数字万用表设计与应用

电子测量技术结课报告PAGEPAGE13目录一、数字万用表的基本组成 1二、数字万用表的工作原理与设计原理 1三、ICL7106型三位半单片（A/D）转换器 13.1ICL7106的性能特点 13.2ICL7106型三位半单片（A/D）转换器工作原理 23.3由ICL7106构成的三位半数字电压表 33.4量程设计 3四、测量电路 44.1直流电压测量电路 44.2直流电流测量电路 54.3交流电压、电流测量电路 64.4电阻测量电路 7五、基本电路及及相关转换电路 85.1交流/直流转换电路 85.2电流/电压转换电路 85.3电阻/电压转换电路 9六、组装、调试内容 9七、应用实例 10八、使用注意 11九、故障排除 11

一、数字万用表的基本组成二、数字万用表的工作原理与设计原理工作原理：万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头。当微小电流通过表头，就会有电流指示。但表头不能通过大电流，所以，必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压，从而测出电路中的电流、电压和电阻。设计原理：数字万用表的测量过程由转换电路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。万用表测量电压、电流和电阻功能是通过转换电路部分实现的，而电流、电阻的测量都是基于电压的测量，也就是说数字万用表是在数字直流电压表的基础上扩展而成的。数字直流电压表A/D转换器将随时间连续变化的模拟电压量变换成数字量，再由电子计数器对数字量进行计数得到测量结果，再由译码显示电路将测量结果显示出来。逻辑控制电路控制电路的协调工作，在时钟的作用下按顺序完成整个测量过程。三、ICL7106型三位半单片（A/D）转换器3.1ICL7106的性能特点项目ICL7106转换速率0.1~15次/s输入阻抗10000M基准电压100．0V（100mV量程）1．000V（1V量程）封装形式DIP-40电源电压单电源供电，电源电压范围是7~15V，典型值为9V显示器LED显示器显示方式静态显示，驱动线多显示特点亮度低，亮暗对比度小，寿命短，微功耗输出功能无BCD码输出，不能配计算机或打印机外围电路外围电路简单，只需5个电阻和5个电容表13.2ICL7106型三位半单片（A/D）转换器工作原理该系统采用ICL7106、四个共阴极LED数码管，ICL7106内部包括模拟电路（即双积分A/D转换器）、数字电路两大部分。输入电压经量程转换进入ICL7106进行A/D转换，直接在数码器上显示。ICL7106只有液晶笔段及背电极驱动，没有小数点驱动端。为显示小数点，需另加外围电路。原理框图：图（2）3.3由ICL7106构成的三位半数字电压表由ICL7106构成的三位半数字电压表如图所示，图中省略了小数点显示的控制电路。该仪表的量程Um=200mV,称为基本表或基本档。下面介绍各外围元件的作用。图3 、分别为震荡电阻和震荡电容。、RP组成基准电压的分压电路。其中，RP宜采用精密多圈电位器，为固定电阻，调整RP可使基准电压=100.0mV。、为模拟输入端的高阻容式滤波器，以提高仪表的抗干扰能力。因ICT7106的输入阻抗很高,输入电流极小,=0.01μF。、分别为基准电容和自动调零电容。、依次为积分电阻和积分电容。3.4量程设计由ICL7106构成的三位半数字电压表基本量程为200mV。如果需要改为2V量程，应该变上图的基准电压分压电阻、自动调零电容和积分电阻的数值，其余元件值不变，这两种量程的元件对照见表200mv与2V两成元件对照表表2（1）有的200mV基本表取=47kΩ,2V量程就应取470kΩ（2）改成1,5kΩ后会增加功耗，降低叠成电池的使用寿命，为此可把RP的电阻值调整到23.5kΩ，使与RP的总阻值仍等于25kΩ。RP采用27~40kΩ的多圈电位器。（3）鉴于基准电压一般不超过1V，因此只能改装成2V量程的数字电压表。四、测量电路4.1直流电压测量电路在数字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（4）所示，为数字电压表头的量程（如200mV），r为其内阻（如10MΩ），、为分压电阻，为扩展后的量程。图（4）分压电路原理图（5）多量程分压器原理由于r>>r2，所以分压比为=扩展后的量程为=多量程分压器原理电路见图（5），５挡量程的分压比分别为１、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为200mV、2V、20V、200V和2000V。采用图（5）的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程挡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挡电路为右图（6）所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。例如：其中200V挡的分压比为==0.001其余各挡的分压比可同样算出。实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定R总＝R1+R2+R3+R4+R5=10M再计算2000V挡的电阻R5=0.0001R总=1k再逐挡计算R4、R3、R2、R1图（6）尽管上述最高量程挡的理论量程是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。换量程时，多刀量程转换开关可以根据挡位自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。4.2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（7），由于r>>R，取样电阻R上的电压降为=R即被测电流=/R若数字表头的电压量程为，欲使电流挡量程为，则该挡的取样电阻（也称分流电阻）为：R=/如U0=200mV，则I0=200mA挡的分流电阻为R=1Ω。图(7)电流测量原理图图（8）多量程分流器电路多量程分流器原理电路见图（8）。图（8）中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换挡开关接触不良时，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流挡电路为图（9）所示。图（9）中各挡分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最大电流挡的分流电阻：===0.1Ω再计算下一档的：=-=-0.1=0.9Ω依次可计算出R3、R2和R1。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为塑封硅图（9）实用分流器电路整流二极管，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（小于0.7V），保护仪表不被损坏。用2A挡测量时，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。4.3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（AC-DC）变换器，图（10）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，还包含一个图（10）A/D变换器原理简图能调整输出电压高低的电位器，用来对交流电压挡进行校准之用。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。同直流电压挡类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高挡的量限通常限定为750V（有效值）。数字万用表交流电压、电流挡适用的频率范围通常为40~400Hz（如DT830A、M3900等型号），有些型号的交流挡测量频率可达1000Hz（如M3800、PF72等）。4.4电阻测量电路数字万用表中的电阻挡采用的是比例测量法，其原理电路见图（11）。由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻和被测电阻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A/D转换器的参考电压UREF和输入电压UIN有如下关系：=即=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UIN＝UREF时显示“1000”，UIN＝0.5UREF时显示“500”，以此类推。所以，当Rx＝R0时，表头将显示“1000”，当Rx＝0.5R0时显示因此，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挡。如对200Ω挡，取R01=100Ω，小数点定在十位上。当Rx=100Ω时，表头就会显示出100.0(Ω)。当Rx变化时，显示值相应变化，图（11）电阻测量原理可以从0.1Ω测到199.9Ω。又如对2kΩ挡，取R02=1kΩ，小数点定在千位上。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0.001kΩ测到1.999kΩ。数字万用表多量程电阻挡电路见图（11）。由上分析可知，R1＝R01=100ΩR2＝R02－R01＝1000－100＝900ΩR3＝R03－R02＝10k－1k＝9k……图（11）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，以防误用电阻挡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，Rt和T都能恢复正常。五、基本电路及及相关转换电路5.1交流/直流转换电路半波整流电路。利用二极管的单向导电性，可以很容易的得到直流电压，且能满足设计要求。如图（12）所示,这个电路是利用低漂移单运算放大器TL062与二极管D11N4148组成平均值响应的线性半波整流电路。该电路可避免二极管在小信号整理时所引起的非线性误差，使交流/直流转换电路的输入电压与输出电压成线性关系，适合测量40-400Hz的正弦电压，测量准确度优于±1%。图（12）交流/直流转换电路图5.2电流/电压转换电路如图（13）所示，普通模拟开关可以通过的电流很微小，所以通过单片机控制继电器来控制线路导通断开，将被测电流信号（0-500mA）转换为相应的电压信号（0-200mV），然后经过OP07将信号放大10倍，最后输入A/D转换器MC14433的Vin端。1A/250V的熔丝管FU为限流保护电路，两个二极管1N4007构成保护为过压保护电路。阻值为90Ω、9Ω的电阻采用误差为±0.5%的精密金属膜电阻，而阻值为0.4Ω、0.6Ω的电阻通过的电流很大必须采用误差为±0.5%的精密绕线电阻。图（13）电流/电压转换电路图5.3电阻/电压转换电路利用运算放大器采用反相比例运算的方法进行测量。如图（14）所示。稳压二极管1N4730A的稳压值为3.9V（即B点处电压值），采用运算放大器反相比例运算的方法，将B点处的电压值衰减到2V（即A点处电压值），单片机通过控制模拟开关MAX4618（超低导通电阻）选择适当的标准参照电阻R1，再利用运算放大器反相比例运算的方法，将被测电阻RX的阻值转换成与之相对应的电压量，输入A/D转换电路。电阻/电压转换电路的计算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1*Uin/UA。图（15）电阻/电压转换电路六、组装、调试内容总电路组装与调试：（1)接通正负电源电压，+5V、-5V；调节电位器，使基准电压为2V。（2）将4只数码管插入板上，插好芯片CD4511、ICL7106，用5个三极管搭成MC1413，按电路全图接好全部线路。（3）接通电源，检查译码显示是否正常。（4）将输入端接地，接通+5V，－5V电源（先接好地线），此时显示器将显示“000”值，如果不是，应检测电源正负电压。用示波器测量、观察DS1～DS4，Q0～Q3波形，判别故障所在。（5）用电阻、电位器构成一个简单的输入电压VX调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。（6）用数字万用表代测量输入电压，调节电位器，使VX＝1.000V，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。（7)改变输入电压VX极性，使Vi＝－1.000V，检查“－”是否显示，并校准显示值。（8)在+1.999V～0～－1.999V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使全部量程内的误差均不超过个位数在5之内。至此调试成功。七、应用实例1、使用前应熟悉万用表各项功能，根据被测量的对象，正确选用档位、量程及表笔插孔。2、在对被测数据大小不明时，应先将量程开关，置于最大值，而后由大量程往小量程档处切换，使仪表指针指示在满刻度的1/2以上处即可。3、测量电阻时，在选择了适当倍率档后，将两表笔相碰使指针指在零位，如指针偏离零位，应调节“调零”旋钮，使指针归零，以保证测量结果准确。如不能调零或数显表发出低电压报警，应及时检查。4、在测量某电路电阻时，必须切断被测电路的电源，不得带电测量。5、使用万用表进行测量时，要注意人身和仪表设备的安全，测试中不得用手触摸表笔的金属部份，不允许带电切换档位开关，以确保测量准确，避免发生触电和烧毁仪表等事故。八、使用注意1、在使用万用表之前，应先进行“机械调零”，即在没有被测电量时，使万用表指针指在零电压或零电流的位置上。2、在使用万用表过程中，不能用手去接触表笔的金属部分，这样一方面可以保证测量的准确，另一方面也可以保证人身安全。3、在测量某一电量时，不能在测量的同时换档，尤其是在测量高电压或大电流时，更