数字万用表设计

1、数字(shz)万用表设计原理机电(jdin)实践班2010.3共二十六页1. 数字(shz)万用表的特性与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性： 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（指电流强度，下同(xitng)）0.1A、电阻0.1，远高于一般的指针式万用表。共二十六页 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

2、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。 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。 自动判别极性指针式万用表通常采用(ciyng)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。共二十六页 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(tbi)是电阻档的刻

3、度，既反向读数（由大到小）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。 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。 抗过载能力强共二十六页当然，数字万用表也有一些缺点，如： 测量时不象指针式仪表那样能清楚直观地观察到指针偏转的过程，在观察充放电等过程时不够方便。不过有些新型数字表增加了液晶显示条，能模拟指针偏转，弥补这一不足。 数字万用表的量程转换开关通常与电路板是一体的，触点容量小，耐压不很高，有的机械强度不够高，寿命不够长，导致用旧以后换档不可靠。 一般数字万

4、用表的V/档公用一个表笔插孔，而A档单独用一个插孔。使用时应注意根据(gnj)被测量调换插孔，否则可能造成测量错误或仪表损坏。共二十六页2. 数字(shz)万用表的基本组成图1 数字万用表的基本(jbn)组成 数字显示屏（LED或液晶）模数转换，译码驱动基准电压小数点驱动（配合被测量与量程）过压过流保护过压过流保护分档电阻（量程转换）分压器（量程转换）分流器（量程转换）交流直流变换器（放大、整流、滤波）直流被测量输 入交流VREF电流电压电阻VIN共二十六页 除了图（1）中的基本(jbn)组成部分之外，数字万用表通常还有蜂鸣器电路、二极管检测电路、三极管hFE测量电路、低电压指示电路等（如DT

5、830A型）。有的表还设有电容测量电路、温度测量电路、自动延时关机电路等（如DT890C+、M890D、KT105等型号）。更新型的还有电感、频率测量电路（如DT930F+、KT102、VC9808等型号）。共二十六页3.模数（A/D）转换与数字(shz)显示电路 常见的物理量都是幅值（大小）连续变化的所谓模拟量（模拟信号）。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（通常是电压信号）转换成数字信号，再进行显示和处理（如存储、传输、打印、运算等）。 数字信号与模拟信号不同，其幅值（大小）是不连续的。就是说数字信号的大小只能是某些分立(fn l)的数值。就象人站

6、在楼梯上时，人站的高度只能是某些分立(fn l)的数值一样。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位（量化台阶）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（译码）后由数码管或液晶屏显示出来。共二十六页 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，一般的仪器仪表生产者、使用者只要知道该类集成电路的管脚及特性，就能使用了。 本安装实验使用的数字万用表其核心是一个三位半数字表头，它由数字表专用A/D转换译码驱动集成电路和外围元件、液晶显示电路构成。该表头有个输入(shr)端，包括个测量电压输入(shr)端

7、（IN+、IN-）、个基准电压输入端（VREF+、VREF-）和个小数点驱动输入端。共二十六页4. 直流电压测量(cling)电路在数字(shz)电压表头前面加一级分压电路（分压器），可以扩展直流电压测量的量程。如图所示，U0为数字电压表头的量程（如200mV），r为其内阻（如10M），r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。 由于r r2，所以分压比为扩展后的量程为 图 分压电路原理数字电压表r1rrU0Ui0共二十六页多量程分压器原理电路(dinl)见图（），档量程的分压比分别为、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为200m V、2V、20V、200V和2000

8、V。 图 多量程分压器原理10M99k9k1M1k数字电压表200mV200V20V2VUi2000V IN+ IN共二十六页 采用图的分压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，这在实际使用中是所不希望的。所以，实际数字万用表的直流电压档电路为图所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到(d do)同样的分压效果。2000V数 字电压表1k9k90k900k9MR5R4R3R2R1Ui200mV2V200V20VIN+IN 尽管上述(shngsh)最高量程档的理论量程是2000V，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑， 规定最高电压量限为1000V。 图 实用分压

9、器电路 共二十六页5.直流电流测量(cling)电路测量电流的原理是：根据欧姆定律，用合适的取样电阻(dinz)把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。如图，由于rR，取样电阻R上的电压降为 Ui=R*Ii 即被测电流 ： Ii=Ui/R 数字电压表IN+INRUirIi若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻（也称分流电阻）为R=U0/I0如U0=200mV，则I0=200mA档的分流电阻为R=1。 图 电流测量原理 共二十六页 图中的分流器在实际使用中有一个缺点(qudin)，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

10、流档电路为图所示。1k101100数字电压表2A2mA20mA200mAUi200AIN+IN0.1Ii数 字电压表0.10.9990900R5R4R3R2R1IN+IN2A200mA20mA2mA200AD1D2IiUi图 多量程(lingchng)分流器电路 图 实用分流器电路 FUSE共二十六页 图中的FUSE是2A保险丝管，电流过大时会(sh hu)快速熔断，起过流保护得作用。两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、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，

11、两端电压被限制住（小于0.7V），保护仪表不被损坏。 注意：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。共二十六页6. 交流电压(diny)、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(zhhu)加入了一级交流-直流（AC-DC）变换器，图为其原理简图。A交流电压输入直流电压输出图 AC-DC变换器原理简图交流电压校准共二十六页 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

12、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（有效值）。 数字万用表交流电压、电流档适用的频率范围通常为40400Hz（如DT830A、M3900等型号(xngho)），有些型号(xngho)的交流档测量频率可达1000Hz（如M3800、PF72等）。共二十六页7.电阻测量(cling)电路数字万用表中的电阻档采用(ciyng)的是比例测量法，其原理电路见图。由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻R0和被测电阻Rx的电流基本相等（数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计）。所以

13、A/D转换器的参考电压UREF和输入电压UIN有如下关系：RxIN+ZDA/D转换及数字表头R0IN-VREF+VREFUREFUIN 图9 电阻测量原理共二十六页 根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与UREF的比值，当UINUREF时显示“1000”，UIN0.5UREF时显示“500”，以此类推。所以，当RxR0时，表头(bio tu)将显示“1000”，当Rx0.5R0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200档，取R01=100，小数点定在十位上。当Rx=100时，表头就会显示

14、出100.0()。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.1测到199.9。 又如对2k档，取R02=1k，小数点定在千位上。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.001k测到1.999k。共二十六页数字(shz)万用表多量程电阻档电路见图10。由上分析可知，R1R01=100R2R02R011000100900R3R03R0210k1k9kRxIN+A/D转换及数字表头RtIN-VREF+VREF 图10 电阻测量电路R1R2R3R4900k90k9k900100PTCT+V2002k20k200k2MR5 图10中由正温度系数（PTC）热敏电阻Rt与晶体管T组成了过压保护电路，以防误用电

15、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Rt随着电流的增加(zngji)而发热，其阻值迅速增大，从而限制了电流的增加(zngji)，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，Rt和T都能恢复正常。共二十六页DT830数字(shz)万用表原理共二十六页DT830-电压(diny)测量回路共二十六页DT830交流电压测量(cling)回路共二十六页DT830直流电流测量(cling)回路共二十六页DT830比例法电阻(dinz)测量回路共二十六页内容摘要数字万用表设计原理。与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：。 高准确度和高分辨力。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