数字万用表设计性实验

数字万用表设计性实验与分析以及实验改进体系

摘要：本论文探讨数字万用表设计实验的思路和实验方法以及改进数字万用表灵敏度的改进方法，从实验入手解决试验中的操作和实验做法的问题，后接着就实验从误差分析入手解决并进行改进方案的讨论。关键词：数字万用表;设计实验；改进方案；一、实验内容：1）制作量程200mA的微安表（表头）；2）设计制作多量程直流电压表；3）设计制作多量程直流电流表；二、实验仪器：WS-I数字万用表设计性实验仪三位半数字万用表三、实验原理1.数字万用表的组成数字万用表的组成见图1。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、LED数码管构成。该表头有7个输入端，包括2个测量电压输入端(IN+、IN-)、2个基准电压输入端(V+、V-)和3个小数点驱动输入端。图1数字万用表的组成2.直流数字电压表头“三位半数字表头”电路单元的功能:将输入的两个模拟电压转换成数字，并将两数字进行比较，将结果在显示屏上显示出来。利用这个功能，将其中的一个电压输入作为公认的基准，另一个作为待测量电压，这样就和所有量具或仪器的测量原理一样，能够对电压进行测量了。见图2。图1200mV(199.9mV)直流数字电压表头及校准电路3.多量程直流数字电压表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3所示，U为电压表头的量程(如200mV)，r为其内阻(如10MΩ)，r、r为分压电阻，U为扩展后的量程。图3分压电路原理图4多量程分压器原理电路图5实用分压器电路多量程分压器原理电路见图4。采用图4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5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。4.多量程直流数字电流表测量电流的原理是：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6。由于r>>R，取样电阻R上的电压降为即被测电流为，多量程分流器电路原理见图7。图6电流测量原理图7多量程分流器电路图7中的分流器在实际使用中有一个缺点，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流档电路为图8所示。图中的BX是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，超过流保护作用。两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D、D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(小于0.7V)，保护仪表不被损坏。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电表。图8实用分压器电路四、实验步骤1.制作200mV(199.9mV)直流数字电压表头并校准使用电路单元：三位半数字表头，直流电压校准，直流电压电流，分压器。按图2接线，参考电压V输入端接直流电压校准电位器，左数第三位小数点dp3接到多量程直流数字电压表的小数点控制电路量程转换单元的“动片1”插孔以获得一位小数显示。利用待测直流电压源和分压电阻获得150mV左右的校准电压，把一只成品数字万用表(称为标准表)置于直流电压200mV档与表头输入端并联，调整“直流电压校准”旋钮使表头读数与标准表读数一致(允许误差±0.5mV)。然后保留虚线框内的线路，拆去其余部分即可。2.制作多量程直流数字电压表（1）扩展电压表头成为多量程直流电压表。按图5接线，“动片2”作为量程转换开关，“动片1”作为控制小数点显示的开关。（2）用自制电压表测直流电压测量WS-1实验仪上的待测直流电压：调节“直流电压电流”单元的电位器，可以改变直流电压U的大小和极性，分别测出对应的标准电压U，数据填入记录表格。3.制作多量程直流数字电流表（1）制成多量程直流数字电流表使用电路单元：三位半数字表头，直流电压校准，分流器1或分流器2，电流档保护电路，量程转换与测量输入。按图8接线，“动片2”作为量程转换开关，“动片1”作为控制小数点显示的开关。（2）用自制电流表测直流电流测LED的电流：将自制电流表和标准电流表串接在待测直流电流Ⅰ电路中，调节电位器可观察到电流I的大小、极性的变化以及LED发光情况的相应变化，改变I(从-5.00mA到+5.00mA，每隔1.00mA测一次)，分别测出I。数据填入表格。五、数据记录及数据处理1.测直流电压U(mv)20.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0U（mv）20.839.861.382.3101.2119.9138.7159.4177.5ΔU（mv）-0.80.2-1.3-2.3-1.20.11.30.62.5

以U为横轴，ΔU＝U－U为纵轴，在坐标纸上作校正曲线(注意：校正曲线为折线，即将相邻两点用直线连接)。2.测直流电流I改（mv）20.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0I标（mv）19.640.359.179.098.3117.6137.3157.1176.8ΔI（mv）0.4-0.30.91.01.72.42.72.93.2以I改为横轴，ΔI=I改－I标为纵轴，在坐标纸上作校正曲线。六、注意事项1.实验时应当“先接线，再加电；先断电，再拆线”，加电前应确认接线无误，避免短路。2.即使加有保护电路，也应注意不要用电流档或电阻档测量电压，以免造成不必要的损失。3.当数字表头最高位显示“1”(或“1”)而其余位都不亮时，表明输入信号过大，即超量程。此时应尽快换大量程档或减小(断开)输入信号，避免长时间超量程。4.自锁紧插头插入时不必太用力就可接触良好，拔出时应手捏插头旋转一下就可轻易拔出，避免硬拔硬拽导线，拽断线芯。5.特别要注意低电位的接地。七、实验的分析与讨论以及改进的各方面工作：问题的提出：我们可以从实验的结果里看见，随着测量量的增大，实验数据的波动性也在同期增大，只不过是幅度会逐渐增大，其形状会在一定时期里成斜率不大的直线上升，随后超过某一定值的时候会呈对数上升。这个误差会存在实验里的每个角落，不可能完全消除，只可能减小它。下面我们会从实验里和改进两方面进行分析，讨论实验里的措施和改进里的措施是如何减小这个误差的。A.实验中的措施和其基本原理:1.采用图4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5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。这点是通过改变实验电路图来进行改变使阻抗问题得到解决，其实验思路是通过改变现有电路图来进行误差减小的操作的。2.使用较大内阻的表头进行测量，这样不仅使实验里的表头得到了保护也使实验里电压电流表的灵敏度提高了，这一点从电表的结构上来看。因为它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表，其主要性能指标基本上取决于表头的性能。而表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过表头的直流电流值，这个值越小，表头的灵敏度愈高。测电压时的内阻越大，其性能就越好。所以，实验用较大的电阻以提高其灵敏性。3.实验里用硅二极管首先是起了一个保护作用，但是也是提高了实验的准确度。测量电压：测量电压（或电流）时要选择好量程，如果用小量程去测量大电压，则会有烧表的危险；如果用大量程去测量小电压，那么指针偏转太小，无法读数。量程的选择应尽量使指针偏转到满刻度的2/3左右。如果事先不清楚被测电压的大小时，应先选择最高量程挡，然后逐渐减小到合适的量程。在这一点上，实验里的两个二极管反接的实验装置，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，两端电压被限制住(小于0.7V)，保护仪表不被损坏。反接二极管，当电压很小的时候没有达到正向导通电压，电压过大的时候又限制了电压的过大，使电压维持在一个固定的范围内，保护了仪器。还记得在这部分开头的时候吧“随着测量量的增大，实验数据的波动性也在同期增大，只不过是幅度会逐渐增大，其形状会在一定时期里成斜率不大的直线上升，随后超过某一定值的时候会呈对数上升”，这样的误差存在于当电压过大的时候，所以当电压被限制于一个较小的范围里的时候，会限制这种误差增长的，使实验的比较准确。B.改进措施和原理1.为了简便读数和提高读数的精度，本实验给我们的LED读数器读数，这减小了误差，同时使实验变得更易于操作。现在要说的是其他的读数方式。数字／模拟条图双显示万用表，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势这两大优点。这里讲的模拟条图有两层含义：第一，被测量为连续变化的模拟量；第二，用条图形式来模拟被测量的变化情况。1)液晶(LCD)条图呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低驱动，适合于电池供电的小型化仪表。不足之处是它本身不发光，需借助于背光源才便于夜间观察。目前这种显示器应用较广；2)等离子体(PDP)光柱显示器其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大；3)LED条图(又称LED光柱)它是由多只发光二极管排列而成，这种显示器的亮度高，成本低，但像素尺寸较大，功耗高。实验器材也应该有用到模拟图条双显示仪器，这样可以提高实验的精度和准确度。2.虽然运用较大内阻的电表表头，但是电表表头和实验器材是结合到一块儿的，如果电表表头出现问题或者老化的话也使实验效果不是很明显，造成误差。另外从实验者的角度分析，将所有仪器放到一块儿固然便与清理和整理仪器，也便于观察电路结构，但是这样却不利于学习者分析实验图和实验原理使实验在操作者面前变的模糊和难于捉摸。所以这样的话应改将改装电压电流表和三位半数字万用表从原本装置中剔除，单独成为一组仪器，让实验者跟好的进行组装实验仪器，方便学习。3.目前的数字万用表虽然具有很高的灵敏度和准确度，但仍存在不足之处．主要表现在以下几个方面⋯：(1)没有实现自动化测量．最突出的问题是需要经常旋转功能／量程转换开关．操作不便．测量速度慢；(2)经常被烧毁．数字万用表被烧毁的主要原因是功能转换开关的误操作；(3)触点接触不良，功能，量程选择开关的弹簧片容易被氧化、损坏和变形。所以，可以使用全自动类型的数字电表，测量功能自动识别数字万用表是一种高度智能化的真正意义的全自动数字万用表。该表从根本上克服了目前数字万用表的缺点．能够进行快速、便捷、准确地测量．并大大提高了可靠性和安全性等性能指标。该表除具备普通数字万用表的测试功能外．它的最大特色是能够自动识别当前的测量功能(电压、电流、电阻等)和量程．并自动转换至相应的测量功能档位．所有测量功能和量程选择均由数字万用表自动完成，无需人工参与。该数字万用表除一个可拨动或按动的电源开关、一个复合表笔的插槽和一个普通黑表笔的插：rE#l-．无任何可利用的部件向数字万用表输入信息。免去了目前数字万用表使用中必须手动转换功能开关的繁琐操作。其电路组成主要由复合表笔、普通黑表笔、输入电路、放大器、电压比较器、检测电路、模拟开关电路、A／D转换电路、单片机控制电路、LCD显示电路等组成[引。全自动数字万用表的电路方框图如图1所示。前面板中具有复合表笔的插槽和普通黑表笔的插孔．图1中“1”为普通黑表笔的插孔．“2”为复合表笔的插槽。全自动数字万用表采用自动行研制的探头作为复合表笔．以单片机作为智能控制部件。复合表笔由电流传感器A、电容、测试触头B、多芯插头C、磁屏蔽层D等组成。复合表笔的结构图如图2所示。复合表笔的电流传感器、电容、测试触头封装为一个整体．其外部具有磁屏蔽层，复合表笔的磁屏蔽层在测试触头和电流传感器感