实验25 数字万用电表的设计、制作与校准---讲义

实验二十五 数字万用表的设计、制作与校准

数字电表以它显示直观、准确度高、分辨率强、功能完善、性能稳定、体积小易于携带等特点在科学研究、工业现场和生产生活中得到了广泛应用。数字电表工作原理简单，完全可以让同学们理解并利用这一工具来设计对电流、电压、电阻、压力、温度等物理量的测量，从而提高大家的动手能力和解决问题能力。 【实验目的】

1．了解数字电表的基本原理和特性。 2．掌握数字电表的校准方法和使用方法。

3．设计数字万用表（即多量程数字电压、电流和电阻表）。 4．了解交流电压和二极管相关参数的测量。 【实验仪器】

ZKDB-A 型数字电表改装试验仪1套（所含模块如下图所示），通用标准万用表1个。

量程转换开关模块

交直流电压转换模块 功能：把交流电压转换成直流电压，模块中有电位器进行调整。

参考电阻模块 功能：提供可调参考电阻和可调待测电阻各一个。

三位半数字电压表头

AD 参考电压模块

功能：提供数

字电压表头中模数转换芯片所需的参考电压(Vr-，Vr+)， 有两档（0.1V 和1V ），有电位器可进行电压调节。

【实验原理】 1. 数字电表原理

常见的物理量都是幅值大小连续变化的所谓模拟量，指针式仪表可以直接对模拟电压和电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号，再进行显示和处理。

数字信号与模拟信号不同，其幅值大小是不连续的，就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值，所以需要进行量化处理。若最小量化单位为∆，则数字信号的大小是∆的整数倍，该整数可以用二进制码表示。设∆=0.1mV

，我们把被测电

量程扩展分压器模块 a 量程扩展分流器模块 a 量程扩展分流器模块 b

电流档保护模块 功能：防止过流。

量程扩展分压器模块

b

量程扩展分档电阻模块

电阻档保护模块 功能：防止过压损坏仪器。

待测元件模块

功能：提供电阻、二极管、

NPN 三极管和PNP 三极管各一个。

GND

+5V

3K

10K

二极管测量

XDA

XDK

XDO

二极管测量模块

电阻档基准电压模块 功能：用于在电阻测量时提供测量基准电压。

直流电压电流模块 功能：提供直流电压和电流，可通过电位器调节。

压U 与∆比较，看U 是∆的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N (二进制)。一般情况下，N ≥1000即可满足测量精度要求（量化误差≤1/1000=0.1%）。所以，最

常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半（2

1

3

）数字表。如：U 是∆ (0.1mV )的1861倍，即N =1861，显示结果为186.1(mV )。这样的数字表头，再

加上电压极性判别显示电路和小数点选择位，就可以测量显示-199.9～199.9mV 的电压，显示精度为0.1mV 。

本实验中的数字电表是一个三位半数字电压表头，其显示的是一个比值，即

1000

/REF IN

U U ，其中U IN 是测量电压，U REF 是参考电压。当U IN =U REF 时显示“1000”，

U IN =0.5U REF 时显示“500”，依次类推，这称为比例读数特性。实际使用中，若取参考电压为100mV ，则可以测量的最大输入电压为199.9mV ；若取参考电压为1V ，则最大输入电压为1.999V 。

本实验仪的核心部件就是该三位半数字电压表头，它由双积分式模数（A/D ）转换译码驱动集成芯片ICL7107、外围元件和LED 数码管构成。该表头的Vr+和Vr-端为参考电压正负输入端；IN+和IN-端为测量电压正负输入端；Com 端为模拟公共端； Cint 和Rint 端分别为积分电容和积分电阻，Caz 端为自动调零电容；Vint 端为示波器接口，用示波器可以观测到电容充放电过程。

2. 数字万用表基本原理（如图1所示）

图1 数字万用表基本原理图

3．常见物理参量的测量原理

（1）直流电压的测量

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。如图2

所示，0U 为数字电压表头的量程（如200mV ），r 为其内阻，r 1、r 2为分压电阻，U io 为扩展后的量程。

由于r ＞＞r 2，所以分压比为：

2

12

00r r r U U i += ， 扩展后的量程为：02

2

10U r r r U i +=

。 数字万用表的电压表有5个量程（如表1所示），制作这样的多量程数字直流电压表，需要5个电阻串联组成分压器（如图3所示）。

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

Ω=++++=M R R R R R R 1054321总

再计算

2KV 档的电阻：

总R R 0001.05==1K Ω，依次可计算出

4R 、3R 、2R 、1R 等各档的分压电阻值，

请同学们自己练习。

量程（档位） 200mV

2V 20V 200V 2KV 分压比

1

0.1

0.01

0.001

0.0001

（2）直流电流的测量 根据欧姆定理，可选择合适的分流电阻，并将其与数字电压表头并联，就可把待测电流转换为相应的电压，然后进行测量。其原理电路如图4所示。由于对被测电路接入了电阻R ，因此会对原电路产生影响，实际测量电流变成)/(R R I R I i i i i +⨯='，其中i

R 为被测电路的内电阻，可以看出被测电路的内电阻R i 越大，接入的电阻R 越小，此测量方法引起的误差就越小。

在实际中，为防止电流过大损坏仪器，可在分流电阻前串联一个最大熔断电流为2A 的保险丝；为防止电压过大，与分流电阻并联了两只反向连接的二极管，起过压保护作用（其原理为：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

图2 电压测量原理

图4 电流测量原理

图3 实用电压测量原理

KS2

2KV