数字万用表原理及发展
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2）采样阶段（t1~ t2 ）: 即定时积分阶段,该阶段 时间事先设定好，即T1为定值.
在t1时刻，逻辑控制电路使开关S接通UX，积分器开 始对UX积分，设UX＞0，则积分器输出电压线性递 减 ，反之线性递增 。
至t2时刻，即计数器计数达到最大容量N1时 ，计数 器输出溢出信号，逻辑控制电路使开关S断开、关闭 闸门、计数器复零。
•将被测电压Ux与分级递减的各级基准电压Er（砝码） 逐一进行比较。按“大者弃，小者留”的原则，依次从高 位到低位逐一进行比较，使输出的基准电压与被测电压 逼近相等。
•当Ux=Uref时，比较器输出为零，相当于天平平衡， 最终数字输出的数值就是被测信号的电压值。
特点：
1、逐次逼近比较式A/D变换器测量速度快； 2、精度取决于权电阻网络和基准电压源的精度，且与 D/A转换位数有关； 3、抗串模干扰能力差。
通过比较，可得结论:
模拟磁电式电压表的内阻与电压量程有关,量程越大, 内阻也越大.
模拟磁电式电压表的内阻与电流表表头灵敏度有关.灵
敏度越高,满偏电流Im 越小,内阻Rv越大.
(在同一量程下) 电压灵敏度= Rv(内阻)/U(量程)=每伏欧姆数(常标注
在万用表上)
灵敏度高指为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小.
（2）平均值
平均值 ：在数学上定义为
对纯交流电压来说，由于 =0，将无法用平均值来 表征它的大小。
定义：通常是指经过测量仪器检波后的平均值，分 为全波平均值和半波平均平均值。
全波平均值是指交流电压经全波检波后的全波平均 值，即
数字万用表的一般框图
数字万用表的核心：A/D转换器
电压的数字化测量的核心是模数（A/D）转换，各 类数字电压表的区别主要是以A/D转换方式而加以 区分的。 A/D转换包括对模拟量的采样，再将采样值进行整 量化处理，最后通过编码等实现转换过程。按其 基本工作原理主要分为比较型和积分型两大类。 （1）比较型 （2）积分型 ① 斜坡式A/D变换器 ② 双积分式A/D变换器
（2）双积分式A/D变换器
在一个测量周期内用同一个积分器进行两次积分，将被测电压Ux 转换成与其成正比的时间间隔。在此时间间隔内填充标准频率的 时钟脉冲，以其脉冲个数来反映Ux的大小。
工作过程分为准备、采样和比较阶段
双积分式A/D变换器的工作波形
1）准备阶段（t0 ~ t1）： 积分器输入电压为零， 使输出电压也为零，计数器复零.
（1）逐次逼近比较式A/D变换器
其基本原理是用被测电压和一个可变的己知电压〔基准电压〕 进行比较，直至比较结果相等，达到测出被测电压值的目的。
由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器（ SAR）、逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。
•逐次逼近比较式A/D变换器的工作原理与天平称重相 类似，被测量好比是被称的重物，等效数字量好比砝码 。
数字万用表原理及发展
掌握要点:
1.模拟式万用表与数字式万用表的不同. 2.模拟式电压表的测量原理 3.数字式万用表的测量原理
模拟式万用表
基本电物理量测量：电压/电 流/电阻，俗称三用表
指针式万用表小巧结实，经 济耐用，灵敏度高，但读数 精度差
模拟万用表的表头：动圈式与动铁式的不同
模拟万用表原理
利用灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头，配以适 当的外围电路，可将模拟电压表扩展为万用表。
模拟表的测量特点:
结构简单,使用方便 误差取决于表头本身和倍压电阻的准确度 灵敏度不高,输入电阻低,负载效应不可忽略
为解决普通模拟表灵敏度不高,输入电阻低的缺点, 发展了电子电压表（P197）
试功能外．还可测试电容、温 度和频率等参数 过载保护及杭干扰能力强
高精度数字万用表
非常高的精度和准确度 ，达到５位半以上
更多的测量功能 高速高精度的数据采集 集成各种通信接口
国产RIGOL DM3000 高精度数字万用表
3½ 位数字万用表
<50元
500ppm最小读数
6½ 位数字万用表
控
制
USB、GPIB 以太网 RS232
巡检接口
电气隔离的数据通道
数字万用表的相关概念及原理
（1）有效值
定义：若某一交流电与另一直流电在相同时间内 通过同一电阻产生相等的热量，则这一直流电的 电压、电流的数值分别是该交流电的电压、电流 的有效值。
任何周期量的有效值,定义为它的均方根值
有时用均方根值Urms表示。
>2000元 0.5ppm最小读数
DM3000原理框图
模拟输入端
DCV
ACV ACI
ACV量程放大 RMS-DC变换器
DCI, ACI
分流器
R, C
欧姆和电容
DCV量程 和虑波
AD变换器 （ADC）
DCV参考基 准
恒流源 参考基准
DM3000 工作原理框图
显示和面 板按键
模
拟
部
CPU处理
分
器和控制
在t2时刻积分器的输出电压为：
U01 =
（1）
T1= t2 – t1为定时采样时间 3）比较阶段（t2~ t3 ）：在t2时刻，控制电路使
开关S接通与Ux极性相反的基准电压UR，积分器开 始大对、趋UR向反于向零积。分同，时其，输控出制电电压路从使U闸01门反打向开逐，渐计增数 器对时钟脉冲进行计数。当积分器输出电压等于零 时，即t3时刻，零比较器输出信号给控制电路使开 关S断开，关闭闸门，计数器停止计数，并将计数 结果（设计数值为N2）送至显示器显示。
动圈式仪表是直流仪表的主流
在工频电源的交流电流、电压测 量时动铁式仪表的应用最广泛
模拟式直流电压测量
1、单量程电压表
单量程直流电压表原理图
用单独的一个磁电式表头就可测量小于 ug=I0·Rg 的直流电 压,若要测量较大的电压，可利用串联电阻分压原理，即在表头 上串联一个适当阻值的电阻。
2. 多量程电压表 多量程直流电压表原理图
电子电压表
输入阻抗
Ri=(R1+R2+R3)/ Ri’ ≈ R1+R2+R3(一般大于
10MΩ)
输入阻抗很大,且与量程
无关
接入放大器提高电压
Ri’
表的灵敏度
通过放大检波电路，将被测电压变换成直流电压，然后进行侧量。 其实质仍然是模拟式电压表
1 模拟万用表 2 数字万用表
源自文库
数字式万用表
快速精确读数 更高的精度和准确度 除具有指针式万用表的一般测
在t1时刻，逻辑控制电路使开关S接通UX，积分器开 始对UX积分，设UX＞0，则积分器输出电压线性递 减 ，反之线性递增 。
至t2时刻，即计数器计数达到最大容量N1时 ，计数 器输出溢出信号，逻辑控制电路使开关S断开、关闭 闸门、计数器复零。
•将被测电压Ux与分级递减的各级基准电压Er（砝码） 逐一进行比较。按“大者弃，小者留”的原则，依次从高 位到低位逐一进行比较，使输出的基准电压与被测电压 逼近相等。
•当Ux=Uref时，比较器输出为零，相当于天平平衡， 最终数字输出的数值就是被测信号的电压值。
特点：
1、逐次逼近比较式A/D变换器测量速度快； 2、精度取决于权电阻网络和基准电压源的精度，且与 D/A转换位数有关； 3、抗串模干扰能力差。
通过比较，可得结论:
模拟磁电式电压表的内阻与电压量程有关,量程越大, 内阻也越大.
模拟磁电式电压表的内阻与电流表表头灵敏度有关.灵
敏度越高,满偏电流Im 越小,内阻Rv越大.
(在同一量程下) 电压灵敏度= Rv(内阻)/U(量程)=每伏欧姆数(常标注
在万用表上)
灵敏度高指为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小.
（2）平均值
平均值 ：在数学上定义为
对纯交流电压来说，由于 =0，将无法用平均值来 表征它的大小。
定义：通常是指经过测量仪器检波后的平均值，分 为全波平均值和半波平均平均值。
全波平均值是指交流电压经全波检波后的全波平均 值，即
数字万用表的一般框图
数字万用表的核心：A/D转换器
电压的数字化测量的核心是模数（A/D）转换，各 类数字电压表的区别主要是以A/D转换方式而加以 区分的。 A/D转换包括对模拟量的采样，再将采样值进行整 量化处理，最后通过编码等实现转换过程。按其 基本工作原理主要分为比较型和积分型两大类。 （1）比较型 （2）积分型 ① 斜坡式A/D变换器 ② 双积分式A/D变换器
（2）双积分式A/D变换器
在一个测量周期内用同一个积分器进行两次积分，将被测电压Ux 转换成与其成正比的时间间隔。在此时间间隔内填充标准频率的 时钟脉冲，以其脉冲个数来反映Ux的大小。
工作过程分为准备、采样和比较阶段
双积分式A/D变换器的工作波形
1）准备阶段（t0 ~ t1）： 积分器输入电压为零， 使输出电压也为零，计数器复零.
（1）逐次逼近比较式A/D变换器
其基本原理是用被测电压和一个可变的己知电压〔基准电压〕 进行比较，直至比较结果相等，达到测出被测电压值的目的。
由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器（ SAR）、逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。
•逐次逼近比较式A/D变换器的工作原理与天平称重相 类似，被测量好比是被称的重物，等效数字量好比砝码 。
数字万用表原理及发展
掌握要点:
1.模拟式万用表与数字式万用表的不同. 2.模拟式电压表的测量原理 3.数字式万用表的测量原理
模拟式万用表
基本电物理量测量：电压/电 流/电阻，俗称三用表
指针式万用表小巧结实，经 济耐用，灵敏度高，但读数 精度差
模拟万用表的表头：动圈式与动铁式的不同
模拟万用表原理
利用灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头，配以适 当的外围电路，可将模拟电压表扩展为万用表。
模拟表的测量特点:
结构简单,使用方便 误差取决于表头本身和倍压电阻的准确度 灵敏度不高,输入电阻低,负载效应不可忽略
为解决普通模拟表灵敏度不高,输入电阻低的缺点, 发展了电子电压表（P197）
试功能外．还可测试电容、温 度和频率等参数 过载保护及杭干扰能力强
高精度数字万用表
非常高的精度和准确度 ，达到５位半以上
更多的测量功能 高速高精度的数据采集 集成各种通信接口
国产RIGOL DM3000 高精度数字万用表
3½ 位数字万用表
<50元
500ppm最小读数
6½ 位数字万用表
控
制
USB、GPIB 以太网 RS232
巡检接口
电气隔离的数据通道
数字万用表的相关概念及原理
（1）有效值
定义：若某一交流电与另一直流电在相同时间内 通过同一电阻产生相等的热量，则这一直流电的 电压、电流的数值分别是该交流电的电压、电流 的有效值。
任何周期量的有效值,定义为它的均方根值
有时用均方根值Urms表示。
>2000元 0.5ppm最小读数
DM3000原理框图
模拟输入端
DCV
ACV ACI
ACV量程放大 RMS-DC变换器
DCI, ACI
分流器
R, C
欧姆和电容
DCV量程 和虑波
AD变换器 （ADC）
DCV参考基 准
恒流源 参考基准
DM3000 工作原理框图
显示和面 板按键
模
拟
部
CPU处理
分
器和控制
在t2时刻积分器的输出电压为：
U01 =
（1）
T1= t2 – t1为定时采样时间 3）比较阶段（t2~ t3 ）：在t2时刻，控制电路使
开关S接通与Ux极性相反的基准电压UR，积分器开 始大对、趋UR向反于向零积。分同，时其，输控出制电电压路从使U闸01门反打向开逐，渐计增数 器对时钟脉冲进行计数。当积分器输出电压等于零 时，即t3时刻，零比较器输出信号给控制电路使开 关S断开，关闭闸门，计数器停止计数，并将计数 结果（设计数值为N2）送至显示器显示。
动圈式仪表是直流仪表的主流
在工频电源的交流电流、电压测 量时动铁式仪表的应用最广泛
模拟式直流电压测量
1、单量程电压表
单量程直流电压表原理图
用单独的一个磁电式表头就可测量小于 ug=I0·Rg 的直流电 压,若要测量较大的电压，可利用串联电阻分压原理，即在表头 上串联一个适当阻值的电阻。
2. 多量程电压表 多量程直流电压表原理图
电子电压表
输入阻抗
Ri=(R1+R2+R3)/ Ri’ ≈ R1+R2+R3(一般大于
10MΩ)
输入阻抗很大,且与量程
无关
接入放大器提高电压
Ri’
表的灵敏度
通过放大检波电路，将被测电压变换成直流电压，然后进行侧量。 其实质仍然是模拟式电压表
1 模拟万用表 2 数字万用表
源自文库
数字式万用表
快速精确读数 更高的精度和准确度 除具有指针式万用表的一般测