数字万用表原理

数字万用原理 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(Dital MultiMeter)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 1 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r >> r2，所以分压比为 U0r2 (2-1) ? Ui0r1?r2 扩展后的量程为 Ui0? ,,Ui0 r1?r2 U0 (2-2) r2 2 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2-2，5 3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r>>R，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。 Ii Ui 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。 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， R5? 再计算下一档的R4， R4?U00.2??0.1(?) (2-3) Im52U00.2?R5??0.1?0.9(?) (2-4) Im40.2 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。 交流电 图2-6 AC-DC变换器原理 直流电 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。 4 5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。 ZD 图2-7电阻测量 稳压管ZD提供测量基准电压，流过电阻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: RUREF ?0 (2-5) UINRX UIN R0 (2-6) 即 RX? UREF 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， 5 R1,R01=100Ω R2,R02,R01,1000,100,900Ω R3,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 1 DT830B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。 2 DT830B型数字万用表的设计与制作 2.1数字万用表总体框图 示电路)组成。 6 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3-2直流数字电压表的构成 图3-3 ICL7106及附属电路 芯片ICL7106每个转换周期由4000个计数脉冲周期组成，这4000个计数脉冲的分配如下:?1000个计数脉冲周期用于输入信号;?0-2000个计数脉 7 冲周期用于基准电压积分;?1000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。 Vb? R20R48 (R18R19)?RP3?(R20R48) RP3?(R20R48)(R18R19)?RP3?(R20R48) E0?91.5mV (3-1) 当RP3的滑动触头调到最上端时， Vb? E0?107.3mV (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 8 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。其工作原理是:在输入信号的正半周时，D8导通，D7截止，IC2a输出电流流向为IC2a?C5?D8?R25?R27?RP4?COM(模拟地);负半周时流向为COM?RP4?RP27?R24?D7?C5?IC2a 。从原理上讲，这属于半波整流电路。由R25、R27 、 9 RP4构成分压电路，调整RP4可改变输出电压，供校准交流电压档用。R26和C6为平滑滤波器，获得平均值电压V0 。 该电路有三个特点:第一，当输入交流电压为零时，V0亦等于零;第二，IC接成同相放大器使用，以提高其输入阻抗;第三，由于IC2a的放大 作用，即使输入信号较弱，也能保证D8在较强信号下工作，从而避免了二极管在小信号检波时 引时的非线性失真。 图3-6 交流电压测量电路 (4)交流电流测量电路 将图3-6中的分压器改成图3-5中的分流器，则构成五量程的交流数字电流表。 (5)电阻测量电路 利用选择开关改变标准电阻R0的采用比例法测电阻，其优点是即使基准电压存在一定偏差或在测量过程中略有波动，也不会增加误差，因此可降低对基准电压的要求。原理图见图3-7a所示，电阻测量的实际电路如图3-7b所示。利用选择开关改变标准电阻R0的数值，即可构成多量程数字欧姆表。测电阻时，原来的基准电压分压电路全部断开，改由R13、D3和D4组成分压器，并以标准电阻(即 R7、RP2、R8,R12)上的压降作为基准电压，以被测电阻RX上的压降为输入电压Vi。R13是二极管D3、D4的限流电阻。在2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ和20MΩ这五个电阻档，D4被短路，加在VREF端和COM端之间提供测试电流的电压即为D3的导通压降，约为0.6,0.7V。在200Ω档，VREF，端和COM端之间的电压为D3、D4串联的正向压降，约为1.2,1.4V。 10 图3-7 电阻测量电路 电阻档的过压保护电路由正温度系数的热敏电阻Rt、R16、晶体管BG1、BG2组成。将BG1、BG2的集成电结分别短接后，利用其发射结作齐纳稳 压二极管用，这 两个用BG1、BG2代替的二极管反极性串联起来。一旦出现过压输入，如误用电阻 档去测交流电压则电流途径R16、Rt，使BG1、BG2击穿，起到限幅保护作用，保护VREF,端的内部电路不致损坏。与此同时，Rt也迅速发热，阻值急剧增大，从而限制通过BG1、BG2的电流，对BG1、BG2起保护作用。IN，端(31脚)的限流保护电阻是R14+R31。在VREF,端与IN，端串入Rt和R16之后，对测量并无影响。这是因为电压比VRX/VREF仅取决于电阻比RX/R0，而与测试电流大小无关。 11 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 附录 DT830B型数字万用 12