载能力强

数字万用表具备比较完善的保护电路，具有较强的抗过压过流的能力。

当然，数字万用表也有一些弱点，如：

⑴测量时不象指针式仪表那样能清楚直观地观察到指针偏转的过程，在观察充放电等过程时不够方便。

不过有些新型数字表增加了液晶显示条，能模拟指针偏转，弥补这一不足。

⑵数字万用表的量程转换开关通常与电路板是一体的，触点容量小，耐压不很高，有的机械强度不够高，寿命不够长，导致用旧以后换挡不可靠。

⑶一般数字万用表的V/Ω挡公用一个表笔插孔，而A挡单独用一个插孔。

使用时应注意根据被测量调换插孔，否则可能造成测量错误或仪表损坏。

2.数字万用表的基本组成

图

（1）　数字万用表的基本组成

除了图

（1）中的基本组成部分之外，数字万用表通常还有蜂鸣器电路、二极管检测电路、三极管hFE测量电路、低电压指示电路等（如DT830A型）。

有的表还设有电容测量电路、温度测量电路、自动延时关机电路等（如DT890C+、M890D、KT105等型号）。

更新型的还有电感、频率测量电路（如DT930F+、KT102、VC9808等型号）。

[本实验只研究数字万用表的基本组成部分]

3.模数（A/D）转换与数字显示电路

常见的物理量都是幅值（大小）连续变化的所谓模拟量（模拟信号）。

指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。

而对数字式仪表，需要把模拟电信号（通常是电压信号）转换成数字信号，再进行显示和处理（如存储、传输、打印、运算等）。

数字信号与模拟信号不同，其幅值（大小）是不连续的。

就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值。

就象人站在楼梯上时，人站的高度只能是某些分立的数值一样。

这种情况被称为是“量化的”。

若最小量化单位（量化台阶）为Δ，则数字信号的大小一定是Δ的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。

但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换（译码）后由数码管或液晶屏显示出来。

例如，设Δ＝0.1mV，我们把被测电压U与Δ比较，看U是Δ的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N（二进制）。

然后，把N变换为十进制七段显示码显示出来。

能准确得到并被显示出来的N是有限的，一般情况下，N≥１000即可满足测量精度要求（量化误差≤１/1000=0.1％）。

所以，最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半（

）数字表。

对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV为单位的被测电压U的大小。

如：

U是Δ（0.1mV）的1234倍，即N=1234，显示结果为123.4（mV）。

这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示－199.9～199.9mV的电压，显示精度为0.1mV。

由上可见，数字测量仪表的核心是模/数（A/D）转换、译码显示电路。

A/D转换一般又可分为量化、编码两个步骤。

有关A/D转换、编码、译码的详尽理论超出了本实验所要求的范围，感兴趣的同学可参阅有关专业教材。

以上所述的A/D转换及数字显示已是很成熟的电子技术，且已经制成大规模集成电路，一般的仪器仪表生产者、使用者只要知道该类集成电路的管脚及特性，就能使用了。

本实验使用的DM-I型数字万用表设计性实验仪，其核心是一个三位半数字表头，它由数字表专用A/D转换译码驱动集成电路和外围元件、LED数码管构成。

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３个小数点驱动输入端。

4.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。

图（２）分压电路原理图（３）多量程分压器原理

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挡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200mV、2V、20V、200V和2000V。

采用图３的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程挡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，实际数字万用表的直流电压挡电路为图（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挡的分压比为

其余各挡的分压比可同样算出，请同学们自己计算。

图（４）　实用分压器电路

实际设计时是根据各挡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挡的电阻

　　　R5=0.0001R总=1k

再逐挡计算R4、R3、R2、R1（详见数据处理部分）。

尽管上述最高量程挡的理论量程是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，多刀量程转换开关可以根据挡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。

5.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５，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，欲使电流挡量程为I0，则该挡的取样电阻（也称分流电阻）为

　　　　　　　R=U0/I0

如U0=200mV，则I0=200mA挡的分流电阻为R=1Ω。

图（５）　电流测量原理　　　　　　　　　图（６）　多量程分流器电路

多量程分流器原理电路见图（６）。

FUSE

图（６）中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换挡开关接触不良时，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挡电路为图７所示。

图（７）中各挡分流电阻的阻值是这样计算的：

先计算最大电流挡的分流电阻R5

再计算下一挡的R4

依次可计算出R3、R2和R1，请同学们自己练习。

　　图（７）　实用分流器电路

图中的FUSE是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，起过流保护得作用。

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挡测量时，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，甚至损坏仪表。

6.

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（８）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，用来对交流电压挡进行校准之用。

调整该电位器可使数字表头的显示值等于被测交流电压的有效值。

同直流电压挡类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高挡的量限通常限定为750V（有效值）。

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

7．电阻测量电路

数字万用表中的电阻挡采用的是比例测量法，其原理电路见图９。

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挡。

如对200Ω挡，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挡，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。

（其余各挡道理相同，同学们可自行推演。

）

数字万用表多量程电阻挡电路见图10。

由上分析可知，

　　R1＝R01=100Ω

　　R2＝R02－R01＝1000－100＝900Ω

　　R3＝R03－R02＝10k－1k＝9k

　　……

图10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，以防误用电阻挡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、内容与步骤

1.设计制作多量程直流数字电压表

（1）组装直流数字电压表：

使用电路单元：

三位半数字表头，直流电压校准，直流电压电流，分压器1。

按图（11）接线，参考电压VREF输入端接直流电压校准电位器。

（2）校准电压表头：

用一只成品数字万用表（称为标准表）置于直流电压20V量程进行监测，调节直流电压电流单元电路中电位器，使之输出一150--200mV左右的校准电压，然后将标准表表笔（输入）与组装表表笔并联，均置于直流电压200mV挡，测量直流电压电流单元输出电压，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）。

（3）绘制组装表的电压校准曲线：

调节直流电压电流单元电路中电位器，使之分别输出20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、120mV、140mV、160mV、180mV的直流电压。

将标准数字万用表表笔与组装表表笔（输入）并联，标准表、组装表均置于直流电压200mV挡，同时测量直流电压电流单元输出电压，列表记录之。

并绘出组装表的电压校准曲线（关于绘制电表校准曲线请同学参考《大学物理实验》讲义第一册42页的有关介绍）。

（4）用自制电压表测直流电压（选做）

a.测量5号电池的端电压（标称值1.5V）

b.测量6F22电池的端电压（标称值9V）

c.测量DM-I实验仪上的待测直流电压：

调节“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。

将电流“I”两端连通，构成电流回路，电路中的LED可能会发光，可以观测电压“V”对发光状态的影响

d.测量光电池的端电压：

将电压表连接于光电池的两端，改变光照的强度，观察电压的变化情况

图（11）

2.设计制作多量程交流数字电压表

（1）组装多量程交流数字电压表：

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），分压器1，

量程转换与测量输入。

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⑴并校准

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。

（2）交流电压校准：

用标准表置于交流电压20V量程进行监测，接通交流电压电流单元电路，使之输出一150--200mV左右的交流电压。

然后将标准表表笔与组装表表笔并联，均置于交流电压200mV挡，测量交流电压电流单元输出电压，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）。

（3）绘制组装表交流2V档的电压校准曲线：

接通交流电压电流单元电路，使之分别输出0.2V、0.4V、0.6V、0.8V、1.0V、1.2V、1.4V、1.6V、1.8V的交流电压。

将标准数字万用表表笔与组装表表笔（输入）并联，标准表、组装表均置于交流电压2V挡，同时测量交流电压电流单元输出电压，列表记录之。

并绘出组装表交流2V档的电压校准曲线。

（4）用自制交流电压表测电压（选做）

a.测量待测“交流电压电流”单元中的V，此电压为内部电源变压器的次级电压。

b.测量灯泡电压：

将待测交流电流I连通（短路），小灯泡可能会发亮。

调整限流电位器，灯泡亮度会随之变化。

测量灯泡两端的电压，观察其与灯泡亮度之间的关系。

c.测量市电（标称值～220V）的电压（注意安全，务必在教师指导下进行）。

3.计制作多量程直流数字电流表（不做）

（1）同内容1中的⑴，先制成200mV直流数字电压表头并将其校准（实验中若能避免破坏原先已校准好的表头，可省去这一步）。

（2）制成多量程直流数字电流表

使用电路单元：

三位半数字表头，直流电压校准，分流器1或分流器2，电流挡保护电路，量程转换与测量输入。

按图6（用分流器2）或图7（用分流器1）接线，“动片2”作为量程转换开关，“动片1”作为控制小数点显示的开关，自己设计连线。

（3）用自制电流表测直流电流

a.测LED的电流：

将电流表串接在待测直流电流I电路中，调节电位器可观察到电流的大小、极性的变化以及LED发光情况的相应变化，作适当记录。

b.测光电池的输出电流：

将电流表连接到光电池两端，观察输出光电流随光照强度变化的情况。

4.设计制作多量程交流数字电流表（不做）

（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。

～

⑵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I，小灯泡可能会发亮。

调整限流电位器，灯泡亮度会随之变化。

观察电流强度与灯泡亮度之间的关系。

5.设计制作多量程数字电阻表（不做）

⑴制作

使用电路单元：

三位半数字表头，电阻挡基准电压，分挡电阻器，电阻挡保护电路，量程转换与测量输入。

参照图10电路，连接成比例式多量程数字电阻表，“动片2”作为量程转换开关，“动片1”作为控制小数点显示的开关，自己设计连线。

⑵用多量程数字电阻表测量电阻

a.测量固定电阻器的阻值；

b.测量可变电阻器（电位器）的阻值范围，观察其变化是否线性；

c.测量光敏电阻器的阻值，观察其阻值随光照强度的变化情况；

d.测量热敏（NTC）电阻器的阻值，观察其阻值随温度的变化情况；

e.测量晶体管管脚之间的正反向电阻，观测P-N结的单向导电性。

五、注意事项

1.实验时应当“先接线，再通电；先断电，再拆线”，通电前应确认接线无误，避免短路。

2.即使加有保护电路，也应注意不要用电流挡或电阻挡测量电压，以免造成不必要的损失。

3.当数字表头最高位显示“1”（或“-1”）而其余位都不亮时，表明输入信号过大，即超量程。

此时应尽快换大量程挡或减小（断开）输入信号，避免长时间超量程。

4.自锁紧插头插入时不必太用力就可接触良好，拔出时应手捏插头旋转一下就可轻易拔出，避免硬拔硬拽导线，拽断线芯。