数字万用表实验设计

8.12 设计数字万用表

【实验目的】

1.了解数字电表的基本原理、常用双积分模数转换芯片外围参数的选择原则及电表的校准原则；

2.了解数字万用表的特性、组成及工作原理；

3.掌握分压、分流电路的原理；

4.设计制作多量程直流电压表、电流表及电阻表；

5.了解交流电压、三极管和二极管相关参数的测量。

【设计要求及实验内容】

1.设计制作多量程直流数字电压表，并进行校准（自拟校准表格，量程为：200mv、2v）；

2.设计制作多量程直流数字电流表，并进行校准（自拟校准表格，量程为：200mA、20mA）；

3.设计制作多量程数字欧姆表，并进行校准（自拟校准表格，量程为：200Ω、2kΩ、20 k Ω）；

4.设计制作多量程交流数字电压表，并进行校准（自拟校准表格，量程为：AC, 200mv、2v）；

5.二极管正向压降的校准和测量；

6.三极管h FE参数的测量。

以上实验，在1至3中选择2～3个实验题目为必做内容，4至6为选做内容。

【主要实验器材】

1.DH6505数字电表原理及万用表设计实验仪；

2.四位半通用数字万用表；

3.标准电阻箱。

【实验原理、方法提示】

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。

（1）双积分模数转换器（ICL7107）的基本工作原理

我们将完成从模拟电信号转换成数字信号的电路称为模数转换器（AD转换器）。数字万用表常用的转换器为双积分AD转换器。

双积分模数转换电路的原理比较简单，当输入电压为Vx 时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C 进行恒流（电流大小与待测电压Vx 成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q 与被测电压Vx 成正比（式

1）；接着让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref 成正比），这样电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，就会得到计数值N2，则N2与Vx 成正比。 Qo=dt R Vx T *1

⎰=1T R Vx （1） Vo=-

C Qo =-1T RC Vx （2） Vo+C 1dt R Vref T *20

⎰=0 （3） 把（2）式代入（3）式，得： T2=Vref

T 1Vx （4） 从（4）式可以看出，由于T1和Vref 均为常数，所以T2与Vx 成正比。若时钟最小脉冲单元为CP T ,则CP T N T *=11，CP T N T *=22，代入（4）式，

即有： N2= Vx （5）

测量的计数值N2与被测电压Vx 成正比。式中，N 1、N 2即为转换后的数字量，其中N 2是数字表头的显示值，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，即为最终显示结果。

（2）数字万用表的工作原理

数字万用表的核心部分是直流数字电压表（DVM ），如图1中虚线框所示，它由滤波器、A/D 转换器、LED 液晶显示器组成。在数字电压表的基础上再增加交流—直流、电流—电压、电阻—电压转换器，就构成了数字万用表。 Vref

N 1

图1数字万用表的原理框图

2. 用ICL7107模数转换器进行常见物理量的测量

本实验采用的DH6505数字电表原理及万用表设计实验仪提供的直流数字电压表量程为200mv 。

（1）直流电压测量的实现（直流电压表）

Ⅰ: 当参考电压Vref=100mV 时，Rint=47K Ω，电压表的量程Vo 为200mV 。此时采用分压法实现测量0～2V 的直流电压 ,电路见图2。

由于电表内阻r>>r 2，所以分压比为

2

120r r r V V in += 扩展后的量程为

分档电阻r 1、r 2可从实验仪提供的分压器b 中得到。此电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程档明显降低了电压表的输入阻抗，这在实际应用中是行不通的。所以，实际通用数字万用表的直流电压档分压电路为图3所示（附图实验仪提供的分压器a ），它能在

不降低输入阻抗（大小为R//r ，R=R1+R2+R3+R4+R5）的情况下，达到同样的分压效果。

0221V r r r V in +=

图2 分压法测量直流电压图3实用分压器a测量直流电压Ⅱ:直接使参考电压Vref=1V，Rint=470KΩ来测量0～2V的直流电压，电路如图4所示。（2）直流电流测量的实现（直流电流表）

直流电流的测量通常有两种方法，第一种为欧姆压降法，如图5所示，即让被测电流流过一定值电阻Ri(由实验仪中的分流器提供)，然后用200mV的电压表测量此定值电阻上的压降Ri*Is（在Vref=100mV时，保证Ri*Is≤200mV就行），由于对被测电路接入了电阻，因而此测量方法会对原电路有影响，测量电流变成Is’=R0*Is/(R0+Ri),所以被测电路的内阻越大，误差将越小。第二种方法是由运算放大器组成的I-V变换电路来进行电流的测量，此电路对被测电路无影响，但是由于运放自身参数的限制，因此只能够用在对小电流的测量电路中，所以在这里就不再详述。

图4测量直流电压电路（V ref=1V）图5欧姆压降法测量直流电流

图6多量程分流器b 原理 图7实用分流器a 原理

图6中的分流器b 在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，被测电路的电压可能使数字表头过载，所以，实际数字万用表的直流电流档电路（附图实验仪中的分流器a ）如图7所示。

图7中各档分流电阻的阻值的计算方法：先计算最大电流档的分流电阻5R ：

同理下一档的4R 为： 这样依次可以计算出R3、R2和R1的值。

图7中的FUSE 是2A 保险丝管，起到过流保护作用。两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D 1、D 2为硅整流二极管，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，两端电压被钳制在0.7V 内，保护仪表不被损坏。

用2A 档测量时，若发现电流大于1A 时，应尽量减小测量时间，以免大电流引起的较高温升而影响测量精度甚至损坏电表。

(3)电阻值测量的实现（欧姆表）

Ⅰ:当参考电压选择在100mV 时，此时选择Rint=47K Ω，测试的接线图如图8所示，图中Dw 是提供测试的基准电压，而Rt 是正温度系数（PTC ）热敏电阻，既可以使参考电压低于100mV ，同时也可以防止误测高电压时损坏转换芯片，所以必需满足Rx=0时，Vr ≤100mV 。由前面所讲述的ICL7107的工作原理，存在：

Vr=(Vr+)–(Vr-)=Vd*Rs/(Rs+Rx+Rt) （6）

)(1.022.050Ω===m s I U R )(9.01.02

.02.05404Ω=-=-=R I U R m