数字万用表 毕业论文.doc

编号：山西信息职业技术学院毕业论文（设计）题目:数 字 万 用 表姓名: 论文指导教师 信息工程系 学生所在系部 信息工程系 专业名称 应用电子技术 论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日 2010年3月15日 摘要数字万用表，在国家标准中称作复用表，是由数字电压表配上相应的功能转换电路构成的。它可以对交、直流电流，交、直流电压，电阻，电容以及频率等多种参数进行直接测量。也可用于粗略判断晶体三极管、集成电路等元件的性能好坏。在测量中，要求万用表的接入不影响被测电路原来的工作状态，故要求电压表应具有无穷大的输入电阻、电流表的内阻应为零。为提高测量精度，选用运算放大器来制作数字万用表。这是从运算放大器电路的结构、原理出发，在阐述运算放大器电路结构和原理的基础上，采用运算放大器设计电路实现万用表的电路设计。关键字：数字万用表 运算放大器 a/d转换abstractdigital multimeter, in national standard called reuse table, is by the digital voltmeter match on the corresponding function transform circuit form. it can be to ac, dc current, ac, dc voltage, resistance and capacitance and frequency and so on many kinds of parameters measured directly. can also be used to judge a transistor, integrated circuit elements such as performance is good. in the measure for the access does not affect the multimeter circuit under test of the original work of the state, the requirements should have an infinite voltmeter input resistance, resistance of the ammeter should be zero. to improve the measurement precision, choose operational amplifier to make digital multimeter. this is from operational amplifier circuit structure, principle, the paper operational amplifier circuit structure and principle, and on the basis of the operational amplifier circuit design realize the multimeter circuit design. key word: digital multimeter operational amplifiers a/d conversion目录前言 4第1章 制作的目的及要求51.1 目的51.2 要求5第2章 数字万用表的组成52.1数字万用表的面板52.2 数字万用表的结构62.2.1表头62.2.3测量电路62.3 相关概念及原理62.3.1 色环电阻62.3.2 运算放大器的工作原理72.3.4运算放大器调零电路原理72.3.5a/d转换82.3.6双积分型a/d转换器9第3章 数字万用表的原理93.1欧姆表的原理与电路图103.2交流电流的电路图（a=0，b=0）113.3交流电压的电路图（a=0，b=1）123.4直流电流的电路图（a=1，b=0）13第4章 数字万用表的安装与调试144.1电路板元器件的安装与焊接144.2液晶显示器件的安装144.3开关及印制板的安装154.4 数字万用表的调试154.4.1零点校准154.4.2直流电压档的调试154.4.3交流电压档的调试164.4.4电阻档的调试164.4.5直流电流档的调试164.4.6交流电流档的调试164.4.7三极管hfe档的调试16第5章 数字万用表的使用165.1电压的测量165.2电流的测量175.3电阻的测量175.4电容容量的测量185.5三极管值的测量185.6电路导通状态的测量18 总结19致 谢20参考文献20前言数字万用表是把连续的被测模拟量自动地变成断续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量的一种测量仪表，一般情况以测量电流、电压和电阻为主要目标，亦可测量电容、电感等。通过组装万用表，能够进一步熟悉万用表的结果、工作原理和使用方法，了解理论的实际应用，熟悉仪表的装配和调试方法。与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：1）高准确度和高分辨力三位半数字式电压表头的准确度为0.5，四位半的表头可达0.03，而指针式万用表中使用的磁电系表头的准确度通常仅为2.5。分辨力即表头最低位上一个字所代表的被测量数值，它代表了仪表的灵敏度。通常三位半数字万用表的分辨力可达到电压0.1mv、电流0.1a、电阻0.1，远高于一般的指针式万用表。2）电压表具有高的输入阻抗电压表的输入阻抗越高，对被测电路影响越小，测量准确性也越高。三位半数字万用表电压档的输入阻抗一般为10m，四位半的则大于100m。而指针式万用表电压档输入阻抗的典型值是20100k/v。3）测量速率快数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数，它主要取决于a/d转换的速率。三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒24次，高的可达每秒几十次。4）自动判别极性指针式万用表通常采用单向偏转的表头，被测量极性反向时指针会反打，极易损坏。而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性，使用起来格外方便。5）全部测量实现数字式直读指针式万用表尽管刻画了多条刻度线，也不能对所有档进行直接读数，需要使用者进行换算、小数点定位，易出差错。特别是电阻档的刻度，既反向读数又是非线性刻度，还要考虑档的倍乘。而数字万用表则没有这些问题，换档时小数点自动显示，所有测量档都可以直接读数，不用换算、倍乘。6）自动调零由于采用了自动调零电路，数字万用表校准好以后使用时无需调校，比指针式万用表方便许多。7）抗过载能力强数字万用表具备比较完善的保护电路，具有较强的抗过压过流的能力。第1章 制作的目的及要求1.1 目的（1）了解万用表的基本工作原理及其相关组成部分；（2）掌握用运算放大器组成万用表的设计方法；（3）掌握万用表的主要技术指标和调试方法，学会制作、和使用数字万用表。1.2 要求1）根据技术指标要求选择方案绘制原理电路图；2）根据电路图，会分析工作原理。第2章 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。2.1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 、ma、10a插孔中。2.2 数字万用表的结构数字万用表，测量电路或元件的电阻、电流、电压等的多量程仪表，一般包含安培表、电压表、欧姆表等功能，有时也称三用电表等。数字万用表主要由三部分组成：表头、测量电路和转换装置。2.2.1表头表头是一只直流微安表，它是万用表的核心，万用表的很多重要性能，如灵敏度等大都取决于表头的性能。表头的灵敏度是以满刻度时的测量电流来衡量的，此电流又称满偏电流，表头的满偏电流越小，灵敏度就越高。2.2.3测量电路测量电路的作用是把被测的电量转化为适合于表头要求的满偏电流以内。测量电路一般包括分流电路、分压电路和整流电路等。分流电路的作用是把被测量的大电流通过分流电阻变成表头所需的微小电流；分压电路是将被测高电压通过分压电阻分压变换成表头所需的低压；整流电路将被测的交流通过二极管整流变成表头所需的直流。2.3 相关概念及原理2.3.1 色环电阻色环电阻，是在电阻封装上（即电阻表面）涂上一定颜色的色环，来代表这个电阻的阻值。表一为色环电阻的参数。表2-1 色环电阻信息读取的参数黑棕红橙黄绿蓝紫灰白0123456789倒数第二环，表示零的个数。最后一位，表示误差。口诀：棕一红二橙是三，四黄五绿六为蓝七紫八灰九对白，黑是零，金五银十表误差。例如：红，黄，棕，金表示240 5%。色环电阻分四环和五环，通常使用四环电阻。五环电阻为精密电阻，前三环为数值，最后一环还是误差色环，通常也是金和银两种颜色，金的误差为5%，银的误差为10%，无色的误差为20%精密电阻通常用于军事，航天等方面。2.3.2 运算放大器的工作原理运算放大器具有两个输入端和一个输出端，如图2-1所示。如果先后分别从两个输入端输入相同的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号。其中，输出端输出的信号与同相端输入的信号相同，与反相输入端的信号相反。图2-2集成运算放大器的符号特性：（1）运算放大器的放大倍数为无穷大（2）运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零。由于放大器的放大倍数为无穷大，故不能将运算放大器直接用来做放大器用，须要将输出的信号反馈到反向输入端（称为负反馈）来降低放大倍数。如图2-3为运算放大器的反馈电阻接法。反相接法 同相接法图2-3运算放大器的反馈电阻接法2.3.4运算放大器调零电路原理由于失调电压及失调电流的存在，输入为零时输出往往不为零。对于内部无自动稳零措施的运放需要外加调零电路，使之在零输入时输出为零。对于单电源供电的运放，常需在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，就是运算放大器的调零。制作时采用的集成运算放大器为ha17741，其引脚如图2-4所示。其中引脚1和引脚5构成调零回路。图2-4 运算放大器ha17741引脚以ha17741型集成运算放大器为例，图2-4给出了常用外部调零电路。它的调零电路由-12v电源、50k的电阻和调零电位器w1组成。调零时应将电路接成闭环，将两个输入端接“地”，调节调零电位器，使输出电压为零。（注：图2-5适用于测量电路与运算放大器共地的有关电路。此外，当被测电压较高时，在运放的输入端应设置衰减器。）图2-5 外部调零电路2.3.5 a/d转换在a/d转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再将这些取样值转换成输出的数字量。因此，a/d转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后，再开始下一次取样。2.3.6双积分型a/d转换器在数字万用表制作中，使用的a/d转换器类型为双积分型a/d转换器。双积分型a/d转换器是一种间接a/d转换器，它首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。第3章 数字万用表的原理数字万用表的测量过程由转换装置将被测量转换成直流电压信号，再由模/数(a/d)转换器将电压模拟量转换成数字量，然后通过电子计数器计数，最后把测量结果用数字直接显示在显示屏上。如图3-1所示转换电路a/d转换电子计数译码显示被测信号图3-1数字万用表测量过程如图3-2为数字万用表组成框图小数点驱动（配合被测量与量程）模数转换、译码驱动数字显示屏（led）基准电压分流器（量程转换）分压器（量程转换）分档电阻（量程转换）过压过流保护过压过流保护交流、直流变换器（放大、整流、滤波）被测量输入电阻电压电流直流交流vrefvin图3-2数字万用表组成框图3.1欧姆表的原理与电路图在图3-3的电路中，运算放大器改用单电源供电，被测电阻rx跨接在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压uref。 upunurefi1ix 即 流经表头的电流由上两式消去(uouref) ，可得 可见，电流i与被测电阻成正比，而且表头具有线性刻度，改变r1值，可改变欧姆表的量程。这种欧姆表能自动调零，当rx0时，电路变成电压跟随器，uouref，故表头电流为零，从而实现了自动调零。图3-3欧姆表的原理图二极管d起保护电表的作用，如果没有d，当rx超量程时，特别是当rx，运算放大器的输出电压将接近电源电压，使表头过载。有了d 就可使输出钳位，防止表头过载。调整r2，可实现满量程调节。3.2交流电流的电路图（a=0，b=0）图3-4为浮地交流电流表，表头读数由被测交流电流i的全波整流平均值i1av决定，即。如果被测电流i1为正弦电流，即ii1sint，则上式可写为，则表头可按有效值来刻度。图3-4 浮地交流电流表的原理图3.3交流电压的电路图（a=0，b=1）由运算放大器、 二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表，如图3-5所示。被测交流电压ui加到运算放大器的同相端，故有很高的输入阻抗，又因为负反馈能减小反馈回路中的非线性影响，故把二极管桥路和表头置于运算放大器的反馈回路中，以减小二极管本身非线性的影响。图3-5 交流电压表的原理图表头电流i与被测电压ui的关系为电流i全部流过桥路，其值仅与uir1有关， 与桥路和表头参数（如二极管的死区等非线性参数）无关。表头中电流与被测电压ui的全波整流平均值成正比，若ui为正弦波，则表头可按有效值来刻度。被测电压的上限频率决定于运算放大器的频带和上升速率。3.4直流电流的电路图（a=1，b=0） 如图3-6所示，是浮地直流电流表的原理图。若被测电流无接地点，就属于浮地直流电流这种情况。为此，应把运算放大器的电源也对地浮动，按此种方式构成的电流表就可像常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。图3-6 浮地直流电流表的原理图其中，表头电流i与被测电流i1间关系为: i1r1（i1i）r2 可见，改变电阻比（r1r2），可调节流过电流表的电流，以提高灵敏度。如果被测电流较大时，应给电流表表头并联分流电阻。第4章 数字万用表的安装与调试4.1电路板元器件的安装与焊接1）插装并焊接电阻器r9、r18、r8、r21,立式安装电阻器时，要求电阻本体紧靠印制板，引线上弯半径r为1，表示第一位有效数字的色环朝上，如图5-1；卧式安装时，表示第一位有效数字的色环朝左以印制板图上的字作为参考方向。图 5-1 电阻立式安装示意图 图5-2 表笔插座安装示意图2）com、10a、v/ma 表笔插座的安装如图7-2,在元件面，将插座焊接在印制板上，在需焊接的地方涂少许松香，插座应与印制板先垂直，否则将难以准确，将插座装入外壳相应的插座孔中。3）安装电容器c2、c3、c4、c1、c5，电容安装时应使其数值易于观。4）电位器vr1的安装。5）安电阻器r13、r15、r26、r14、r25、r19、r20、r12、r11、r17、r10、r16、r6、r5、r7、r4、r3、r2、r1 。6）插接二极管d1三极管q1、q2。7）分流电阻r0（铜线）的安装。8）hfe插座安装。在元件面焊接，标志凸筋对准仪器外壳相应部位的凹槽。9）安装保险管卡，保险管止销朝外。10）安装弹簧、电池极扣引线。4.2液晶显示器件的安装1）将框架放正，液晶片数字显示面朝下标志凸起朝右放在框内。2）将两斑马胶条直立放入框架内，下边与液晶片相接触。3）将印制板焊接面上方与液晶片相对应的引出电极用酒精擦拭凉干后反扣。将框架安装在印制板上，并注意斑马胶条的位置是否正确，在上边用酒精擦拭时可顺便将开关部分引出电极擦拭干净，准备下一步开关安装。4.3开关及印制板的安装1）将开关平放，将接触片安装在开关相应的筋条上。2）将开关反放，接触片一面朝上，将两弹簧涂上少许凡士林油分别放入两圆孔中；再将两滚珠涂上少许凡士林油分别放在两弹簧上。3）将开关托起，即开关的标志小圆孔与off位置相对应地放入外壳的开关孔中。4）将外壳正面朝下拿在手中，将印制板放入外壳中，用两个短螺钉将印制板与外壳固定，拧紧螺钉并压住开关。4.4 数字万用表的调试4.4.1零点校准把两支表笔短接，将量程转换开关依次拨至直流200mv、2v、20v、200v。4.4.2直流电压档的调试量程开关置直流电压档，把两表笔短路后，在7106的vref-与vref+两端并联一块准确度优于0.05%的四位数字电压表，测基准电压，调整多圈电位器rp3，使vref=+100.0mv。量程开关置200mv档，把直流标准电压发生器产生的100mv加到数字万用表输入端，应显示100.0mv，若显示值误差在5个字以内，可微调rp3，若显示误差较大，需首先检查仪表内部电池电压是否过低。再交换两表笔位置重测一次，应显示-100.0mv，则证明极性显示正常。然后，利用电阻分压器依次产生以下标准电压：0.1、0.2、1mv，1，210mv，10、20100mv，199.9mv，分别作为输入电压，检查仪表线性度，若有不符应考虑积分电容质量是否符合要求，必要时更换之。将1.000v标准电压加到2v档的输入端，调rp2使显示值在允许范围内，然后再将10.00v、100.0v、1000v标准电压分别加到20v、200v、1000v档的输入端，看显示是否符合规定，若超差，需检查分压电阻r7r12阻值是否改变，精度是否符合要求。4.4.3交流电压档的调试 将量程开关拨至交流200mv档，将50hz、100.0mv的标准交流电压加到仪表的输入端，应显示100.0mv。若误差较大，可微调rp4，如果误差仍较大，应检查运算放大器tl062的失调电压是否增大，必要时更换该器件。然后再将量程开关依次拨至2v、20v、200v、750v各交流电压档，将有效值为1.00v、10.00v、100.0v、250.0v的交流电压分别加到各档，检查显示值是否在规定允许范围内。4.4.4电阻档的调试 将量程开关拨至200档，仪表输入端接100标准电阻，应显示100.0，如果误差较大，应检查电池电压是否偏低，量程开关接触电阻是否过大。再将量程开关依次拨至2k、20k、200k、2m、20m档，输入端分别接入1k、10k、100k、1m、10m标准电阻，仪表应分别显示1.000k、10.00k、100.0k、1.000m和10.00m。误差不得超过规定指标范围。若误差较大，需重点检查各档标准电阻r7r12。4.4.5直流电流档的调试 当直流电压档工作正常，一般就不必再检查直流电流档，若直流电流档误差较大，应着重检查分流器的分流电阻值是否改变。必要时可用精密电桥测量分流电阻r2r5、rcu的阻值是否改变。4.4.6交流电流档的调试 若直流电流和交流电压档均已调试好，一般不需再检查交流电流档。4.4.7三极管hfe档的调试 把已经知道ib=10ua时的hfe大小的三极管插入测试插孔中，调rp1使显示值和已知值相符。第5章 数字万用表的使用5.1电压的测量在进行电压测量的时候，应当把红色表笔插在v的位置。直接将表笔并联在电路上进行测量。1）直流电压档有200mv、2v、20v、200v、1000v，共五个档位。每个档位的数值就是它所能测量的最大电压。例如：200mv的档位最大只能测量0199.9mv的直流电压。如果所测量的电压为0，表头就会显示出这样的数字：如果所测量的电压为123.4mv，表头就会显示出这样的数字：如果所测量的电压超过200mv，表头就会显示出这样的数字：2）交流电压档有200mv、2v、20v、200v、750v，共五个档位。每个档位的数值就是它所能测量的最大电压。5.2电流的测量在进行电流测量的时候，应当把红色表笔插在20a或者ma的位置。必须将测量电流的电路断开，将表笔串进电路进行测量。10、2、1直流电流档有2ma、20ma、200ma、20a，共四个档位。每个档位的数值就是它所能测量的最大电流。 例如：20ma的档位最大只能测量19.99ma的直流电流，如果所测量的电流达到20ma以上，表头就会显示出1 .的数字。10、2、2交流电流档有2ma、20ma、200ma、20a，共四个档位。每个档位的数值就是它所能测量的最大电流。5.3电阻的测量在进行电阻测量的时候，应当把红色表笔插在vo的位置。直接将表笔并联在电阻的两端进行测量。 电阻测量当有200、2k、20k、200k、2m、20m、200m，七个档位。每个档位的数值就是它所能测量的最大电阻。例如：200的档位最大只能测量199.9的电阻。在没有测量电阻的时候，表笔两端的电阻无穷大，表头就会显示出1 .的数字。如果将表笔短路，表笔两端的电阻就为零，表头就会显示出 .000的数字。如果所测量的电阻为123.4，表头就会显示出123.4的数字。5.4电容容量的测量1）万用表的电容测量档位有200uf、2uf、200nf、20nf、2nf，共五个档位。在进行电容容量测量的时候，新将万用表的功能旋钮放在测量电容的任意一个档位。2）然后直接将电容器的两个引脚插进用于测量电容的插孔，如果表头显示出1 .的数字，说明电容器的容量大于这个岗位的最大测量值。这时就应当根据情况调整挡位继续测量，直到万用表能够正常显示数据位置。 例如：20nf的挡位最大值能测量19.99nf的电容，如果被测量的电容量达到20nf以上，表头就会显示出1 .的数字。5.5三极管值的测量1）将万用表功能选择旋钮放在hfe的位置。2）根据三极管的结构类型（npn、pnp），将三极管的三个引脚插进相应的测量孔，表头所显示的数值就是三极管的值。5.6电路导通状态的测量1）将万用表功能选择旋钮放在 的位置，将万用表的红笔放在v的位置，此时万用表的两个表笔就会输出一个不大于2v的直流电压、和一个不大于2ma的直流电流。2）如果表笔所测量的电路对这个电流产生的电压降小于0.03v，万用表就会发出鸣叫声，表示该电路接近完全导通状态。3）在使用该功能的时候，表头所显示的数值，就使该电流在电路中产生的电压。例如：如果所测量的是一个二极管，表头就会显示0.700v左右的数值，说明该电流就在二极管上产生呢0.7v左右的电压。 总结数字万用表是经过历史慢慢发展来的。早期的万用表，使用磁石偏转指针的表盘，与经典的电流计相同，现代则采用lcd提供的数字显示。模拟万用表不太精确，这是因为调零和从仪表面板上准确的读数都容易产生偏差。现代万用表已全部数字化，被测量信号被转换成数字电压并被数字的前置放大器放大，然后由数字显示屏直接显示该值；这样就避免了在读数时视差带来的偏差。现在，数字式测量仪表已成为主流，已经取代模拟式万用表。与模拟万用表相比，数字万用表灵敏度高，精确度高，显示