数字万用表原理

1数字万用表姓名：XXX学号：XXXXXX专业：08电子信息工程X班数字万用表DMM(DitalMultiMeter)采用大规模集成电路和液晶数字显示技术，具有结构简单、测量精度高、输入阻抗高、显示直观、过载能力强、功能全、耗电省、自动量程转换等优点，许多数字万用表还带有测电容、频率、温度等功能。本课题的主要内容是理解DT-830型数字万用表的基本结构和原理，通过数字万用表的组装与调试，培养电子产品安装测试技能。万用表的概述数字万用表是采用集成电路模/数转换器和液晶显示器，将被测量的数值直接以数字形式显示出来的一种电子测量仪表。1.数字万用表的组成数字万用表是在直流数字电压表的基础上扩展而成的。为了能测量交流电压、电流、电阻、电容、二极管正向压降、晶体管放大系数等电量，必须增加相应的转换器，将被测电量转换成直流电压信号，再由A/D转换器转换成数字量，并以数字形式显示出来。它由功能转换器、A/D转换器、LCD显示器、电源和功9能/量程转换开关等构成。常用的数字万用表显示数字位数有三位半、四位半和五位半之分。对应的数字显示最大值分别为1999，19999和199999，并由此构成不同型号的数字万用表。2.数字万用表的面板(1)液晶显示器:显示位数为四位，最大显示数为±1999，若超过此数值，则显示1或-1。(2)量程开关:用来转换测量种类和量程。(3)电源开关:开关拨至ON时，表内电源接通，可以正常工作；OFF时则关闭电源。(4)输入插座:黑表笔始终插在COM孔内。红表笔可以根据测量种类和测量范围分别插入V·Ω、mA、10A插孔中。1模数转换与数字显示电路常见的物理量都是幅值连续变化的所谓模拟量。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，需要把模拟电信号转换成数字信号,再2进行显示和处理。数字信号与模拟信号不同，其幅值是不连续的。就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值。若最小量化单位为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，需经过数码变换后由数码管或液晶屏显示出来。例如，设Δ＝0.1mV，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。然后，把N变换成显示码显示出来。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。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，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。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。2直流电压测量电路在数字电压表头前面加一级分压电路，可以扩展直流电压测量的量程。如图2-1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。由于rr2，所以分压比为21200rrrUUi（2-1）扩展后的量程为02210UrrrUi（2-2）数字电压表r1r２r０～U0０～Ui010M99k9k1M1k数字电压表200mV200V20V2VUi2000VIN+IN－3图2-1分压电路原理图2-2多量程分压器原理多量程分压器原理电路见图2-2，53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2-3，由于rR，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，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻为R=U0/I0。如U0=200mV，则I0=200mA档的分流电阻为R=1Ω。图2-3电流测量原理图2-4多量程分流器电路多量程分流器原理电路见图2-4。实际数字万用表的直流电流档电路为图2-5所示。数字电压表IN+IN－RUiIi1k101100数字电压表2A2mA20mA200mAUi200μAIN+IN－0.1Ii数字电压表0.10.9990900R5R4R3R2R1IN+IN－2A200mA20mA2mA200μAD1D2FUSEFUSEFUSEIiUi4图2-5中各档分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最大电流档的分流电阻R5，)(1.022.0505mIUR（2-3）再计算下一档的4R，)(9.01.02.02.05404RIURm（2-4）依次可计算出R3、R2和R1分别为9、90、900。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，保护仪表不被损坏。用2A档测量时，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。4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-直流变换器，图2-6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，用来对交流电压档进行校准之用。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750V。数字万用表交流电压、电流档适用的频率范围通常为40~400Hz，有些型号的交流档测量频率可达1000Hz。A交流电压输入直流电压输出图2-6AC-DC变换器原理交流电压校准55电阻测量电路数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，其原理电路见图2-7。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。所以A/D转换器的参考电压UREF和输入电压UIN有如下关系：X0INREFRRUU(2-5)即0REFINXRUUR(2-6)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档。如对200Ω档，取R01=100Ω，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。数字万用表多量程电阻档电路见图2-8。由上分析可知，RxIN+ZDA/D转换及数字表头R0IN-VREF+VREF－UREFUIN图2-7电阻测量6R1＝R01=100ΩR2＝R02－R01＝1000－100＝900ΩR3＝R03－R02＝10k－1k＝9k……图2-8中由正温度系数热敏电阻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。DT830B型数字万用表的设计原理1DT830B型数字万用表的特点主电路采用典型数字表集成电路ICL7106，性能稳定可靠技术成熟。且具有精度高、输入电阻大、读数直观、功能齐全、体积小巧等优点。采用单板结构，集成电路ICL7106采用COB封装。结构合理,只要有一般电子装配技术即可成功组装。2DT830B型数字万用表的设计与制作2.1数字万用表总体框图数字万用表是在直流数字电压表的基础上配上各种变换器所构成的。数字万用表原理框图如图3-1所示，它由量程选择电路、各种变换器(R-V转换、I-V转换、VV~转换）及直流数字电压表所包含的各个环节（A/D转换、显示逻辑、显示电路）组成。图3-1数字万用表原理框图7图3-2直流数字电压表的构成2.2数字万用表的电路原理图参见附录。2.3双积分A/D转换器集成电路ICL7106及附属电路如图3-3所示。图3-3ICL7106及附属电路芯片ICL7106每个转换周期规定由4000个计数脉冲周期组成，这4000个计数脉冲的分配如下：①1000个计数脉冲周期用于输入信号；②0-2000个计数脉A/D转换器译码显示器计数器控制器模拟量数字量8冲周期用于基准电压积分；③1000到的，自动校零的时间也是可变的，须等上一次反向积分结束后才能开始。R31、C10组成输入端阻容滤波电路，以提高仪表抗干扰能力。R28、C1与7106内部的两个反相器共同作用，产生约40kHz的时钟脉冲信号，该信号经四分频后，形成10kHz的计数脉冲，再经过200分频得到5OHz的方波，并从背电极BP作为液晶显示器的公共电极电压，时钟振荡频率可按f0≈1/2.2R28C计算。仪表的测量速率可按MR=f0/16000计算，可算得f≈40kHz，MR=2.5次/s。C9为基准电容。C11为自动调零电容。R32、C12分别为积分电阻和积分电容。ICL7106的模拟公共端与面板上的表笔插孔COM连通，V＋与COM之间有2.7～2.9V的稳压输出。基准电压由R18、R19、RP3、R20和R48组成的分压器供给。调整RP3可使VREF=100.0mV设7106内部的基准电压EO=2.8V，则当RP3的滑动触头调到最下端时，有：3000个计数脉冲周期用于自动校零。采样时间T1是固定不变的，但比较时间即反向积分时间T2是随输入电压Vi的大小而改变。mVERRRPRRRRVb5.91)()(04820319184820（3-1）当RP3的滑动触头调到最上端时，mVERRRPRRRRRPVb3.107)()()(048203191848203（3-2）所以，RP3的电压调整范围是95.1～107.3mV，从中可调出VREF=100.0mV。R29、R30、C8组成基准电压输入端的高频滤波器。2.4测量电路（1）直流电压测量电路如图3-4所示。图3-4直流电压测量电路9采用电阻分压器把基本量程为200mV的表扩展成五量程的直流数字电压表。图中带斜线的方框表示导电橡胶条，用来连通7106与LCD的对应管脚。RP2是分压电阻，通过调整RP2使R7+RP2=9MΩ。R6是限流保护电阻，C17是消除高频噪声干扰的电容。（2）直流电流测量电路如图3-5所示图3-5直流电流测量电路R2～R5、RCU组成了I-V转换器。被测输入电流流过分流电阻时产生压降，作为基本表的输入电压，这就实现了I-V转换，通过数字电压表显示出被测电流大小。10A档分流器RCU是用黄铜丝制成，以便能通过较大的电流。R5是线绕电阻，仅在测大电流时需使用“10A”插孔，并将S1拨至“20mA/10A”位置，使小数点定在“百位上”。FU是快速熔丝管，串在输入端，作过流保护，硅二极管D1、D2接成双向限幅电路，作为过压保护元件。（3）交流电压测量电路如图3-6所示。电路主要包括两部分：电阻分压器、AC/DC转换器。为降低成本，与DCV档共用一套分压电阻。AC/DC转换器具有平均值响应，利用双运放TL062其中的一组运放和二极管D7、、D8构成线性半波整流器。C1是输入耦合电容，D5、D6、D11、D12作运放输入端过压保护，C5和C2为隔直电容。R23是运放的负反馈电阻，用以稳定工作点。C4为频率补偿电容。D8是半波整流二极管，D7为保护二极管，给反向电流提供通路