数字万用表的设计

随着大规模集成电路的发展，数字测量技术的日趋普及，指针式仪表存在的问题也逐渐显现出来。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校准实验，该实验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、实验仪器

   数字万用表设计实验仪 1台

 

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（分压器），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（2）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200 V档的为分压比为：

 

其余各档的分压比分别为：

图（2）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

 

再计算200V档的电阻： ，依次可计算出 、 、 等各档的分压电阻值。更换量程是需要调整小数点的显示，使用者可方便地读出测量结果。

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（3）

               

                    图（3）电流测量原理  

实用数字万用表的直流电流档电路，如图（4）所示。

             

                      图（4）实用分流器电路

图（4）中各档分流电阻是这样计算的，先计算最大电流档（2A）的分流电阻 （数字电压表最大输入为200mV）

，

再计算200mA档的 ：

依次可以计算出 、 和 ，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塑封硅整流二极管，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，电压嵌位在0.7V，起过压保护作用。保护仪表不被损坏。用2A测量时，若发现电流大于0.5A时，应使测量时间小于20秒，仪器在面板上提供了待测电流接口，测量时可直接在本接口串入电流表进行测量。

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，如图（5）所示。

 图（5）        

 

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，还包含一个能调整输出电压高低的电位器：AC—DC校准电位器，用来对交流电压档进行校准之用，调整该电位器可使数字电压表头的显示值等于被测交流电压的有效值。

 

 

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（6），

 

                     图（6） 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R₀和被测电阻R_x的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。  所以A/D转换器的参考电压U_REF和输入电压U_IN有如下关系：

    即   

根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是U_IN与U_REF的比值，当U_IN=U_RE时显示“1000”，U_IN=0.5U_REF时显示“500”，依次类推。所以，当R_x=R₀时，表头将显示“1000”，当R_x=0.5R₀时显示“500”，这称为比例读数特性。因此，我们只需要选取不同的标准电阻并适当对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量档。

               

图（7）电阻测量电路

 

对200Ω档，取R₀₅=100Ω，小数点定在十位上。当R_x=100Ω时，表头就会显示出100.0（Ω）。当R_x变化时，显示值相应变化，可以从0. 1Ω测到199.9Ω（其余各档请学生自己进行推导）。

数字万用表多量程电阻档电路如图（7）所示，由上分析可知，

R₅=R₀₅=100Ω

R₄=R₀₄-R₀₅=1000-100=900Ω

R₃ =R₀₃-R₀₄=10K-1K=9K

······

图（7）中由正温度系数（PTC）热敏电阻R_t与晶体管组成了过压保护电路，以防止误用电阻去测高电压时损坏集成电路。当误测量高电压时，晶体管发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。同时R_t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，使晶体管击穿电流不超过允许范围。即晶体管只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，R_t和晶体管均能恢复正常。

四、内容与步骤

1、设计制作多量程直流数字电压表

（1）    制作199.9 mV直流数字电压表头校准并使用。按图（8）接线，V_REF输入端接交直流电压校准电位器，小数点dp接到B组合适插口上去，以获得一位小数点显示（不接小数点并不会影响表头的校准，为什么？）。利用”直流档待测微电压（mV）”提供的100 mV左右的电压，用插线连至表头的测量插口IN+、IN-上去。

 

     图（8）

  

把一只标准数字万用表置于直流200mV档与表头IN输入端并联，调整“交直流电压校准”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。

（2）扩展电压表头成为多量程直流电压表

 

按图（10）接线，B组作为控制小数点显示的开关，B组动片内部已接小数点驱动电源.分压电阻接A组档位转换。

         

（3）用自制直流电压表测直流电压

a 将红、黑两表棒分别插入“待测直流电压（V）”中的红、两插孔。缓慢调节“直流档待测电压（V）”中的电位器，观看数字电压表头的变化范围。

b 将红、黑两表棒调换一下，观看数字电压表头有何反映，为什么？

c 将小灯泡（12V/500mA）并联在“直流档待测电压（V）”的红、黑两插口上，调节电位器，观察灯泡亮度与灯泡两端电压有何关系？

2、设计制作多量程直流数字电流表

（1）首先制作200mV直流数字电压表头并校准（如原来已校正，此步可略）。

（2）制作多量程直流数字电流表

使用电路单元：电流档用分流电阻、电流档保护电路、三位半表头、量程转换与测量输入。

（3）    按图（4）接线，动片A组作为档位输入并转换；动片B组作为小数点转换开关，自己设计连线，制成多量程直流数字电流表。

（4）    测量电流

将已制作好的电流表串入“直流档待测电压（V）”的电路中，负载接上小灯泡，调节电位器，观察灯泡亮度改变与电流的变化关系。

3、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（见图11）

（1）    交流电压档校准：将“交流档待测电压（V）”框中输出电压调至交流5V（用标准表测量），档位开关置20V档，调节“AC/DC档校准”中的电位器，使表头读数与标准表读数一致，这样交流电压表校准完毕。

（2）    用自制交流电压表测电压。

                            图（11）

将测量表棒分别置于“交流档待测电压（V）”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。调换表棒，观察表头显示有无变化，为什么？

4、设计数字电阻表

（1）使用电路单元：三位半数字表头、电阻档基准电压、电阻档用分档电阻器、电阻档保护电路。

（2）参照图（7）电阻测量电路，连接成比例式多量程数字电阻表，A组动片为量程转换开关，B组动片为小数点转换开关，自已设计连线。

（3）  用设计制作好的数字电阻表来测量仪器面板上提供的

a： R1、R2、R3、R4的阻值

b：W5是可变电位器，测量它的变化范围

c：测量光敏电阻RG6的阻值，观察阻值与光照强度之间的关系是成正比还是成反比，线性否？

d：测量热敏电阻RT7电阻器的阻值，观察其阻值随温度变化的情况。

e：测量晶体管管脚间正反向电阻阻值，观察PN结正向导电性。

f：定性研究金属的温度电阻特性（选做）

测量对象是仪器中的小灯泡灯丝，先用电阻档测出灯丝常温状态下的阻值，然后用伏安法测量在几种不同发光状态下的灯丝电阻，画出灯丝的伏安特性曲线，分析其阻值随温度变化的情况。

5、设计交流数字电流表

（1）  制作

参照图（4），在表头测量输入（IN+、IN-）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“交流档待测电压（V）”栏中的电流插口，输出负载接上小灯泡（12V/500mA），缓慢调节电位器，观察电流变化与灯泡亮度之间的关系。

五、实验数据记录及处理

（1）测量电阻

 

 

（2）测量直流电压

 

 

 

 

(3)测量直流电流

 

 

（4）测量交流电压

 

 

 （5）测量交流电流

 

 

 

六、注意事项：

1、因仪器采用开放式模块化设计，为了安全起见，严禁使用本仪器测量超过36V的电压！！！

2、仪器虽然设计了保护电路，实际使用时不得用电流档、电阻档测量电压，以免造成不必要的损坏。

3、数字表头出现显示“1”或“-1”，表明输入过载，应增大量程测量。