數(shù)字萬用表原理

1、數(shù)字萬用表姓名：XXX 學號：XXXXXX 專業(yè)：08電子信息工程X班數(shù)字萬用表DMM(Dital MultiMeter)采用大規(guī)模集成電路和液晶數(shù)字顯示技術，具有結構簡單、測量精度高、輸入阻抗高、顯示直觀、過載能力強、功能全、耗電省、自動量程轉換等優(yōu)點，許多數(shù)字萬用表還帶有測電容、頻率、溫度等功能。本課題的主要內容是理解DT-830型數(shù)字萬用表的基本結構和原理，通過數(shù)字萬用表的組裝與調試，培養(yǎng)電子產(chǎn)品安裝測試技能。萬用表的概述 數(shù)字萬用表是采用集成電路模/數(shù)轉換器和液晶顯示器，將被測量的數(shù)值直接以數(shù)字形式顯示出來的一種電子測量儀表。1.數(shù)字萬用表的組成數(shù)字萬用表是在直流數(shù)字電壓表的基礎上擴展

2、而成的。為了能測量交流電壓、電流、電阻、電容、二極管正向壓降、晶體管放大系數(shù)等電量，必須增加相應的轉換器，將被測電量轉換成直流電壓信號，再由A/D轉換器轉換成數(shù)字量，并以數(shù)字形式顯示出來。它由功能轉換器、A/D轉換器、LCD顯示器、電源和功9能/量程轉換開關等構成。常用的數(shù)字萬用表顯示數(shù)字位數(shù)有三位半、四位半和五位半之分。對應的數(shù)字顯示最大值分別為1999，19999和199999，并由此構成不同型號的數(shù)字萬用表。2.數(shù)字萬用表的面板(1)液晶顯示器:顯示位數(shù)為四位，最大顯示數(shù)為±1999，若超過此數(shù)值，則顯示1或-1。(2)量程開關:用來轉換測量種類和量程。(3)電源開關:開關撥至

3、"ON"時，表內電源接通，可以正常工作；"OFF"時則關閉電源。(4)輸入插座:黑表筆始終插在"COM"孔內。紅表筆可以根據(jù)測量種類和測量范圍分別插入"V· "、"mA"、"10A"插孔中。1模數(shù)轉換與數(shù)字顯示電路常見的物理量都是幅值連續(xù)變化的所謂模擬量。指針式儀表可以直接對模擬電壓、電流進行顯示，而對數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號轉換成數(shù)字信號,再進行顯示和處理。數(shù)字信號與模擬信號不同，其幅值是不連續(xù)的。就是說數(shù)字信號的大小只能是某些分立的數(shù)值。若最小量化單位為，則

4、數(shù)字信號的大小一定是的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進制數(shù)碼表示，但為了能直觀地讀出信號大小的數(shù)值，需經(jīng)過數(shù)碼變換后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來。例如，設0.1mV，把被測電壓U與比較，看U是的多少倍，并把結果四舍五入取為整數(shù)N。然后，把N變換成顯示碼顯示出來。能準確得到并被顯示出來的N是有限的，一般情況下，N1000即可滿足測量精度要求。所以，最常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為1999，被稱為三位半數(shù)字表。對上述情況，把小數(shù)點定在最末位之前，顯示出來的就是以mV為單位的被測電壓U的大小。如：U是（0.1mV）的1234倍，即N=1234，顯示結果為123.4（mV）。這樣的數(shù)字表頭，再加上電壓極性判別顯示電路

5、，就可以測量顯示199.9199.9mV的電壓，顯示精度為0.1mV。由上可見，數(shù)字測量儀表的核心是模/數(shù)轉換、譯碼顯示電路。A/D轉換一般又可分為量化、編碼兩個步驟。A/D轉換及數(shù)字顯示已是很成熟的電子技術，且已經(jīng)制成大規(guī)模集成電路。2直流電壓測量電路在數(shù)字電壓表頭前面加一級分壓電路，可以擴展直流電壓測量的量程。如圖2-1所示，U0為數(shù)字電壓表頭的量程（如200mV），r為其內阻（如10M），r1、r2為分壓電阻，Ui0為擴展后的量程。由于r >> r2，所以分壓比為 （2-1）擴展后的量程為 （2-2）10M99k9k1M1k數(shù)字電壓表200mV200V20V2VUi2000V

6、IN+IN數(shù)字電壓表r1rrU0Ui0圖 2-1分壓電路原理 圖 2-2多量程分壓器原理多量程分壓器原理電路見圖2-2，53直流電流測量電路測量電流的原理是：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2-3，由于r>>R，取樣電阻R上的電壓降為Ui=RIi ，即被測電流Ii=Ui/R,若數(shù)字表頭的電壓量程為U0，欲使電流檔量程為I0，則該檔的取樣電阻為R=U0/I0 。如U0=200mV，則I0=200mA檔的分流電阻為R=1。1k101100數(shù)字電壓表2A2mA20mA200mAUi200AIN+IN0.1Ii數(shù)字電壓表IN+INR UiIi圖2-

7、3電流測量原理 圖2-4多量程分流器電路多量程分流器原理電路見圖2-4。實際數(shù)字萬用表的直流電流檔電路為圖2-5所示。數(shù) 字電壓表0.10.9990900R5R4R3R2R1IN+IN2A200mA20mA2mA200AD1D2FUSE FUSEFUSEIiUi圖2-5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R5， （2-3）再計算下一檔的， （2-4） 依次可計算出R3、R2和R1 分別為9、90、900。圖中的FUSE是2A保險絲管，電流過大時會快速熔斷，起過流保護作用。兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管D1、D2為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過壓保護作用。正常測

8、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，兩端電壓被限制住，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，應不使測量時間超過20秒，以避免大電流引起的較高溫升影響測量精度甚至損壞儀表。4交流電壓、電流測量電路A交流電壓輸入直流電壓輸出圖2-6 AC-DC變換器原理交流電壓校準數(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一級交流-直流變換器，圖2-6為其原理簡圖。 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，還包含一個能調整輸出電壓高低的電

9、位器，用來對交流電壓檔進行校準之用。調整該電位器可使數(shù)字表頭的顯示值等于被測交流電壓的有效值。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750V。數(shù)字萬用表交流電壓、電流檔適用的頻率范圍通常為40400Hz，有些型號的交流檔測量頻率可達1000Hz。5電阻測量電路RxIN+ZDA/D轉換及數(shù)字表頭R0IN-VREF+VREFUREFUIN圖2-7電阻測量數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例測量法，其原理電路見圖2-7。穩(wěn)壓管ZD提供測量基準電壓，流過標準電阻R0和被測電阻Rx的電流基本相等。所以A/D轉換器的參考電壓UREF和輸入電壓UIN有如下關系： (2-5)

10、即 (2-6)根據(jù)所用A/D轉換器的特性可知，數(shù)字表顯示的是UIN與UREF的比值，當UINUREF時顯示“1000”，UIN0.5UREF時顯示“500”，以此類推。所以，當RxR0時，表頭將顯示“1000”，當Rx0.5R0時顯示“500”，這稱為比例讀數(shù)特性。因此，我們只要選取不同的標準電阻并適當?shù)貙π?shù)點進行定位，就能得到不同的電阻測量檔。如對200檔，取R01=100，小數(shù)點定在千位上。當Rx變化時，顯示值相應變化，可以從0.001k測到1.999k。數(shù)字萬用表多量程電阻檔電路見圖2-8。由上分析可知，R1R01=100 R2R02R011000100900R3R03R0210k1k

11、9k圖2-8中由正溫度系數(shù)熱敏電阻Rt與晶體管T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T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T的擊穿電流不超過允許范圍。即T只是處于軟擊穿狀態(tài)，不會損壞，一旦解除誤操作，Rt和T都能恢復正常。DT830B型數(shù)字萬用表的設計原理1 DT830B型數(shù)字萬用表的特點主電路采用典型數(shù)字表集成電路ICL7106，性能穩(wěn)定可靠技術成熟。且具有精度高、輸入電阻大、讀數(shù)直觀、功能齊全、體積小巧等優(yōu)點。采用單板結構，集成電路ICL7106采用COB封裝。結構合理,只

12、要有一般電子裝配技術即可成功組裝。2 DT830B型數(shù)字萬用表的設計與制作2.1數(shù)字萬用表總體框圖數(shù)字萬用表是在直流數(shù)字電壓表的基礎上配上各種變換器所構成的。數(shù)字萬用表原理框圖如圖3-1所示，它由量程選擇電路、各種變換器(R-V轉換、I-V轉換、轉換）及直流數(shù)字電壓表所包含的各個環(huán)節(jié)（A/D轉換、顯示邏輯、顯示電路）組成。圖3-1 數(shù)字萬用表原理框圖A/D轉換器譯碼顯示器計數(shù)器控制器模擬量數(shù)字量圖3-2直流數(shù)字電壓表的構成2.2數(shù)字萬用表的電路原理圖參見附錄。2.3雙積分A/D轉換器集成電路ICL7106及附屬電路如圖3-3所示。圖3-3 ICL7106及附屬電路芯片ICL7106每個轉換周期

13、規(guī)定由4000個計數(shù)脈沖周期組成，這4000個計數(shù)脈沖的分配如下：1000個計數(shù)脈沖周期用于輸入信號；0-2000個計數(shù)脈沖周期用于基準電壓積分；1000到的，自動校零的時間也是可變的，須等上一次反向積分結束后才能開始。R31、C10組成輸入端阻容濾波電路，以提高儀表抗干擾能力。R28、C1與7106內部的兩個反相器共同作用，產(chǎn)生約40kHz的時鐘脈沖信號，該信號經(jīng)四分頻后，形成10kHz的計數(shù)脈沖，再經(jīng)過200分頻得到5OHz的方波，并從背電極BP作為液晶顯示器的公共電極電壓，時鐘振蕩頻率可按f01/2.2R28C計算。儀表的測量速率可按MR=f0/16000計算，可算得f40kHz，MR=

14、2.5次/s。C9為基準電容。C11為自動調零電容。R32、C12分別為積分電阻和積分電容。ICL7106的模擬公共端與面板上的表筆插孔COM連通，V與COM之間有2.72.9V的穩(wěn)壓輸出?；鶞孰妷河蒖18、R19、RP3、R20和R48組成的分壓器供給。調整RP3可使VREF=100.0mV設7106內部的基準電壓EO=2.8V，則當RP3的滑動觸頭調到最下端時，有：3000個計數(shù)脈沖周期用于自動校零。采樣時間T1是固定不變的，但比較時間即反向積分時間T2是隨輸入電壓Vi的大小而改變。 （3-1）當RP3的滑動觸頭調到最上端時， （3-2）所以，RP3的電壓調整范圍是95.1107.3mV，

15、從中可調出VREF=100.0mV。R29、R30、C8組成基準電壓輸入端的高頻濾波器。2.4測量電路（1）直流電壓測量電路如圖3-4所示。圖3-4 直流電壓測量電路采用電阻分壓器把基本量程為200mV的表擴展成五量程的直流數(shù)字電壓表。圖中帶斜線的方框表示導電橡膠條，用來連通7106與LCD的對應管腳。RP2是分壓電阻，通過調整RP2使R7+RP2=9M。R6是限流保護電阻，C17是消除高頻噪聲干擾的電容。（2）直流電流測量電路如圖3-5所示圖3-5 直流電流測量電路R2R5、RCU組成了I-V轉換器。被測輸入電流流過分流電阻時產(chǎn)生壓降，作為基本表的輸入電壓，這就實現(xiàn)了I-V轉換，通過數(shù)字電壓

16、表顯示出被測電流大小。10A檔分流器RCU是用黃銅絲制成，以便能通過較大的電流。R5是線繞電阻，僅在測大電流時需使用“10A”插孔，并將S1撥至“20mA/10A”位置，使小數(shù)點定在“百位上”。FU是快速熔絲管，串在輸入端，作過流保護，硅二極管D1、D2接成雙向限幅電路，作為過壓保護元件。（3）交流電壓測量電路如圖3-6所示。電路主要包括兩部分：電阻分壓器、AC/DC轉換器。為降低成本，與DCV檔共用一套分壓電阻。AC/DC轉換器具有平均值響應，利用雙運放TL062其中的一組運放和二極管D7、D8構成線性半波整流器。C1是輸入耦合電容，D5、D6、D11、D12作運放輸入端過壓保護，C5和C2

17、為隔直電容。R23是運放的負反饋電阻，用以穩(wěn)定工作點。C4為頻率補償電容。D8是半波整流二極管，D7為保護二極管，給反向電流提供通路。其工作原理是：在輸入信號的正半周時，D8導通，D7截止，IC2a輸出電流流向為IC2aC5D8R25R27RP4COM（模擬地）；負半周時流向為COMRP4RP27R24D7C5IC2a 。從原理上講，這屬于半波整流電路。由R25、R27、RP4構成分壓電路，調整RP4可改變輸出電壓，供校準交流電壓檔用。R26和C6為平滑濾波器，獲得平均值電壓V0 。該電路有三個特點：第一，當輸入交流電壓為零時，V0亦等于零；第二，IC接成同相放大器使用，以提高其輸入阻抗；第三

18、，由于IC2a的放大作用，即使輸入信號較弱，也能保證D8在較強信號下工作，從而避免了二極管在小信號檢波時引時的非線性失真。圖3-6 交流電壓測量電路（4）交流電流測量電路 將圖3-6中的分壓器改成圖3-5中的分流器，則構成五量程的交流數(shù)字電流表。（5）電阻測量電路 利用選擇開關改變標準電阻R0的采用比例法測電阻，其優(yōu)點是即使基準電壓存在一定偏差或在測量過程中略有波動，也不會增加誤差，因此可降低對基準電壓的要求。原理圖見圖3-7a所示，電阻測量的實際電路如圖3-7b所示。利用選擇開關改變標準電阻R0的數(shù)值，即可構成多量程數(shù)字歐姆表。測電阻時，原來的基準電壓分壓電路全部斷開，改由R13、D3和D4組成分壓器，并以標準電阻（即R7、RP2、R8R12）上的壓降作為基準電壓，以被測電阻RX上的壓降為輸入電壓Vi。R13是二極管D3、D4的限流電阻。在2k、20k、200k、2M和20M這五個電阻檔，D4被短路，加在VREF端和COM端之間提供測試電流的電壓即為D3的導通壓降，約為0.60.7V。在200檔，VREF端和COM端之間的電壓為D3、D4串聯(lián)的正向壓降，約為1.21.4V。圖3-7 電阻測量電路電阻檔的過壓保護電路由正溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt、R16、晶體管BG1、BG2組成。將BG1、BG2的集