数字万用表原理及完美介绍

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
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，U 0为数字电压表头的量程（如200mV ），r 为其内阻（如10M Ω），r 1、r 2为分压电阻，U i0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 +=
（2-1） 扩展后的量程为
02
2
10U r r r U i += （2-2）
０～U i0
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U i =RI i ， 即被测电流I i =U i /R ,若数字表头的电压量程为U 0，欲使电流档量程为I 0，则该档的取样电阻为R =U 0/I 0 。

如U 0=200mV ，则I 0=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。

U i
I i
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R 5，
)(1.022
.0505Ω===
m I U R （2-3）
再计算下一档的4R ，
)(9.01.02
.02.05404Ω=-=-=
R I U R m （2-4） 依次可计算出R 3、R 2和R 1 分别为9Ω、90Ω、900Ω。

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D 1、D 2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 。

交流电
直流电
图2-6 AC-DC 变换器原理
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。

稳压管Z D 提供测量基准电压，流过标准电阻R 0和被测电阻R x 的电流基本相等。

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：
X
0IN REF
R R U U = (2-5)
即 0REF
IN
X R U U R =
(2-6) 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 REF 时显示“1000”，U IN ＝0.5U REF 时显示“500”，以此类推。

所以，当R x ＝R 0时，表头将显示“1000”，当R x ＝0.5R 0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R 01=100Ω，小数点定在千位上。

当R x 变化时，显示值相应变化，可以从0.001k Ω测到1.999k Ω。

数字万用表多量程电阻档电路见图2-8。

由上分析可知，
Z D 图2-7电阻测量
R 1＝R 01=100Ω
R 2＝R 02－R 01＝1000－100＝900Ω R 3＝R 03－R 02＝10k －1k ＝9k ……
图2-8中由正温度系数热敏电阻R t 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，R t 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
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、-
-V V ~
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
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3-3 ICL7106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
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。

R 31、C 10组成输入端阻容滤波电路，以提高仪表抗干扰能力。

R 28、C 1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f 0≈1/2.2R 28C 计算。

仪表的测量速率可按MR=f 0/16000计算，可算得f ≈40kHz ，MR=2.5次/s 。

C 9为基准电容。

C 11为自动调零电容。

R 32、C 12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R 18、R 19、R P 3、R 20和R 48组成的分压器供给。

调整R P 3可使V REF =100.0mV 设7106内部的基准电压E O =2.8V ，则当R P 3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T 1是固定不变的，但比较时间即反向积分时间T 2是随输入电压V i 的大小而改变。

mV E R R RP R R R R V b 5.91)
()(0482********
20=++=
（3-1）
当R P 3的滑动触头调到最上端时，
mV E R R RP R R R R RP V b 3.107)
()()(048203191848203=+++=
（3-2）
所以，R P 3的电压调整范围是95.1～107.3mV ，从中可调出V REF =100.0mV 。

R 29、
R 30、C 8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
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。

R P2是分压电阻，通过调整R P2使R7+R P2=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
R
2
～R5、R CU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R
CU
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S
1
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D
1、D
2
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、
、D
8
构成线性半波整流器。

C1是输入耦合电容，D5、D6、D11、
D
12
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，D
8导通，D
7
截止，IC
2a
输出电流流向为IC
2a
→C5→D8→R25→R27→R P4→COM（模拟地）；负半周时流向为COM →R P4→R P27→R24→D7→C5→IC2a。

从原理上讲，这属于半波整流电路。

由R25、R27、
R P
4
构成分压电路，调整R P4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IC
2a
的放大作用，即使输
入信号较弱，也能保证D
8
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
R
7
、R P2、R8～R12）上的压降作为基准电压，以被测电阻R X上的压降为输入电压V i。

R 13是二极管D
3
、D
4
的限流电阻。

在2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ和20MΩ这五个
电阻档，D
4
被短路，加在V REF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，V REF＋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。

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R t、R16、晶体管BG1、BG2组
成。

将BG
1、BG
2
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BG
1、BG
2
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、R t，使BG1、BG2击穿，起到限幅保护作用，保护V
REF－
端的内部电路不致损坏。

与此同时，R t也迅速发热，阻值急剧增大，从而限
制通过BG
1、BG
2
的电流，对BG
1
、BG
2
起保护作用。

IN
＋
端（31脚）的限流保护电
阻是R14+R31。

在V REF－端与IN＋端串入R t和R16之后，对测量并无影响。

这是因为电压比V RX/V REF仅取决于电阻比R X/R0，而与测试电流大小无关。

淮安信息职业技术学院毕业设计论文附录DT830B型数字万用。