实验十多功能数字电表和万用表的设计部份.docx

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实验十多功能数字电表和万用表的设计部份

12级电科专业《专业实验》安排表（2015下半年）

内容

班级

太阳能电池特性研究

黄瑞强

PN结特性

叶会亮

导热系数

罗飞

二阶电路

邹文强

电源特性

邹文强

声光电路

黄瑞强

数字万用表

刘燕勇

光电传感器

刘志勇

电科121

12周3

202

8周3

101

11周3

205

9周3

103

16周3

103

15周3

207

13周3

205

10周3

303

电科122

13周3

202

9周3

101

12周3

205

8周3

103

15周3

103

16周3

207

14周3

205

11周3

303

说明：

14周3（上课时刻为第14周礼拜3；上课地址为物理实验室103教室。

）

103

每一时刻段实验为4学时，下午上课时刻：

14:

30-17:

30

每次实验上课前需认真预习相关实验内容并写好预习报告

每位学生预备8张16开实验报告纸，8张32开原始记录纸。

讲义份数：

导热系数？

份,电源特性？

份,声光电路？

份。

所开设实验的房间治理由列位教师自己承担。

理学院物理实验室

2015.09.06

实验十多功能数字电表和万用表的设计

数字电表以它显示直观、准确度高、分辨率强、功能完善、性能稳固、体积小易于携带等特点在科学研究、工业现场和生产生活中取得了普遍应用。

数字电表工作原理简单，完全能够让同窗们明白得并利用这一工具来设计对电流、电压、电阻、压力、温度等物理量的测量，从而提高大伙儿的动手能力和解决问题能力。

【实验目的】

一、了解数字电表的大体原理及经常使用双积分模数转换芯片外围参数的选取原那么、电表的校准原那么和测量误差来源。

二、了解万用表的特性、组成和工作原理。

3、把握分压、分流电路的原理和设计对电压、电流和电阻的多量程测量。

4、了解交流电压、三极管和二极管相关参数的测量。

五、通过数字电表原理的学习，能够在传感器设计中灵活应用数字电表。

【实验仪器】

一、DH6505数字电表原理及万用表设计实验仪。

二、四位半通用数字万用表。

（自备）

3、示波器。

（自备）

4、ZX25a电阻箱。

（自备）

【实验原理】

一、数字电表原理

常见的物理量都是幅值大小持续转变的所谓模拟量，指针式仪表能够直接对模拟电压和电流进行显示。

而对数字式仪表，需要把模拟电信号（一般是电压信号）转换成数字信号，再进行显示和处置。

数字信号与模拟信号不同，其幅值大小是不持续的，确实是说数字信号的大小只能是某些分立的数值，因此需要进行量化处置。

假设最小量化单位为

，那么数字信号的大小是

的整数倍，该整数能够用二进制码表示。

设

，咱们把被测电压

与

比较，看

是

的多少倍，并把结果四舍五入取为整数

（二进制）。

一样情形下，

≥1000即可知足测量精度要求（量化误差≤1/1000=0.1%）。

因此，最多见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半（31/2）数字表。

如：

是

）的1861倍，即

=1861，显示结果为186.1（

。

一、双积分模数转换器（ICL7107）的大体工作原理

双积分模数转换电路的原理比较简单，当输入电压为Vx时，在一按时刻T1内对电量为零的电容器C进行恒流（电流大小与待测电压Vx成正比）充电，如此电容器两极之间的电量将随时刻线性增加，当充电时刻T1到后，电容器上积存的电量Q与被测电压Vx成正比；然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref成正比），如此电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。

因此，能够得出T2也与Vx成正比。

若是用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，终止时刻停止计数，取得计数值N2，那么N2与Vx成正比。

双积分AD的工作原理确实是基于上述电容器充放电进程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比组成的。

此刻咱们以实验中所用到的3位半模数转换器ICL7107为例来讲述它的整个工作进程。

ICL7107双积分式A/D转换器的大体组成如图1所示，它由积分器、过零比较器、逻辑操纵电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所组成。

下面要紧讲一下它的转换电路，大致分为三个时期：

第一时期，第一电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器C上积存的电量，然后参考电容Cref充电到参考电压值Vref，同时反馈环给自动调零电容CAZ以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的偏置电压。

那个时期称为自动校零时期。

第二时期为信号积分时期（采样时期），在现在期Vs接到Vx上使之与积分器相连，如此电容器C将被以恒定电流Vx/R充电，与此同时计数器开始计数，当计到某一特定值N1（关于三位半模数转换器，N1=1000）时逻辑操纵电路

使充电进程终止，如此采样时刻T1是必然的，假设时钟脉冲为TCP，那么T1=N1*TCP。

在现在期积分器输出电压Vo=-Qo/C（因为Vo与Vx极性相反），Qo为T1时刻内恒流（Vx/R）给电容器C充电取得的电量，因此存在下式：

Qo=

=

（1）

Vo=-

=-

（2）

图1双积分AD内部结构图

图2积分和反积分时期曲线图

第三时期为反积分时期（测量时期），在现在期，逻辑操纵电路把已经充电至

的参考电容

按与

极性相反的方式经缓冲器接到积分电路，如此电容器C将以恒定电流

放电，与此同时计数器开始计数，电容器C上的电量线性减小，当通过时刻T2后，电容器电压减小到0，由零值比较器输出闸门操纵信号再停止计数器计数并显示出计数结果。

现在期存在如下关系：

Vo+

=0（3）

把

（2）式代入上式，得：

T2=

Vx（4）

从（4）式能够看出，由于T1和Vref均为常数，因此T2与Vx成正比，从图2能够看出。

假设时钟最小脉冲单元为

那么

，

，代入（4），

即有：

N2=Vx（5）

能够得出测量的计数值N2与被测电压Vx成正比。

关于ICL7107，信号积分时期时刻固定为1000个

即N1的值为1000不变。

而N2的计数随Vx的不同范围为0～1999，同时自动校零的计数范围为2999～1000，也确实是测量周期总维持4000个

不变。

即满量程时N2max=2000=2*N1,因此Vxmax=2Vref，如此假设取参考电压为100mV，那么最大输入电压为200mV；假设参考电压为1V，那么最大输入电压为2V。

关于ICL7107的工作原理那个地址咱们再也不多说，以下咱们要紧讲讲它的引脚功能和外围元件参数的选择，让同窗们学会利用该芯片。

二、ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择

图3ICL7107芯片引脚图

图4ICL7107和外围器件连接图

图4ICL7107芯片的引脚图

如图3所示，它与外围器件的连接图如图4所示。

图4中它和数码管相连的脚和电源脚是固定的，因此不加详述。

芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第36脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端；Cint和Rint别离为积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，用示波器接在第27脚能够观测到前面所述的电容充放电进程，该脚对应实验仪上示波器接口Vint；电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚能够用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时刻（因为测量周期总维持4000个Tcp不变）和测量的精度。

下面咱们来分析一下这些参数的具体作用：

Rint为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来概念的，关于ICL7107，充电电流的常规值为Iint=4uA，那么Rint=满量程/4uA。

因此在满量程为200mV，即参考电压Vref=0.1V时，Rint=50K,实际选择47K电阻；在满量程为2V，即参考电压Vref=1V时，Rint=500K,实际选择470K电阻。

Cint=T1*Iint/Vint,一样为了减小测量时工频50HZ干扰，T1时刻通常选为0.1S，具体下面再分析，如此又由于积分电压的最大值Vint=2V，因此：

Cint=0.2uF,实际应用当选取0.22uF。

关于ICL7107，38脚输入的振荡频率为：

f0=1/（2.2*R1*C1），而模数转换的计数脉冲频率是f0的4倍，即Tcp=1/（4*f0），因此测量周期T=4000*Tcp=1000/f0，积分时刻（采样时刻）T1=1000*Tcp=250/fo。

因此fo的大小直接阻碍转换时刻的快慢。

频率过快或过慢都会阻碍测量精度和线性度，同窗们能够在实验进程中通过改变R1的值同时观看芯片第40脚的波形和数码管上显示的值来分析。

一样情形下，为了提高在测量进程中抗50HZ工频干扰的能力，应使A/D转换的积分时刻选择为50HZ工频周期的整数倍，即T1=n*20ms,考虑到线性度和测试成效，咱们取T1=Ω。

实验中为了让同窗们更好的明白得时钟频率对A/D转换的阻碍，咱们让R1能够调剂，该调剂电位器确实是实验仪中的电位器RWC。

3、用ICL7107A/D转换器进行常见物理参量的测量

图5图6

（1）直流电压测量的实现（直流电压表）

Ⅰ:

当参考电压Vref=100mV时，Rint=47KΩ。

现在采纳分压法实现测量0～2V的直流电压,电路图见图5。

Ⅱ:

直接使参考电压Vref=1V，Rint=470KΩ来测量0～2V的直流电压，电路图如图6。

（2）直流电流测量的实现（直流电流表）

直流电流的测量通常有两种方式，第一种为欧姆压降法，如图7所示，即让被测电流流过必然值电阻Ri，然后用200mV的电压表测量此定值电阻上的压降Ri*Is（在Vref=100mV时，保证Ri*Is≤200mV就行），由于对被测电路接入了电阻，因此此测量方式会对原电路有阻碍，测量电流变成Is’=R0*Is/（R0+Ri）,因此被测电路的内阻越大，误差将越小。

第二种方式是由运算放大器组成的I-V变换电路来进行电流的测量，此电路对被测电路的无阻碍，可是由于运放自身参数的限制，因此只能够用在对小电流的测量电路中，因此在那个地址就再也不详述。

图7

（3）电阻值测量的实现（欧姆表）

Ⅰ:

当参考电压选择在100mV时，现在选择Rint=47KΩ，测试的接线图如图8所示，图中Dw是提供测试基准电压，而Rt是正温度系数（PTC）热敏电阻，既能够使参考电压低于100mV，同时也能够避免误测高电压时损坏转换芯片，因此必需知足Rx=0时，Vr≤100mV。

由前面所讲述的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）

由前述理论N2/N1=IN/Vr有：

Rx=（N2/N1）*Rs（8）

因此从上式能够得出电阻的测量范围始终是0～2RsΩ。

Ⅱ:

当参考电压选择在1V时，现在选择Rint=470KΩ，测试电路能够用图9实现，此电路仅供有爱好的同窗参考，因为它不带爱惜电路，因此必需保证Vr≤1V。

在进行多量程实验时（万用表设计实验），为了设计方便，咱们的参考电压都将选择为100mV，除比例法测量电阻咱们使Rint=470KΩ和在进行二极管正向导通压降测量时也使Rint=470KΩ而且加上1V的参考电压。

图8图9

二、数字万用表设计

经常使用万用表需要对交直流电压、交直流电流、电阻、三极管

和二极管正向压降的测量等，图10为万用表测量大体原理图。

下面咱们要紧讲讲提到的几种参数的测量：

图10数字万用表大体原理图

本实验利用的DH6505型数字电表原理及万用表设计实验仪，它的核心是由双积分式模数A/D转换译码驱动集成芯片ICL7107和外围元件、LED数码管组成。

为了同窗们能更好的明白得其工作原理，咱们在仪器中预留了9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（Vr+、Vr-）、3个小数点驱动输入端（dp一、dp2和dp3）和模拟公共端（COM）和地端（GND）。

一、直流电压量程扩展测量

在前面所述的直流电压表前面加一级分压电路（分压器），能够扩展直流电压测量的量程。

如图11所示，电压表的量程Uo为200

，即前面所讲的参考电压选择100mV时所组成的直流电压表，

为其内阻（如10

），

、

为分压电阻，Ui为扩展后的量程。

图11分压电路原理图12多量程分压器原理

由于r>>r2，因此分压比为

扩展后的量程为

多量程分压器原理电路见图12，无档量程的分压比别离为一、0.一、0.0一、0.001和0.0001，对应的量程别离为200

、2

、20

、200

和2000

。

采纳图12的分压电路（见实验仪中的分压器b）尽管能够扩展电压表的量程，但在小量程档明显降低了电压表的输入阻抗，这在实际应用中是行不通的。

因此，实际通用数字万用表的直流电压档分压电路（见实验仪中的分图13有效分压器原理

压器a）为图13所示，它能在不降低输入阻抗

（大小为R//r，R=R1+R2+R3+R4+R5）的情形下，达到一样的分压成效。

例如：

其中20

档的分压比为：

其余各档的分压比也可照此算出。

实际设计时是依照各档的分压比和和考虑输入阻抗要求所决定的总电阻来确信各分压电阻的。

第一确信总电阻：

R=R1+R2+R3+R4+R5=10M

再计算2000

档的分压电阻：

R5=0.0001R=1K

然后200V档分压电阻：

R4=9K

如此依次逐档计算R3、R2和R1。

尽管上述最高量程档的理论量程是2000

，但通常的数字万用表出于耐压和平安考虑，规定最高电压量限为1000

。

由于只重在把握测量原理，因此咱们不提倡大伙儿做高电压测量实验。

在转换量程时，波段转换开关能够依照档位自动调整小数点的显示。

同窗们能够自行设计这一实现进程，只要对应的小数位dp一、dp2或dp3插孔接地就能够够实现小数点的点亮。

二、直流电流量程扩展测量（参考电压100mV）

测量电流的原理是：

依照欧姆定律，用适合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14，由于电压表内阻r>>R，∴取样电阻

上的电压降为：

图14电流测量原理图15多量程分流器电路

假设数字表头的电压量程为Uo，欲使电流档量程为Io，那么该档的取样电阻（也称分流电阻）Ro=

。

假设

=200mV，那么

=200mA档的分流电阻为

。

多量程分流器原理电路见图15。

图9中的分流器（见实验仪中的分流器b）在实际利用中有一个缺点，确实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，因此，实际数字万用表的直流电流档

图16有效分流器原理

电路（见实验仪中的分流器a）为图16所示。

图16中各档分流电阻的阻值是如此计算的：

先计算最大电流档的分流电阻

：

同理下一档的

为：

如此依次能够计算出R3、R2和R1的值。

图16中的FUSE是2A保险丝管，起到过流爱惜作用。

两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、D2

内，爱惜仪表不被损坏。

用2A档测量时，假设发觉电流大于1A时，应尽可能减小测量时刻，以避免大电流引发的较高温升而阻碍测量精度乃至损坏电表。

3、交流电压、交流电流测量（参考电压100mV）

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，在分压器或分流器以后加入了交直流转换电路，即AC-DC变换电路，具体电路图见图17。

该AC-DC变换器要紧由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波器等组成，电位器RW用来调整输出电压高低，用来对交流电压档进行校准之用，使数字表头的显示值等于被测交流电压的有效值。

实验仪顶用图18所示的简化图代替。

同直流电压档类似，出于对耐压、平安方面的考虑，交流电压最高级的量限通常限定为750

（有效值）。

图17交直流电压转换电路

图18交直流电压转换简图

4、电阻测量电路（参考电压0～1V）

数字万用表中的电阻档采纳的是比例测量法，其原理电路图见前面的图8，测量时咱们拨动拨位开关K1-1，使Rint=470K，使参考电压的范围为0～1V。

如前所述：

Rx=（N2/N1）*Rs

N2=1000*Rx/Rs

当Rx=Rs时，数字显示将为1000，假设选择相应的小数点位就能够够实现电阻值的显示。

假设组成200Ω档，取Rs=100Ω,ΩΩ；假设组成2KΩ档，取Rs=1KΩ，ΩΩ；其它档类推。

数字万用表多量程电阻档电路如图10所示，由上述分析给电阻参数的选择如下：

R1=100Ω

R2=1000-R1=900Ω

R3=10K-R1-R2=9KΩ

R4=100K-R1-R2-R3=90KΩ

R5=1000K-R1-R2-R3-R4=900KΩ

图19中由正温度系数（PTC）热敏电阻

与

图19

晶体管

组成了过压爱惜电路，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

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烧，其阻值迅速增大，从而限制了电流的增加，使

的击穿电流不超过许诺范围。

即

只是处于软击穿状态，可不能损坏，一旦解除误操作，Rt和

都能恢复正常。

五、三极管参数hFE的测量（参考电压100mV）

测量NPN管的hFE大小的电路如图20所示，三极管的固定偏置电阻由R37和R39组成，调整R37可使基极电流IB=10uA，R42为取样电阻，如此输入直流电压表的电压为：

图19多档电阻测试图

Vin=VXNO≈hFE*IB*R42=hFE*10uA*10ΩFE（mV）

假设表头为200mV的量程，那么理论上测量范围为0～1999，但为了不显现较大误差，实际测量范围限制在0～1000之间，测量进程中能够让小数点消隐（即不点亮）。

测量PNP管的hFE大小的电路如图21所示,原理和测量NPN管的hFE大小一样，因此再也不赘述。

测量hFE时需注意以下事项：

（1）仅适用于测量小功率晶体管。

这是因为测试电压较低同时测试电流较小的缘故。

倘假设去测大功率晶体管，测量的结果就与典型值差专门大。

（2）当Vin≥200mV时，仪表将显示过载，应该当即停止测量。

图20NPN管测试电路图21PNP管测试电路

六、二极管正向压降的测量（参考电压1V）

进行二极管正向压降测试的电路图如图22，+5V通过R36,PTC向二极管提供5V的测试电压，使二极管D9导通，测试电流（即二极管正向工作电流）If≈1mA，导通压降Vf输入到IN+和IN-端，由于Vf的大小一样在0～2V之间，因此咱们能够选择参考电压为1V，现在通过拨位开关选择Rint=470KΩ，如此能够直接测出Vf的值。

若是想用200mV档测试，必需要对Vf分压才行，请同窗们自己分析。

图22二极管正向压降测试图

【实验内容与步骤】

一、实验仪组成简介

图23DH6505实验仪的面板结构图

DH6505数字电表原理及万用表设计实验仪的面板结构图如图23所示，下面咱们讲该模块的功能。

一、ICL7107模数转换及其显示模块，如图23中标示的“1”。

二、量程转换开关模块，如图23中标示的“2”。

3、交流电压电流模块，提供交流电压和电流，通过模块中的电位器进行调剂。

4、直流电压电流模块，提供直流电压和电流，通过模块中的电位器进行调剂。

五、待测元件模块，提供二极管、电阻、NPN三极管和PNP三极管各一个。

六、AD参考电压模块，提供模数转换器的参考电压，通过模块中的电位器进行调剂。

7、参考电阻模块，提供可调参考电阻和可调待测电阻各一个。

八、交直流电压转换模块，把交流电压转换成直流电压，模块中有电位器进行调整。

九、电阻档爱惜模块，避免过压损坏仪器。

10、电流档爱惜模块，避免过流。

1一、NPN三极管测量模块、PNP三极管测量模块、二极管测量模块。

1二、量程扩展分压器a、b，分流器a、b，和分档电阻模块。

二、数字电表原理实验

◆直流电压的测量

（1）200mV档量程的校准

图24直流电压测量接线图

一、拨动拨位开关K1-2到ON，其他到OFF，使Rint=47KΩ（注：

拨位开关K1和K2，拨到上方为ON，拨到下方为OFF。

）。

调剂AD参考电压模块中的电位器，同时用万用表200mV档测量其输出电压值，直到万用表的示数为100mV为止。

二、调剂直流电压电流模块中的电位器，同时用万用表200mV档测量该模块电压输出值，使其电压输出值为0-199.9mV的某一具体值（如：

150.0mV）。

3、拨动拨位开关K2-3到ON，其他到OFF，使对应的ICL7107模块中数码管的相应小数点点亮，显示XXX.X。

4、按图24方式接线。

供电，调剂模数转换及其显示模块中的电位器RWC，使外部频率计的读数为40kHZ或示波器测量的积分时刻T1为0.1S（缘故在前实验原理中已述）。

五、观看ICL7107模块数码管显示是不是为前述0-199.9mV中那一具体值（如：

150.0mV）。

假设有些许不同，略微调整AD参考电压模块中的电位器使模块显示读数为前述那一具体值（如：

150.0mV）。

六、调剂电位器RWC改变时钟频率，观看模块中数字显示的转变情形和示波器所观看到的频率和T1的转变情形，从而明白得和熟悉时钟频率的转变对转换结果的阻碍。

7、重复步骤4，使T1=0.1S，注意以后不要再调整电位器RWC。

八、调剂直流电压电流V、……20.0mV、0mV；并同时记录下万用表所对应的读数。

再以模块显示的读数为横坐标，以万用表显示的读数为纵坐标，绘制校准曲线。

9、假设输入的电压大于200mV，请先采纳分压电路并改变对应的数码管在进行，请同窗们自行设计实验。

注意在测量高电压时，务必在测量前确信线路连接正确，幸免伤亡事故。

（2）2V档量程校准

一、拨动拨位开关K1-1到ON，其他到OFF，使Rint=470KΩ。

调剂AD参考电压模块中的电位器，同时用万用表2V档测量其输出电压值，直到万用表的示数为1.000V为止。

二、调剂直流电压电流模块中的电位器，同时用万用表2V档测量该模块电压输出值，使其电压输出值为0-1.999V的某一具体值（如：

1.500V）。

4、按图24方式接线。

供电，调剂模数转换及其显示模块中的电位器RWC，使外部频率计的读数为40kHZ或示波器测量的积分时刻T1为0.1S（缘故在前实验原理中已述），此步骤假设先前已调好，能够跳过。

五、观看ICL7107模块数码管显示是不是为0-1.999V中的前述的那某一具体值（如：

1.500V）。

假设有些许不同，略微调整AD参考电压模块中的电位器使模块显示读数为前述那一具体值（如：

1.500V）。

六、调剂直流电压电流V、……0.020V、0V；并同时记录下万用表所对应的读数。

再以模块显示的读数为横坐标，以万用表显示的读数为纵坐标，绘制校准曲线。

*假设输入的电压大于2V，请先采纳分压电路并改变对应的数码管小数点位后再进行实验，请同窗们自行设计实验。

多量程扩展实验将在后面进行