数字万用表原理及详细介绍

1、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

2、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，最大显示数为土 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

3、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 Q "、"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

4、小量化单位为，则数字信号的大小一定是的整数倍， 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，设二O.lmV,把被测电压U与比较，看U是的多少倍，并把结 果四舍五入取为整数N。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，N1000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 (0.1mV)的1234倍，即N=1234,显示结果为123.4 (mV。这样的数

5、字表头， 再加上电压极性判别显示电路， 就可以测量显示199.9199.9mV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，U0为数字电压表头的量程(如200mV，r为其内阻(如10MQ), r“U i0r2为分压电阻，U°为扩展后的量程。由于r >> r 2,所以分压比为U ° r2(2-1)U i012扩展

6、后的量程为Ui0 - 12u°(2-2)1#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 , 53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=Rh， 即被测电流h=U/R若数字表头的电压量程为U0,欲使电流档量程为1°,则该档 的取样电阻为R=Ud/ I o。如Uo=200mV则I °=200mA当的分流电阻为R=1Q。IiUiIN+数字电压表IN -图2-3电流测量原理多量程分流器原理电路见图2-4 所示。图

7、2-4多量程分流器电路实际数字万用表的直流电流档电路为图2-5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,2m5(2-3)再计算下一档的R4 ,= 0.9(2-4)依次可计算出 艮、艮和Ri分别为9门、901】、9001】。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、D2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

8、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为其原理简图交流电直流电压输出交流电 压校准图2-6 AC-DC变换器原理该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75

9、0V。数字万用表交流电压、电流档适用的频率范围通常为40400Hz 有些型号的交流档测量频率可达 1000Hz,5电阻测量电路2-7。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Zd图2-7电阻测量稳压管Zd提供测量基准电压，流过标准电阻R和被测电阻R的电流基本相等。 所以A/D转换器的参考电压 4ef和输入电压Un有如下关系：U REFR0二 R-(2-5)U INRX即Rx 二f “Ro(2-6)U REF根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是Un与Uef的比值，当Un=URe时显示“ 1000”，Un = 0.5 URef时显示“ 500”，以此类推。所以，当R<

10、= R0时, 表头将显示“ 1000”，当R = 0.5 R)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200Q档，取R)1=100Q，小数点定在千位上。当 R变化 时，显示值相应变化，可以从 0.001k Q测到1.999k Q。数字万用表多量程电阻 档电路见图2-8。由上分析可知,Ri = Roi=1OOQR2= R02 Roi = 1000 100= 900QR3 = R03 R02 = 10k 1k = 9k图2-8中由正温度系数热敏电阻 R与晶体管T组成了过压保护电路，以防误 用电阻档去测咼电压时

11、损坏集成电路。当误测咼电压时，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

12、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。aTfreTdHbHfHCHabkPMOSUdU0SC2cU0SC3bUTESTaUW沪fU讪卜-3eUfftHF-dT ICL71O6COMcTbTCAZBUFINT忙日CHaH

13、gHBP%LJznuLl24kll2乩glOO也J5亍仃厂门 弭M&F加灿 云共伽1231302928RPb9V -0+±,C 0WAI 0"II®啤匝 丄COM 卫竝鬲1 a27|軒W卸F2452J211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：1000个计数脉冲周期用于输入信号；0-2000个计数脉冲周期用于基准电压积分；1000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。 為、Co组成输入端阻容滤波电路，以提高仪表抗干 扰能力。恵、C与

14、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50Hz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1/2.2 RsC计算。仪表的测量速率可按 MR=/16000计算，可算得f40kHz, MR=2.5 次/s。C9为基准电容。C1为自动调零电容。氏2、C2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!通，S与COM之间有2.72.9V 的稳压输出。基准电压由R8、R9、FP3、和 甩组成的分压器供给。调整RP3可使VRE=100.0mV 设7106内

15、部的基准电压Eo=2.8V，则当RR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 T1是固定不变的，但比较时间即反向积 分时间T2是随输入电压V的大小而改变。R20 | R48(R18 |R19)+ RP3 +(R20|R48)当RP3的滑动触头调到最上端时,RP3 (R20 R48)E0 = 91.5mV(3-1 )iE0 = 107.3mV(R18 R19) + RP3 + (R20IIR48)(3-2)7所以，FP3的电压调整范围是95.1107.3mV,从中可调出VRE=100.0mV甩、R。、C8组成基准电压输入端的高频滤波器。2.4测量电路(1 )直流

16、电压测量电路如图3-4所示。C)722 pF470k<J 200inV31G,O22pF200V2V32COM71061000V局1卡尺12 ikaCOM 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勺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。RR是分 压电阻，通过调整RP2使R+RP2=9MQ。R6是限流保护电阻，C7是消除高频噪声干 扰的电容。RF5、Rcu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

17、Flu是用黄铜丝制成，以便能通过较大的电流。F5是线绕电阻,仅在测大电流时需使用“ 10A”插孔，并将Si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、D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，禾I用双运放 TL062其中的一 组运放和二极管D7、C8构成线性半波整流器。Ci是输入耦合电容，B、B、6、 D2作运放输入端过压保护，C5和C2为隔直电容。艮3是运放的负反

18、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，D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，D8导通，D截止，IC2a输出电流流向为IC2a G-忠R7 RP4COM模拟地)；负半周时流向为 COM f RR RP>7艮4 D G IC2a。从原理上讲，这属于半波整流电路。由 艮5、R7、RP4构成分压电路，调整RR可改变输出电压，供校准交流电压档用。 艮6和C6为平 滑滤波器，获得平均值电压 V。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IC2a的放大作用，即使

19、输入信号较弱，也能保证D8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。47(Jkll200mV j0 1 St 屮2V120Vo£I!COMRPjWOO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R)的数值，即可构成多量程数字欧

20、姆表。测电阻时，原来的 基准电压分压电路全部断开，改由 Ri3、B和D4组成分压器，并以标准电阻(即 R、RP2、RR2)上的压降作为基准电压，以被测电阻 R上的压降为输入电压V。Ri3是二极管D、D4的限流电阻。在2k Q、20kQ、200kQ、2MQ和20MQ这五个 电阻档，D4被短路，加在Vref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0.60.7V。在200Q档，VRen端和COM端之间的电压为D3、D4串联的 正向压降，约为1.21.4V。V/11rRCOM£ua)EO-2.8VT 辔 M0 Sh9治十吧 覘20002kfl 0!1.9MQ lOOkH 90k(l 9kO 90001000-CDr