万用表的设计与组装学生版

THQWY-1型万用表的设计与组装实验仪1THQWY-1型万用表的设计与组装实验仪为了让学生了解数字式万用电表的工作原理，及模拟信号转换成数字信号的基本方法，我们设计出数字式万用电表设计与组装实验仪，该实验仪不仅具有实验内容丰富，且内容由浅入深，适合各高等院校物理、电子等专业学生使用。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和使用。3．掌握多量程数字万用表分压、分流电路计算和连接；学会设计制作、使用多量程数字万用表。二、实验设备万用表设计与组装实验仪、标准数字万用表。(一)万用表的设计与组装实验仪这一部分主要由分压电阻、分流电阻、分档电阻电路、AC/DC转换电路、二极管与通断测试电路、待测交流电压电流、待测直流电压电流、三极管测量、数字显示表头（200mV量程）等部分组成。数显表头：数显表头是数字式万用表的重要部件，便携式万用表一般采用液晶显示式数显表头，本实验仪采用数码管显示数显表头，这两种数显表头的电路工作原理基本相同，只是所用电源、显示及其驱动方式不同。数显表头内部有一个参考电压REFV，通常也称作基准电压，当表头的输入端接入值为INV的被测电压时，表头的显示数N由下式决定：REFINVVN1000。REFV通常可取为1.000V或100.0mV，本实验仪去后者。这样，如果mVVIN4.123，则1234N。如果将右起第二位数码管的小数点点亮，则显示数就与所测电压值一致。不同的测量档位，应点亮的小数点位置也应随之而变。（二）标准数字万用表（用户自备）用于校准设计组装的万用表。三、实验原理1．直流电压测量电路在数字电压表头前面加一级分压电路（分压电阻），可以扩展直流电压测量的量程。数字万用表的直流电压档分压电路如图一所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到准确的分压效果。例如：其中200V档的分压比为：001.010105432121MKRRRRRRRTHQWY-1型万用表的设计与组装实验仪2其余各档的分压比分别为：档位200mV2V20V200V2000V分压比10.10.010.0010.0001图一实用分压器电路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MRRRRRR1054321总再计算200V档的电阻：KRRR10001.021总，依次可计算出3R、4R、5R等各档的分压电阻值。换量程时，多刀量程转换开关可以根据档位调整小数点的位置，使用者可方便地直读出测量结果。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或750V。2．直流电流的测量测量电流是根据欧姆定律，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。如图二图二电流测量原理取样电阻R上的电压降为RIUii，即被测电流RUIii/。若数字表头的电压量程为0U，欲使电流档量程为0I，则该档的取样电阻(也称分流电阻)为00IUR如0U=200mV，则0I=200mA档的分流电阻为1R。实用数字万用表的直流电流档电路，如图三所示。THQWY-1型万用表的设计与组装实验仪3图三实用分流器电路图三中各档分流电阻是按下述方法计算得：先计算最大电流档（2A）的分流电阻1R（数字电压表最大输入为200mV）)(1.022.0101AVIURm再计算200mA档的2R：)(9.01.02.02.01202RIURm依次可以计算出3R、4R和5R，请同学们自己练习。图中的FUSE是2A的保险丝，电流很大时会快速熔断，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为硅整流二极管，正常测量时，输入电压小于硅整流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，双向限幅，电压钳位在±0.7V之间，起过压保护作用。保护仪表不被损坏。当用2A档测量时，应尽量使测量时间小于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。3．交流电压、电流的测量电路数字万用表中交流电压、电流测量电路是在分压器或分流器之后串入了一级交流-直流（AC/DC）变换器，图四为其原理简图。图四AC/DC变换器该AC/DC变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波电容等组成，还包括一个能调整输出电压高低的电位器—AC/DC校准电位器，用于对交流电压档进行校准，调整该电位器可使数字电压表头的显示值等于被测交流电压的有效值。THQWY-1型万用表的设计与组装实验仪4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)。4．电阻测量电路数字万用表中的电阻档采用的是比例测量方法，其原理电路见图五：图五电阻测量原理由稳压管DZ提供测量基准电压，流过标准电阻0R和被测电阻XR的电流基本相等（数学表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。所以数字表头的参考电压REFU和输入电压INU有如下关系：xINREFRRUU0即0RUURREFINx根据所用数字表头的特性可知，数字表显示的是INU与RFEU的比值，当INU=RFEU时显示“1000”，REFINUU5.0时显示“500”，以此类推。所以，当0RRX时，表头将显示“1000”，当05.0RRX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。电阻测量电路如图六所示图六电阻测量电路THQWY-1型万用表的设计与组装实验仪5如对200Ω档，取R1=100Ω，小数点定在十位上。当XR=100Ω时，表头就会显示出100.0Ω。当XR变化时，显示值相应变化，可以从0.1Ω测到199.9Ω。（其余各档请同学自己进行推导）。数字万用表多量程电阻档电路如图六所示，由上分析可知......911090010010001000203301022011KKKRRRRRRRR图六中由正温度系数(PTC)热敏电阻tR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tR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，tR和T都能恢复正常。5．二极管与通断测试二极管特性测量其实质仍是电压测量，其测量原理如下图七所示，因二极管正向电压约为0.7V，可利用直流电压2V量程的测量电路测量。当二极管正向接入时，其正向电压可在数显表上读出。如出现超量程，表示二极管内部断路；如读数接近零，表示内部短路；当二极管反接时，应出现超量程指示。也可用这个模块测电路的通断，电路导通时，蜂鸣器长鸣。图七中D1、D2为电路保护二极管，IC为电压比较器，CD4011为多谐振荡器，BZ为蜂鸣器。图七二极管与通断测试电路6．三极管特性测试测量晶体管的hFE(β)值，小功率晶体三极管共射极电流放大系数hFE的测量电路如图八，这是一种粗略测量hFE的方法。其测量基本原理如下：数显表头的显示值N与输入电压INV和表头基准电压REFV之间有如下关系：REFINVVN1000。THQWY-1型万用表的设计与组装实验仪6在测量PNP管的图八（a）中，SINCRVI/，bCOMEBBRVVVI/)(。当mVVREF100时，则N=10VIN(mV)。又COMEBSbBCFEVVVRNRIIh10/，将mVVVVCOMEB200、Rb=200kΩ、RS=10Ω代入上式，得：N=hFE，即电压表读数N表示hFE之值。在NPN管的图八（b）测量电路中，VVVVVCOMINBE2、SINECRVII/，与PNP管测量电路相同：FEhN。（a）(b)图八三极管放大倍数测量电路四、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，表头电压校准，待测直流电压电流，分压电阻。按图九接线，小数点Dp3接到小数点控制公共端插口上去，以获得一位小数点显示（不接小数点并不影响表头的校准，为什么？）。利用待测直流电压电流和分压电阻获得150mV左右的校准电压，把一只成品数字万用表(称为标准表)置于直流电压200mV档与表头输入端IN+、IN-并联，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)，200mV表头即调整完毕。然后保留虚线框内的线路，拆去其余部分即可。图九200mV直流数字电压表头及其校准电路（2）扩展电压表头成为多量程直流电压表按图一接线，COM0作为控制小数点显示的公共端，内部已接小数点驱动电路，可参照图十THQWY-1型万用表的设计与组装实验仪7接线。图十小数点控制电路（3）用自制直流电压表测直流电压a将自作好的直流电压表测量端接“待测直流电压电流”输出端，缓慢调节“待测直流电压电流”中的电位器，观看数字电压表头的变化范围，分别记录实验仪和标准表的测量结果填入数据表。b将待测电压两端调换一下，观看数字电压表头有何反应，为什么？c将“待测直流电压电流”中测量电流的两插口短接，调节电位器，观察灯泡亮度与灯泡两端电压有何关系？2．设计多量程交流数字电压表（1）与设计的直流档相比，小数点连线位置不变，仅在数字表头测量输入（IN+、IN-）前串入一级AC/DC转换器。交流电压表的原理如图十一所示：图十一交流电压测量电路与直流电压档相比，交流电压将输入阻抗变为1M，这样做主要是因为该实验仪采用模块化处理，没办法采用屏蔽方式减小信号干扰，另外实验箱采用交流电供电，使得信号本身存在波动，为了方便同学实验记录数据，降低输入阻抗可使测量读数相对稳定。但实际制作仪表时可采取其它措施避免这些问题。（2）交流电压档校准：将“待测交流电压电流”框中输出电压调至交流150mV（用标准表测量），调节AC/DC转换电路中的电位器，使表头读数与标准表一致，这样交流电压表校准完毕。THQWY-1型万用表的设计与组装实验仪8（3）用自制交流电压表测量电压。将交流电压表待测电压输入端分别置于“待测交流电压电流”的输出电压插座上，接上小灯泡，观察调节电压高低与灯泡亮度的关系并分别记录实验仪与标准表的测量结果。调换表棒，观察表头显示有无变化，为什么？3．设计制作多量程数字电流表（1）首先制作200mV直流数字电压表头并校准，同图九。（如上面步骤中已制作好，此步可略）。（2）制作多量程直流数字电流表使用电路单元：分流电阻、电流档保护电路、三位半表头、量程转换与测量输入。（3）按图三自己设计连线，制作多量程直流数字电流表，小数点控制连线参照图十，其中2A档小数点与2mA相同。（4）测量电流将已制作好的电流表串入“待测直流电压电流”的电路中，包括负载小灯泡。调整电位器，观察灯泡亮度改变与电流的变化关系，分别记录实验仪与标准表的测量结果。4．设计交流数字电流表（1）制作参照图三，在表头测量输入前串入AC/DC转换器。提示：若保持已校准好的“交、直流电压校准”电位器状态不变，则可以省去校准步骤，否则需要重新校正。（2）用自制交流电流表测电流强度将交流电流表串入“待测交流电压电流”栏中的电流插口,包括负载小灯泡（12V/500mV）。调节电位器观察灯泡亮度改变与电流的变化关系，分别记录实验仪与标准表的测量结果。注意：如果事先对被测电压的大小无法估计，应将量程开关转到最高的档位，然后根据显示值转至相应档位上。如屏幕显“1”，表明已超过量程范围，须将量程开关转至相应档位上。注意：（1）如果事先对被测电压的大小无法估计，应将量程开关转至最高的档位。然后根据显示值转至相应档位上，如屏幕显“1”，表明已超过量程范围，须将量程开关转至相应档位上。（2）测试前各量程可能会存在一些残留数字，但不影响测量准确度。注意：如果事先对被测电流的大小无法估计，应将量程