數(shù)字萬用表的基本原理

1、數(shù)字萬用表的基本原理摘要：數(shù)字萬用表是當前電子、電工、儀表、儀器和測量領域大量使用的一種基本測量工具，隨著時代科技的進步，數(shù)字萬用表的功能越來越強大，把電量及非電量的測量技術提高到嶄新水平。萬用表又叫多用表、三用表、復用表，萬用表分為指針式萬用表和數(shù)字萬用表引。是一種多功能、多量程的測量儀表，一般萬用表可測量直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、電阻等，有的還可以測交流電流、電容量、電感量及半導體的一些參數(shù)。本文通過對勝利9806+型號萬用表的學習，了解了勝利9806+萬用表的特性、組成以及工作原理。掌握了分壓分流電路的計算和連接。關鍵詞：數(shù)字萬用表、工作原理、分壓分流 1 / 90 引言數(shù)

2、字萬用表亦稱數(shù)字多用表，簡稱DMM(Digtial Multimeter)。它是采用數(shù)字化測量技術，把連續(xù)的模擬量轉化成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。傳統(tǒng)的指針式萬用表功能單一精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需要，采用單片的數(shù)字萬用表精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，目前，由各種單片機芯片構成的數(shù)字萬用表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測試領域，顯示著強大的生命力。1 數(shù)字萬用表的特性與指針式萬用表相比較，數(shù)字萬用表有如下優(yōu)良特性：(1) 高準確度和高分辨力(2) 測電壓時具有高的輸入阻抗(3) 測量速率快(4) 自動判別極性(5) 全部測量實

3、現(xiàn)數(shù)字直讀(6) 自動調零(7) 抗過載能力強當然，數(shù)字萬用表也有一些弱點，如：(1) 測量時不像指針式儀表那樣能清楚直觀地觀察到指針偏轉的過程，在觀察充放電等過程時不夠方便。(2) 數(shù)字萬用表的量程轉換開關通常與電路板是一體的，觸點容量小，耐壓不很高，有的機械強度不夠高，壽命不夠長，導致用舊以后換檔不可靠。(3) 一般萬用表的V/檔公用一個表筆插孔，而A檔單獨用一個插孔。使用時應注意根據(jù)被測量調換插孔，否則可能造成測量錯誤或儀表損壞。2 數(shù)字萬用表的基本組成 數(shù)字萬用表是由數(shù)字電壓表配上相應的功能轉換電路構成的，它可對交、直流電壓交、直流電流、電阻、電容以及頻率等多種參數(shù)進行直接測量。數(shù)字電

4、壓表通常使用一塊集成電路芯片,它將A/D轉換器與能夠直接驅動顯示器的顯示邏輯控制器集成在一起，在其周圍配上相關的電阻器、電容器和顯示器,組成數(shù)字萬用表表頭。它只測量直流電壓，其它參數(shù)必須轉換成和其自身大小成一定比例關系的直流電壓后才能被測量。數(shù)字萬用表的整體性能主要由這一數(shù)字表頭的性能決定。數(shù)字電壓表是數(shù)字萬用表的核心，A/D轉換器是數(shù)字電壓表的核心，不同的A/D轉換器構成不同原理的數(shù)字萬用表。功能轉換電路是數(shù)字萬用表實現(xiàn)多參數(shù)測量的必備電路。電壓、電流的測量電路一般由無源的分壓、分流電阻網(wǎng)絡組成；交、直流轉換電路與電阻、電容等電參數(shù)測量的轉換電路，一般采用有源器件組成的網(wǎng)絡來實現(xiàn)。功能選擇可

5、通過機械式開關的切換來實現(xiàn)，量程選擇可通過轉換開關切換，也可以通過自動量程切換電路來實現(xiàn)。數(shù)字萬用表的基本功能是測量交直流電壓、交直流電流以及測量電阻，其基本組成如下圖1所示。 圖1數(shù)字萬用表的基本組成2.1模數(shù)(A/D)轉換與數(shù)字顯示電路常見的物理量都是幅值(大小)連續(xù)變化的所謂模擬量(模擬信號)。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(通常是電壓信號)轉換成數(shù)字信號，再進行顯示和處理(如存儲、傳輸、打印、運算等)。數(shù)字信號與模擬信號不同，其幅值(大小)是不連續(xù)的。這種情況被稱為是“量化的”。若最小量化單位(量化臺階)為，則數(shù)字信號的大小一定是的整數(shù)倍，

6、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(譯碼)后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來。例如，設=0.1mV，我們把被測電壓U與比較，看U是的多少倍，并把結果四舍五入取為整數(shù) (二進制)。一般情況下，N1000即可滿足測量精度要求(量化誤差1/1000=0.1%)。最常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為1999，被稱為三位半(3_1/2)數(shù)字表。對上述情況，我們把小數(shù)點定在最末位之前，顯示出來的就是以mV為單位的被測電壓的大小。如：U是 (0.1 mV)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，就可以測量顯示-199.9

7、199.9mV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)(A/D)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。本論文其核心是一個四位半數(shù)字表頭，它由數(shù)字表專用A/D轉換譯碼驅動集成電路和外圍元件、LCD數(shù)碼管構成。主要芯片為ICL7129。運用ICL7129制作LCD液晶顯示4_1/2 數(shù)字電壓表頭如圖2所示，具有非常高性能。 圖2 4_1/2 數(shù)字電壓表頭ICL7129的主要特點：(1) 用于 CMOS 大規(guī)模集成電路，具有高準確度、高分辨力、微功耗、外圍電路簡單、價格較低廉等優(yōu)點。它以多路掃描方式直接驅動4_1/2 位LCD顯示器(芯片帶小數(shù)點驅動端

8、)，最大顯示值為 土19999。其性能優(yōu)于國內普遍使用的ICL7135型4_1/2 位 A/D 轉換器，外圍電路亦比 ICL7135 大為簡化，適于制作高準確度4_1/2 位數(shù)字電壓表及數(shù)字多用表。  (2 )ICL7129在積分電路上作了重大改進，采用了逐次(多重)積分、數(shù)字調零等先進技術，使其準確度達土0.005% (對應于滿量程時的土4個字)，共模抑制比CMRR亦提高到11dB。(3) 專門設有10:1量程輸入端，基本量程可選揮±200mV 或±2V，最高分辨力達10uV，比 ICL7135 提高一個數(shù)量級。(4) 可提供超量程、欠量程、電池低電壓指示、負極

9、性指示、鋒鳴器驅動、標志符驅動等多種信號。(5) 外圍電路簡單,只需外接幾只阻容元件和基準電壓源即可工作，測量速率為1:6次/S，通常取 2次/S左右。(6) 采用單電源供電，微功耗。電源電壓允許范圍是612V(極限值為15V)。通常選9V疊層電池供電，工作電流為 1mA典型功耗約 9mW。工作溫度范圍是070。2.2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(分壓器)，可以擴展直流電壓測量的量程。如圖2所示，U0為電壓表頭的量程(為200mV)，r為其內阻(如10m)，、為分壓電阻，U10為擴展后的量程。圖2分壓電路原理圖3多量程分壓器原理 由于r1>>r2，所以分壓比為擴

10、展后的量程為多量程分壓器原理電路見圖3，5檔量程的分壓比分別為1、0.1、0.01、0.001和0.0001，對應的量程分別為2000V、200V、20V、2V和200mV。采用圖3的分壓電路雖然可以擴展電壓表的量程，但在小量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實際使用中是所不希望的。所以，實際數(shù)字萬用表的直流電壓檔電路為圖4所示，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達到同樣的分壓效果。 圖4實用分壓器電路例如：其中200V檔的分壓比為其余各檔的分壓比可同樣算出。實際設計時是根據(jù)各檔的分壓比和總電阻來確定各分壓電阻的。如先確定再計算2000檔的電阻再逐檔計算、。盡管上述最高量程檔的理論量程是2000

11、V，但通常的數(shù)字萬用表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為1000V。換量程時，多刀量程轉換開關可以根據(jù)檔位自動調整小數(shù)點的顯示，使用者可方便地直讀出測量結果。2.3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5，由于r<<R，取樣電阻上的電壓降為即被測電流 。 圖5電流測量原理 圖6多量程分流器電路若數(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)為如U0=200mV，則I0=200mA檔的分流電阻為。多量程分流器原理電路見圖6。圖6中的分流器在實際使用中有一個缺點，就是當換檔開關接

12、觸不良時，被測電路的電壓可能使數(shù)字表頭過載，所以，實際數(shù)字萬用表的直流電流檔電路為圖7所示。 圖7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再計算下一檔的R4依次可計算出R5、R2和R1。圖7實用分流器電路圖中的BX是2A保險絲管，電流過大時會快速熔斷，超過流保護作用。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(小于0.7V)，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

13、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電表。2.4交流電壓、電流測量電路數(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(AC-DC)變換器，圖8為其原理簡圖。 圖8 AC-DC變換器原理簡圖該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700V(有效值)。2.5電阻測量電路數(shù)字萬用

14、表中的電阻檔采用的是比例測量法，其原理電路見圖9。 圖9電阻測量原理由穩(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(數(shù)字表頭的輸入阻抗很高，其取用的電流可忽略不計)。所以A/D轉換器的參考電壓UREF和輸入電壓UIN有如下關系： 即根據(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UIN=UREF時顯示“1000”， UIN=0.5UREF時顯示“500”，以此類推。所以，當Rx=R0時，表頭將顯示“1000”，當Rx=0.5R0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

15、量檔。如對200檔，取R01=1000，小數(shù)點定在十位上。當Rx=100時，表頭就會顯示出100.0。當Rx變化時，顯示值相應變化，可以從0.1測到199.9。又如對2k檔，取R02=1k，小數(shù)點定在千位上。當Rx變化時，顯示值相應變化，可以從0.001 k測到1.999 k。其余各檔道理相同。數(shù)字萬用表多量程電阻檔電路見圖10。圖10電阻測量電路由上分析可知，圖10中由正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻Rt與晶體管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。3 結論數(shù)字式萬用表內部采用了多種振蕩，放大，分頻，保護等電路，所以功能較多，比如可以測量頻率(在一個較低的范圍)，電容,電感.或做信號發(fā)生器等等。由于內部結構多用集成電路所以過載能力較差.(不過現(xiàn)在有些已能自動換檔.自動保護等.但使用較復雜).損壞后一般也不易修復。數(shù)字式萬用表輸出電壓較低(通常不超過1V).對于一些電壓特性特殊的元件的測試不便(如,可控硅,發(fā)光二極管等)，由于數(shù)字萬用表的測量范圍很大，廣泛應用于工業(yè)領域。參考文獻：1丁元杰 單片微機原理及應用 機械工業(yè)出版社