6.13王永源的论文之数字万用表21

1

前言数字万用表DMM(DitalMultiMeter)是半个世纪以来数字技术发展的产物，是近年来出现的先进测试仪器。它采用大规模集成电路LSI(Large—ScalIntegration)和数字显示(DigitalDispiay)技术，具有结构轻巧、测量精度高(误差可达十万分之一以内)、输入阻抗高、显示直观、过载能力强、功能全、用途广、耗电省等优点及自动量程转换、极性判断、信息传输等功能，深受人们的欢迎，目前有逐步取代传统的指针式万用表的趋势。通过课程设计实践教学实习的实践，主要电气测量仪器仪表的结构和原理。培养学生用所学专业和专业基础课程的知识设计、制作焊接万用表电路、并用ORCAD软件对万用表电路进行计算机仿真、用PROTEL绘制印刷电路板。培养学生实际焊接，制作、调试电子电路的能力。并写出高质量的论文。为毕业设计、为今后工作打下良好的基础。

2

数字万用表的种类

数字万用表的种类繁多，分类方法也有多种，比如根据其使用领域的不同，可分计量用实验室高精度数字万用表、台式／系统数字万用表、便携式数字万用表、嵌入式数字万用表等。通常按其测量准确度的高低，以产品档次分类：

2.1

普及型数字万用表

这类万有表结构、功能较为简单，一般只有五个基本测量功能：DCV、ACV、DCI、ACI、Ω及hFE。它价格低廉，精度一般为三位半，如：DT一830、DT一840等型号。

2.2

多功能型数字万用表

多功能型数字万用表较普及型主要是增加了一些实用功能，如电容容量、高电压、大电流的测量等，有些还有语音功能。这类仪表有DT一870、DT十890等型。

2.3

高精度、多功能型数字万用表

精度在四位半及以上。除常用测量电流、电压、电阻、三级管放大系数等功能外，还可测量温度、频率、电平、电导及高电阻(可达10000MΩ)等，有些还有示波器功能、读数保持功能。常见型号有袖珍式DT一930F、DT930F十、DT一930FC、DT一980等及台式DM一8145、DM8245等数字万用表。

2.4

高精度、智能化数字万用表计算机技术的渗透、新型集成电路的采用及新的测量原理的出现，导致了各种新数字万用表的问世。高精度、智能化数字万用表是指内部带微处理器(GPU)，具有数据处理、故障自检等功能的数字万用表。它可通过标准接口(如IEEE一488、RS一232等)与计算机、打印机连接。如美国迪特郎(DATRON)公司的七位半1081型数字万用表(天津无线电一厂引进生产)，可测1nV一1000V交直流电压，lμΩ—10MΩ电阻，一100℃一十200℃温度(分辨率达0．001℃)2.5专用数字仪表专用数字仪表指专用于测量某一物量的数字仪表，如：数字电容表、电压表、电流表、电感表、电阻表等。常见袖珍式专用仪表如DM一6013、DM一6013A数字电容表，DM6243／DL6243数字式电容电感表，DM860型数字功率计，DM6040D型LCR测量仪(可测电感、电容和电阻)。IM4025型则属于自动LCR测量仪。此外，还有数字温度计、数字血压表、数字绝缘电阻测试仪等等。2.6数字、模似双显示数字万用表这种表设计上采用数字量和模拟量同时显示，以观察正在变动的量值参数，弥补数字表对检测对象在不稳定状态时出现的不断跳字的缺陷，兼有模拟仪表与数字仪表之优点，如：DA一250型数字万用表。3

数字万用表的概述3.1数字万用表的的基本常识数字万用表与指针万用表相比，其准确度，分辨力和测量速度等方面都有着极大地优越性。它是把连续的模拟量转化成不连续、离散的数字形式，并以数字形式显示的仪表。数字万用表已经广泛应用于电子与电工的测量。数子万用表又称数字多用表，可简写为DMM。它是由直流数字电压表（DVM）与各种变换器组合而成的。其中直流数字电压表是数子万用表的基本组成部分，是数字万用表的核心，输入到万用表的各种电量即非电量最终都要变换成直流电压量进行测量。数字电压表的种类很多，按工作原理（即按A/D转换电路的类型）分，有比较型、积分型、V/T型、复合型。其中比较型电压表的准确度较高，分辨力较强、电路复杂；积分型电压表的准确度也较高、分辨力比比较性高、电路比较简单；复合型电压表准确度比比较型、积分型都高，分辨力比比较型高，但电路复杂，成本较高。V/T型电压表准确度较低、分辨力也较低。在以上四种类型中用的较多的是积分型。数字电压表按使用方式，可分为台式、便携式和袖珍式，其中袖珍式数字万用表的应用较为普遍。3.2数字万用表的基本结构数字万用表主要由直流数字电压表（DVM）和功能转换器构成，数字电压表是数字万用表的核心。数字电压表的结构框图如图所示。从图中可以看出数字电压表由数字部分及模拟部分构成，主要包括A/D转换器、液晶显示器（LCD）、逻辑控制电路等。输入输入功能选择R/U转换U(AC)/U(DC)转换I/U转换量程选择显示器显示逻辑A/D转换参考电压参考电压数字电压表的结构框图A/D转换器是数字电压表的核心，它的作用是将连续变化的模拟量转换为数字量，而且其决定数字电压表技术性能的基本特征，选用不同的A/D转换器，就可构成不同原理的数字电压表。数字万用表的结构框图如图所示，从图中可以看出，被测量经功能转换电路（R/U、U/U、I/U）后都变成直流电压量，再由A/D转换器转换成数字量，最后以数字形式显示出来。指针式万用表则是把被测量通过各种转换电路（R/I、I/I、U/I）转换成电流量，通过一个磁电-电流表予指示。输入电路输入电路A/D转换数据处理逻辑控制显示输出标准电压模拟部分数字部分数字万用表的结构框图数字万用表中的A/D转换器的型号多种多样，但都为大规模集成电路，典型的型号有7106、7116、7136、7129等，其中前三个为31/2位。目前是数字万用表多数采用双积分式A/D转换器完成A/D转换，该集成电路还具有能直接驱动液晶显示器的显示逻辑电路。为此，该集成电路的性能好坏决定了数字万用表的特性。数字万用表测量功能的转换是通过拨档开关或琴键来完成的，其量程的切换可通过手动方式进行，也可通过切换电路的方式进行。由ICL7106A/D转换电路组成的数字电压表电路，就是一款最通用和最基本的电路。与ICL7106相似的是ICL7107，前者使用LCD液晶显示，后者则是驱动LED数码管作为显示，除此之外，两者的应用基本是相通的。电路图中，仅仅使用一只DC9V电池，数字电压表就可以正常使用了。按照图示的元器件数值，该表头量程范围是±200.0mV。当需要测量±200mV的电压时，信号从V-IN端输入，当需要测量±200mA的电流时，信号从A-IN端输入，不需要加接任何转换开关，就可以得到两种测量内容。也有许多场合，希望数字电压表的量程大一些，那么，只需要更改2只元器件的数值，就可以实现量程为±2.000V了。更改的元器件具体位置和数值见下图的28和29两只引脚。在有了一只数字电压表之后，按照下面的图示，给它配置一组分流电阻，就可以实现多量程数字电流表，分档从±200uA到±20A。但是要注意：在使用20A大电流档的时候，不能再有开关来切换量程，应该专门配置一只测量插孔，以防烧毁切换开关。与多量程电流表对应的是经常需要使用多量程电压表，按照下图配置一组分压电阻，就可以得到量程从±200mV至±1000V的多量程电压表。测量电阻与测量电流或者电压一样重要，俗称“三用表”，利用数字电压表做成的多量程电阻表，采用的是“比例法”测量，因此，它比起指针万用表的电阻测量来具有非常准确的精度，而且耗电很小，下图示中所配置的一组电阻就叫“基准电阻”，就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值，再由Vref电压与被测电阻上得到的Vin电压进行“比例读数”，当Vref＝Vin时，显示就是Vin/Vref*1000=1000，按照需要点亮屏幕上的小数点，就可以直接读出被测电阻的阻值来了。在产品数字万用表中，为了节省成本和简化电路，测量电流的分流电阻和测量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻。这里不讨论数字万用表的电路，仅仅是帮助读者在单独需要使用某种功能时，可以有一定的参考作用。下图是一个最简单的10倍放大电路，运算放大器使用的是精度比较高的OP07，利用它，可以把0～200mV的电压放大到0～2.000V。在使用的数字电压表量程为2.000V时，（例如ICL7135组成的41/2数字电压表，基本量程就是2.000V）特别有用。如果把它应用在基本量程为±200.0mV的数字电压表上，就相当于把分辨力提高了10倍，在一些测量领域中，传感器的信号往往觉得太小了，这时可以考虑在数字电压表前面加上这种放大器来提高分辨力。在电流或者电压的测量中，经常遇见测量的并不是直流而是交流，这时候，绝对不可以把交流信号直接输入到数字电压表去，必须先把被测的交流信号变成直流信号后，才可以送入数字电压表进行测量。下图就是一个把交流信号转换成为直流信号的参考电路。（说明：更好的交流转换成为直流的电路是一种“真有效值”转换电路，但是由于其专用芯片价格昂贵，多应用在一些高档场合。）本电路中，输入的是0～200.0mV的交流信号，输出的是0～200mV的直流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是正是电路本身具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行AC－DC的信号转换。因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有2mV左右，在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。在温度测量和其他物理及化学量的测量中，经常会出现“零点”的时候信号不是零的情况，这时候下面的“电桥输入”电路就被优先采用了。可以根据被测信号的特点，用传感器替换电桥回路中的某一个电阻元件。数字电压表的两个输入端也不再有接地点，作为一种典型的“差分”输入来使用了。电桥输入电路的变种还可以延伸到下面的电路，这是一个把4～20mA电流转换为数字显示的电路。它的零点就是4mA而不是0mA。当输入零点电流为4mA的时候，利用IN-上面建立起来的电压，抵消掉IN+由于4mA出现的无用信号，使得数字电压表差分输入等于0,就实现了4mA输入时显示为0的要求。随着信号的继续增大，例如到了20mA，对数字电压表来说，相当于差分输入电流为20-4=16mA，这个16mA在62.5R电阻上的压降，就是数字电压表的最大输入信号。这时候把数字电压表的基准电压调整到与16*62.5＝1000mV相等，显示就是1000个字。3.3数字万用表的原理本节以DT830数字万用表(以下简称DT830)作为读图内容,它是一种常用的袖珍式仪表)。它的全部电路制作在两块印刷电路板上，一大一小。图中虚线框内的电路在小印刷电路板上，其余在大印刷电路板上，二者通过8针插头插座(在图中用J1-J8表示)和两个螺钉孔相互连接。图中左下方有电路图的符号说明和集成双运放A1、CMOS数字集成电路4011B、4077B的电源接线示意图。下面先简要说明DT830的用途和主要特点。一、用途和主要特点DT830有8种功能，共30档,即可用来测量三极管的hFE(分为NPN和PNP两档)、直流电流和交流电流(分别简称为DCA和ACA,各有200μA、2mA、20mA、200mA和lOA五档)、交流电压(简称为ACV,有200mV、2V、20V、200V和750V五档)、直流电压(简称为DCV,有200mV、2V、20V、200V和lOOOV五档)和电阻(有200Ω、2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ和20MΩ六档),还有两档可分别用来检查二极管的好坏和线路的通断。以上各档已在图12-11中依次标出。DT830采用31/2位LCD液晶数字显示器（简称为数字显示器或液晶显示器）,整机耗电约20mW,用9V叠层电池供电。与一般指针式万用表相比,它具有精度高、输人电阻大、实数直观、功能全、体积小等优点二、找出通路数字万用表的输入端是测试表笔插孔，经过换档开关(它包括S1-1、S1-2、S1-3、S1-4、S1-5和S1-6)等接到大规模集成电路7106它具有将模拟量转换成数字量等功能，它的输出接到数字显示器，将被测量用数字形式显示出来。三、化整为零图12-11所示电路比较复杂,初看不易弄懂,但只要按8种不同功能,分别画出它们的测量电路,就可以化整为等,容易看懂了。论文后面将分别论述。四、分析功能1.7106及数字显示器7106是CMOS大规模集成电路,它不仅含有A/D转换器,而且还有数据锁存器、译码器和驱动器等,可直接驱动液晶式七段显示器。详细了解它的工作原理、各项参数等,超出本课程,因此只简要说明以下几点：（1）7106的电源电压范围为7-15V,故可用9V叠层电池供电。由于电源电压低于7V时，7106等器件的性能不能保证，因此DT830设有欠电压显示报警电路。它由途中右下角的三极管T3稳压管DW683和电阻R45、R46、R44组成。当电源电压正常时，稳压管反向击穿，电阻R上的压降大于T发射结的死区电压，T导通，它的集电极电位为高电平。当电源电压下降到一定程度（其设计值为7.2V）时，稳压管不能反向击穿，因此T截止，它的集电极电位为低电平，使液晶显示器显示出符号，表明电源电压过低，应更换电池。此外，7106内部设有基准电压源电路，当电源电压在7至9V范围内且电源开关闭合时，管脚1与32之间的电压为2.8V（典型值），它的稳压性较高，可作为基准电压源。（2）7106有三个输入端，即模拟电压输入端（管脚31）和参考电压的两个输入端（管脚35和36）。据CMOS器件的特点可知，它们的输入电阻很大（约109Ω），为避免因感应电荷的积累而损坏器件，各输入端均有保护电路（在器件内部），它们由二极管和电阻组成。这些二极管允许通过的电流较小，通常规定各输入端的输入电流应限制在10mA以内，以不超过1mA为佳。为了避免因输入电压过高而损坏，常给这些输入端串接阻值较大的电阻，因此图中7106的管脚31、35和36分别串接了电阻R31R30和R29。（3）图中的7106虽有40只管脚，但除了与数字显示器及电源、模拟地的联线外，它仅有三根线与其他电路相联，因此我们可将7106和数字显示器等看做一个部件。由于它所显示的数值与电压成正比，因此这个部件可称为数字电压表，用符号DVM表示，如图3.1所示。图中的电容C8和C10分别与电阻R29、R30和R31构成低通滤波电路。显然，对于直流量，电容C8、C10和C13均相当于开路，因此以后在分析工作原理时，不再把它们画出。图3.17106及数字显示器的示意图由7106的特性可知，这个数字电压表所显示的数值N（不考虑小数点）与输入电压、参考电压的函数关系是N=U/U*1000其中N为整数；参考电压UR为正值，它是管脚36对管脚35的电压，通常取UR=100mV，也可取200mV或其他值，但UR的值不宜太小，也不能过大，否则将影响精度；U1是输入电压，它是管脚31对模拟地的电压，它应为直流量，其极性可为正，也可为负。当U1<时，N为负值，即液晶显示器的符号显示出“-”号，反之符号位不显示。当UI的绝对值等于或超过2UR，(即N>20000)时，显示器的最高位显示出1，其他三位数字都不显示，因此能显示的最大数值之绝对值为1999（设三个小数点均为显示）。（4）小数点。数字显示器共有三个小数点，它们的亮、暗状态受换挡开关的第六刀（S1-6）控制。当换挡开关拨在不同位置时，各小数点的亮暗状态如表3.2所示。换挡开关位置小数点的亮暗状态能显示出的最大数值DCV或ACV2V只能显示左边的小数点1.999DCA或ACA2mAΩ2kΩ或2MΩDCV或ACV20V只能显示中间的小数点19.99DCA或ACA20mA或10AΩ20kΩ或20MΩDCV或ACV200mV或200V只能显示右边的小数点199.9DCA或ACA200μA或200mAΩ200Ω或200kΩDCV1000V三个小数点都不显示1999ACV750V表3.2小数点亮暗状态表以上介绍了7106及数字显示器的基本性能，下面我们先简要说明换挡开关，然后分别画出DT830各种测试功能的等效电路，并分析它们的工作原理。2.换挡开关DT830只有一个换挡开关，为第六刀28位，分别用S1-1、S1-2、S1-3、S1-4、S1-5和S1-6代表。拨动换挡开关时，这六个动片同时移到相应的位置。无论换挡开关拨在哪一档，六个箭头总保持在同一条水平线上。例如在画直流电压测量电路时，应把换挡开关一起平移到DVC位置（包括200mV、2V、20V、200V和1000V五个档位）。3.直流电压（DVC）测量电路（1）管脚36经电阻R29和开关S1-4接到电位器RW3的动端，RW3与电阻R18、R10、R20和R48构成分压电路，这个支路的两端分别接电源的正极和模拟地（简称为地）。（2）管脚35经电阻R30后分两条支路，其中一条支路接电阻R12，另一条支路经开关S1-5接地。也就是说，管脚35经电阻R30接地，且电阻R12的下端也接地。（3）管脚31经电阻R31接到开关S1-3右边的定片，然后分两条支路，其中一条支路经过电阻R14、R16、Rl和三极管T1、T2接地，另一条支路是经过S1-3的动片和S1-1接到由电阻R7至R12构成的分压电阻链。其中电位器RW2的动端有电容C17接地，它对被测电压中含有的高次谐波和脉冲干扰起滤波作用。分析工作原理时可将它视为开路。由以上所述，可画出直流电压测量电路如图3.1所示。我们先分析200mV，因此流过三极管T1和T2（它们分别接成二极管的形式）的电流可是为零，而CMOS器件7106的输入电阻比R6大得多，所以它的输入电压等于被测电压，即UI=UX。若UX=100mV，则数字电压表（DVC）应显示出100.0，据前面的公式和表3.2可知参考电压UR也应当等于100mV。而UR的大小可通过图中虚线框内的电位器调节。据图中参数可知，调节RW3可使UR=100mV。前面提到器件7106从管脚1与管脚32输出约2.8V的基准电压源，它的稳定性较高，故UR的稳定性较高。这是DT830稳定性好的原因之一。图3.3直流电压测量电路对于2V档、20V档、200V档和1000V档，据图中分压电阻链（R7至R12）的参数可知，UI与UX之比分别是1/10，1/100，1/1000和1/10000。当UX分别为1V,10V,100V和1000V时，UI均为100mV。据式（12-13）和表3.2可知，在UR=100mV的条件下，DT830所显示的数值分别是1.000，10.00，100.0和1000，与被测电压的数值相符。如果被测电压超过量程，例如因操作错误，拨在200mV档测量500V直流电压，那么三极管T1将反向击穿（设UX=+500V），T2正向导通，可使UI比UX小得多。但因T1的发射极串接了电阻R14,它的阻值为270kΩ，若仍将电阻R31的电流视为零，则UI仍超过180V。由此可见单靠三极管T1和T2保护器件7106是不行的。前面提到CMOS器件各输入端有保护网络（在器件内部），为了便于分析，我们把它画在图3.4的虚线框内，其中电阻R3一般为1.5-2.5kΩ。由此图可见，由于输入端有保护网络，且输入端串接了470kΩ的电阻，即使UI=+200V或UI=-200V,流过电阻R31的电流（即输入电流）也不到0.43mA，而这两种情况下对应的UX绝对值超过500V。因此DT830的直流电压档具有很强的过载能力。但仍正确操作避免出现这种情况为好。图3.4输入保护电路4.二极管测量电路假设电路中的换挡开关拨开，则可画出二极管测量电路如图3.5所示。图中虚线框内的参考电压调整电路与前面图3.3虚线框内的电路相同。以后还有类似情况，不再重复说明。图3.5二极管测量电路由此图可知，测试电压由器件7106的基准电压提供，其值约2.8V，因此在正常情况下三极管T1和T2截止，可将它们视为开路。如果被测二极管的接法如图所示，则正向通导，其正向压降在0.1V至0.7V范围内（随硅管、锗管及特性不同而异），正向导通电流为1mA-1.4mA。二极管的正向压降经电阻R14和R15分压得UI，即UI=(R15/R14+R15)*UD=(30/270+30)UD=1/10UD由此可见，二极管测量电路与2V档直流电压测量电路有类似之处。设UD=0.6V，则由上式和前式及表3.2可知，在UR=100mV的条件下，数字显示器显出来的数值是“600”，与UD的数值一致。但二极管的正向压降随温度变化，其温度系数约为-2mV/C，如果它正向导通的电流保持不变，那么在5C和35C时测量同一个二极管，测得的数值相差约60mV。为了克服这一缺点，DT830采用热敏电阻Rt作为温度补偿元件。当温度升高时，应使二极管的正向导通电流适当增大，即图中Rt的阻值应适当减小，才能使UD不受温度影响，因此Rt的温度系数应为负值。如果二极管的接法与图中所示相反，或者二极管开路，则UD≈2.8V，UI≈280mV，超过参考电压（UR=100mV）的两倍，故最高为显示出1，其他三位均不显示。假定因操作错误，那么当被测电压的绝对值达到一定程度（例如20V）时，三极管T1和T2将有一只反向击穿，另一只正向导通，起保护作用。但因三极管T1、T2和电阻R16、Rt允许的功耗有限，因此电压不能过高，否则将造成损坏。5.直流电流(DCA)测量电路由电路图可知，DT-830的直流电流测量电路与直流电压测量电路的区别，仅在于前者用分流器（由电阻R2～R5和ROU组成）代替了后者的分压电阻链，并加了0.5A的快速熔断丝BX及由D1和D2组成的二极管双向限幅电路，即直流电流测量电路如图3.6所示。图中的ROU约0.01Ω。因前面已经说明了电阻R14、R16、Rt和三极管T1、T2的作用，且对于DCA档来说，正常工作时流过他们的电流等于零，可将他们视为开路。因此图中未将它们画出。以后若有类似情况，一般不再说明。图3.6图3.6直流电流测量电路由图中虚线左边的分流器可知，当换档开关分别拨在200μA档、2mA档、20mA/10A档和200mA档，测试表笔插在“mA”和“COM”插孔内时，RI与被测电流IX的函数关系分别是UI=1000IXUI=100IXUI=10IXUI=IX以上各式中IX的单位为毫安，UI的单位为毫伏。设以上各式中的IX依次分别为0.15mA，1.5mA，15mA和150mA，则UI均为150mV。据式3.3和表3.2可知，在参考电压仍为100mV的条件下，这四种情况下所显示出来的数值（包括小数点）分别是150.0和1.500，15.00，150.0，前者的单位为μA，后三个值的单位是mA，故与被测电流值相符。如果被测电流在200mA以上（最大不许超过10A）则测试表笔应插入“10A”和“COM”插孔内，并将换档开关拨在20mA/10A档（否则小数点显示不对）。在次条件下UI与被测电流IXH的函数关系是UI=10IXH上式中IXH的单位为安培，UI的单位为毫伏。若IXH=5A，则由式和表3.2可知，在UR仍为100mV的条件下，所显示的数值为5.00，与被测电流相符。若因操作失误，错将DT-830的DCA档测量电压（设表笔插在“mA”和“COM”插孔内），使IX超过0.5A，则BX将熔断，避免分流器损坏。然而，如果BX的熔断速度不够快，那么当IX超过0.5A时，可能会造成限幅二极管损坏。如果IX较大但不足以熔断BX，例如因操作错误用200μA档测量0.18A的电流时，二极管D1和D2将起限幅作用，使分流器两端的电压很小，不致造成素。如果二极管D1和D2在此之前已经损坏，造成开路，那么R2可能会因功耗过大且时间较长而损坏。6.三极管测量电路当换档开关拨到hFE的NPN档时，由电路图可画出NPN三极管测量电路，如图3.7所示，图中的电阻R0=R4+R6+RCU=10Ω。将此图与DCA的20mA档测量电路相比较可知，除被测三极管和基极偏流电阻（Rw1和R1）外，其余基本相同。这里TX的射极电流IE相当于DCA中20mA档的IX。而IE=(1+β)IE≈βIB，且调节电位器Rw1,可使IB=0.01A，即IE≈1/100β(mA)将它代替中的IX得UI≈1/10β式中U1的单位为毫伏。图3.7NPN三极管测量电路据式和表3.2可知，在UR仍为100mV的条件下，所显示的数值等于β值。值得指出的是，DT-830测量三极管时的电源电压仅2.8V，即UCE≈2.8V。因此与UCE较高（例如10V）条件下测出的β值可能有较大误差。此外，当β值较小（例如β<10）时，1+β≈β的误差也较大。7.交流电压（ACV）测量电路设换档开关拨ACV位置（共有200mV、2V、20V、200V、750V五档），则由电路图可画出交流电压测量电路，如图3.8所示。图3.8交流电压测量电路将此图与替3.3所示直流电压测量电路想比较可知，除了前者省略了电阻R14、R16、Rt和三极管T1、T2未画出外，前者只比后者多了虚线框内的电路，估计虚线内的电路是精密整理电路。下面分析它的工作原理。（1）二极管D5、D6、D11、D12的作用我们设想，如果因操作不当，造成输入过电压（例如用ACV的200mV档测量220V交流电源电压），则二极管D5和D11在正半周时导通，D6和D12在负周时导通。由于表笔插孔“V·Ω”与图中J点之间有电阻R0，起阻值为470kΩ,而图中K点对地的电阻不到5.2kΩ,因此不会造成元期间损坏。正常测量时，D5、D6、D11、D12均可视为开路。（2）运放的接法和C1、C3、C4、C5、R23的作用由于“V·Ω”插孔至图中J点串接470kΩ等电阻，因此精密整流电路的输入电阻必须足够大，才能保证精度。为此，将输入电压经C1隔直后送到运放A1a的同相输入器。R23接在云放的输出端和反相端，形成负反馈，并给反相输入端提供直流偏置通路。C4的作用是消除高频自激，分析工作原理时可将它和R23都视为开路。C5是输出耦合电容，C3够成K点与A1a而言，可将它们视为短路。（3）R21、R22和C2的作用R21和R22给运放A1a的同相输入端提供直流偏置通路，与R21和R22相连的C2起自举作用，使R21两端的交流压降几乎等于零，即对于交流量而言，R21可视为开路。（4）简化电路据以上所述，图3.8虚线框内的电路可简化成图3.9中虚线左边的电路，其中阻抗Z是图3.8中K点对地的等效阻抗，它随电位器RW4动端的位置及信号频率变化，若忽略C2的容抗，则Z的最大值和最小值分别是Zmax≈47//（4.7+00.5）=4.68kΩZmin≈17//4.7=4.27kΩ此外，电阻若R26和电容C6构成低通滤波器电路。至于其他元件的作用，将在下面分析。图3.9精密整流电路的简化电路（5）工作原理设图3.9中的输入电压为正弦电压，那么在正半周时ua>0,A1a的输出电压ua>0。二极管D7截止，D8导通。根据虚短和虚断概念可得（阻抗Z可近似为纯阻）负半周时uj<0,使ua<0，二极管D7导通,D8截止。此时uD=uj，即AU-=1。由以上所述可画出uD的波形如图3.10所示。它经过若R26和C6滤波后得到器件7106所需要的直流输入电压UI，它等于uD的平均值。可以证明UI与正弦输入电压有效值uj的函数关系是UI=0.45(Au+-1)UJ为了使数字显示器的读数与被测电压的有效值相等，上面式中的0.45(AU+-1)应当等于1，即应当使Au+=1+1/0.45=3.22将前面的时及R26=10kΩ分别代入式则可知AU+分别为3.14和3.34，因此调节电位器RW4可使式得到满足。上面分析是以争先电压为前提的，因此只有当被测交流电压是正弦量时，DT-830ACV档所显示的数值才与被测电压的有效值相等。此外，由于采用了精密整流电路和频率补偿措施，所以DT-830在较宽的频率范围内具有较高的精度。据产品说明书中所述，当被测正弦交流电压的频率在45～500Hz范围内，满量程时的相对精度可达1.25%。图3.10uD的波形示意图8.交流电流测量电路由电路图可知，交流电流测量电路和交流电压测量电路的区别仅在于手表笔至精密整流电路输入端（J点）之间的电路不同，即只要将图3.8中精密整流电路作的分压电阻链换成图3.6中虚线左边的分流电阻器，便是交流电流测量电路。至于它的工作原理，读者可自行分析。图3.11电阻测量电路9.电阻测量电路由电路图可画出电阻测量电路如图3.11所示，图中的三极管T1和T2起过压保护作用（与二极管测量电路类似），正常工作时可家它们视为开路。为了便于分析工作原理，我们将图3.11化简为图12-22，其中R=R16+Rt=970Ω，R0的阻值与换档开关所处的位置有关，当它拨到200Ω、2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ和20MΩ档时，R0的阻值分别为100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ和10MΩ。图中电阻R13、二极管D3、D4和开关S1-3的作用是使UR和UI的值不致于太大或太小，以适应器件7106的要求，否则将造成性能下降。图3.12电阻测量电路的原理示意图根据7106的输入电阻很大的特点可知，流过R0和RX的电流几乎相等。设这个电流为I0，则DVM的参考电压和输入电压分别是UR=R0I0和UI=RXI0，将它们代入式，可得若RX=120Ω,则换档开关应拨在200Ω档，此时R0=100Ω档，由上式和表3.2可知，所显示出来的数值为120.0Ω，与被测电阻的阻值相符。10.线路通断检测电路当换档开关拨开时，DT-830可用来检查接线的通断，其电路如图3.13所示。图中虚线以上的电路与200Ω档图3.13线路通断检测电路电阻测量电路相同，虚线以下可分为两部分，即：（1）图中振荡器代表右下放由CMOS数字集成电路4011B和电阻R42、R43及电容C15构成的可控振荡电路，当运放A1b的输出电压U0为高电瓶时，它产生振荡，驱动压电陶瓷片发出蜂鸣声。若U0为低电瓶，则停振，压电陶瓷片无声。（2）图中的运放A1b没有接负反馈，而通过电阻R41，引入正反馈，据此判断它是滞回比较器。电位器动端的对地电压相当与参考电压，它的输入电压是表笔插孔“V·Ω”和“COM”之间的电压UI，加到运放的反相端。二极管D9和D10相当与开路。由于A1b同相输入端的电位随电位器动端的位置变化，因此这个比较器的阈值是可调的，用户可根据需要调节RW5，使RX小于某临界值时压电陶瓷片发出蜂鸣声。至于这个临界值的可调范围，读者可根据图中参数自行求出。由于使用档时，操作者可以不看数字显示器，只注视被测电路是否接通，而在必要时又可以从数字显示器上读出RX的阻值（设RX<200Ω），因此使用方便。五、统观整体综上所述，DT-830是以CMOS大规模集成电路7106和数字显示器构成的数字电压表为核心，再加上换档开关、分压电阻链、分流电阻器、精密整流等电路组成。当换档开关拨到不同的位置时，它将被测直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻值、二极管的正向压降和三极管的β值等转换成大小合适的直流电压，以适应7106的要求。此外，还采取了一些保护措施，因此DT-830的功能较全，性能较好，成为目前常用的仪表之一。3.4数字万用表的技术特性1.测量准确度。仪表的准确度是指仪表的测量误差限，它是表示在规定的条件下，仪表的测量误差不会超过它给定的误差范围，准确度越高，测量误差就越小。数字万用表的测量准确度有以下三种表示方法，即准确度=±α%Ux±β%Um准确度=±α%Ux±n个字准确度=±α%Ux±β%Um±n个字式中，α为相对误差项系数；β为固有误差项系数；Ux为仪表的显示值；Um为仪表的满度值；n为数字化处理引起的测量误差，反应为末尾数字显示的变化量（字）。从以上叙述中看出数字万用表的误差主要有两部分组成，即相对误差和故有误差。相对误差包括A/D转换其中的基准电压误差、输入放大器误差、不同量之间的转换误差、分压器误差。故有误差包括零点漂移引起的误差、数字化处理引起的误差、A/D转换器中量化误差及内部噪声引起的误差。相对误差与被测量有关，而固有误差与被测量无关。2.测量范围。测量范围是指仪表在进行测量时所能达到的测量范围。对数字万用表而言，有量程的选择方式（如手动、自动）、量程的划分、每个量程的测量范围以及测量极性的显示情况等。例如DT832型数字万用表共有28个量程（档），直流电压的测量范围是0.1mV-1000V，共分为5个量程；直流电流的测量范围是0.1○A-10A,共分为4个量程；交流电压的测量范围是0.1Mv-750V，共分为5个量程；交流电流的测量范围是0.1Ω-20MΩ,共分为6个量程；并具有测量晶体管的h值、及电路的通断功能、自动调零功能、极性自动转换功能、超量程显示功能、电池欠电压显示功能等。3.测量速率。测量速率是指数字万用表在单位时间内（每秒）给出显示值得次数，显示值的次数主要由A/D转换器速率决定，由于不同类型A/D转换器的转换速率差别比较大，因而使数字万用表的测量速率相差很多，有的竟达几百次/s或千余次/s，普通31/2位、41/2位的数字万用表的测量速率为2-5次/s。4.输入阻抗。数字万用表的输入阻抗是指它的交流电压档在工作状态下从输入端看进去的等效阻抗。31/2位的数字万用表的直流电压档的输入阻抗一般为10MΩ，51/2-81/2位智能数字万用表的输入阻抗要大于10000MΩ,由于交流电压档的输入阻抗受输入电容的影响，其值都低于直流电压档的输入阻抗。5.测试功能。数字万用表的测试功能一般都多于指针式万用表，除能测试交流电流（ACA）、交流电压（ACV）、直流电流（DCA）、直流电压（DCV）、电阻（Ω）、电导（G），有的还设有检查线路通断的蜂鸣器档（BZ）、读书保持、逻辑测试、AC/DC自动转换、电容档量程自动转换、自动关机等功能。一些新型号数字万用表还具有逻辑测试（LOGIC）、相对值测量（RELΔ）、读数保持（HOLD）、自动关机（AUTOOFFPOWER）、真有效值测量（TRMS）等。一些智能型数字万用表一般都具有数据存储（COMM）、液晶条形显示（LCDBargraph）、设定测量范围的上/下限（UP，DOWN）、自动校准（AUTOCAL）、峰值保持（PKHOLD）、功率电平测量（dBm）、最小值/最大值存储方式（Min/MaxMode）、快速测量（FAST）、电源电压设定（S）等功能。6.量程。量程是指在不改变显示倍乘系数的情况下，仪表能够测量输入量的一个连续范围。数字万用表的电压档量程可分为基本量程和非基本量程，基本量程是指被测电压不经分压器衰减而直接进入数字表头的量程，非基本量程是指基本量程以外的其它的量程，其基本量程的测量误差小，而且非基本量程输入范围都高于基本量程的输入范围。7.显示位数。数字万用表的显示位数是指其该表能够显示完整数字的多少，显示位数确定的方法是：能显示从0-9所有数字的位为整数位；分数为的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高位数字为分母。如某数字万用表的最大显示值为±1999、满量程计数值为2000，这表明该数字万用表有三个整数位，其分数位的分子是1，分母是2，因此称为31/2位，读作三位半。数字万用表的显示位数一般分为9种，即31/2位、32/3位、33/4位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位。31/2位的数字万用表，其最高只能显示0或1的数字，最大显示值为±1999。32/3位的数字万用表，其最高只能显示0-2的数字，最大显示值为±2999。33/4位的数字万用表，其最高只能显示0-3的数字，最大显示值为±3999。8.分辨力与分辨率。数字万用表的分辨力是指最低电压量程上末尾1个字所代表的电压值，它表示仪表可读最小量的数对被测量的可表达程度，也反映了仪表灵敏度的高低。在不同的量程上，仪表的分辨力是不同的，不同位数的数字万用表，其分辨力也是不同的。如31/2位为100μV、41/2为10μV、51/2为1μV、61/2为100nV、71/2为10nV、81/2为1nV。分辨力随着显示位数的增加而提高，在最低量程上仪表具有最高的分辨力。数字万用表的分辨率是指所能显示的最小数字与最大数字的百分比，对于31/2为的数字万用表而言，分辨率是0.05%（因显示的最小数字是1，最大数字1999，故1/1999=0.05%），同理32/3位数字万用表的分辨率为0.033%，33/4位数字万用表的分辨率为0.025%，41/2位数字万用表的分辨率为0.005%，43/4位数字万用表的分辨率为0.0025%等。9.抗干扰能力。对数字万用表的干扰源可分为内部干扰和外部干扰。内部干扰是指漂移和各种噪声，外部干扰是指串模干扰与共模干扰。串模干扰是指以串联的方式与被测量一起作用于仪表输入端的干扰电压。此类干扰多见于叠加在直流信号上的50Hz交流信号及其谐波。SMRR表示串模抑制比，它反映了仪表对串模干扰的抑制能力，其定义为SMRR=20lg/（Usm/ΔUsm）式中，Usm为串模干扰电压的峰值；ΔUsm为与仪表显示值产生的最大误差；SMRR的单位为dB。共模干扰是指同时加在仪表的两个输入端子上的干扰电压，此类干扰多见于直流、交流50Hz或高频交流电压。CMRR表示共模抑制比，它反映了仪表对共模干扰的抑制能力，其定义式为CMRR=20lg/（Ucm/ΔUcm）式中，Ucm为共模干扰电压的峰值；ΔUcm为与仪表显示值产生的最大误差；CMRR的单位为dB。由于数字万用表多数采用了双积分式A/D转换器，其共模抑制比、串模抑制比都可达到85-120dB，因此对共模干扰、串模干扰都有较强的抑制能力。10.保护功能。数字万用表的内部设有过电流、过电压等保护电路，因此具有较强的过载能力。使用中如果不超过极限值，即使出现误操作，一般情况下也不至于损坏内部电路。3.4数字万用表常用的符号及意义数字万用表的种类较多，其面板的标志符号、文字符号各有不同，了解掌握这些符号的含义，对正确使用数字万用表具有很重要的意义。下表列出了常见的符号及其意义，供读者使用时参考。标志符号、文字符号意义RANGE量程键RH量程保持FUNCTION功能键MEM存储键RST复位键MEMRCL读存储数据键PRINT打印键HOLD、H、DH、DATA读数（显示值）保持开关（保持键）SET预制键ADJ调整旋钮AUTOCAL自动校准CAL校准AC/DC交流、直流选择键AUTO-MAN自动/手动转换量程AUTO、AR、AUTO-RANGE自动转换量程MAN手动转换量程DCV直流电压档DCA直流电流档ACV交流电压档Ω、OHM电阻档C、CAP电容档T、TEMP温度档F、f、FREQ频率档ZEROADJ电容档手动调零旋钮HΩ高阻档LΩ低阻档G电导档.)))蜂鸣器档BZ蜂鸣器AUTOOFFPOWER自动关断电源COM公共地插孔，接黑表笔F/V/Ω(FVΩ)频率、电压、电阻测量插孔Hz频率测量插孔mA电流测量插孔SLEEPMODE休眠模式（备用状态）LCD液晶显示器V/Ω电压、电阻插孔C(KTYPE)温度测量插孔Ｉ溢出符号（超量程时在最高位出现）UR、UNDER欠量程OL过载（超量程）AP自动极性显示RMS、AV、AVG有效值（方均根值）、平均值Δ相对值测量符号

4

数字万用表的特点

同指针式万用表相比，数字万用表有其明显的特点。主要表现在以下几个方面：

4.1

外观

数字万用表外壳一般选用ABB工程塑料制成，重量轻，强度高。外形主要有袖珍式和台式。前者普遍采用LCD液晶显示器，后者多使用LED发光二极管显示器。高精度智能型数字万用表一般为台式结构。此外，也有的数字万用表制成笔式、台历式、笔记本式等。还有的与电子计算器或电子手表等制成一体，这类表精度较低。4.2结构万用表是电子制作中必备的测试工具。它具有测量电流、电压和电阻等多种功能。万用表种类很多，外形各异，但基本结构和使用方法是相同的，它的面板上王要有表头和选择开关。还有欧姆档调零旋钮和表笔插孔。下面介绍各部分的作用：(1)表头

万用表的表头是灵敏电流计。表头上的表盘印有多种符号，刻度线和数值。符号A一V一Ω表示这只电表是可以测量电流、电压和电阻的多用表。表盘上印有多条刻度线，其中右端标有“Ω”的是电阻刻度线，其右端为零，左端为∞，刻度值分布是不均匀的。符号“－”或“DC”表示直流，“～”或“AC”表示交流，“～”表示交流和直流共用的刻度线。刻度线下的几行数字是与选择开关的不同档位相对应的刻度值。

表头上还设有机械零位调整旋钮，用以校正指针在左端指零位。

(2)选择开关

万用表的选择开关是一个多档位的旋转开关。用来选择测量项目和量程。一般的万用表测量项目包括：“mA”；直流电流、“V”：直流电压、“V”：交流电压、“Ω”：电阻。每个测量项目又划分为几个不同的量程以供选择。

(3)表笔和表笔插孔

表笔分为红、黑二只。使用时应将红色表笔插入标有“＋”号的插孔，黑色表笔插入标有“－”号的插孔。

4.3

显示位数

数字万用表显示位数一般为3—8位，即有效读数为3—8位。具体地讲，有3位、31／2位、41／2、51／2、6l／2、81／2位等几种。普及型数字万用表多为3l／2位(三位半)仪表，其最高位只能显示“1”或“o”(o亦可消隐)，故称半位，其余3位是整位，可显示0一9全部数字。三位半数字万用表最大显示值为19999。近年来，市场上又推出了33／4位数字万用表，其最大显示值为3999或2999，也有产品显示5999(不同厂家规定定义不同)，量限比3l／2位表高一倍或50％或两倍。

4.4

量程转换数字万用表有三种量程转换方式：手动转换量程(ManualRange)、自动转换量程(AutoKange)、自动／手

动

转

换

量

程

(Auto／ManualRange)。手动转换量程式数字万用表内部电路结构较为简单，价格也相对低，但操作比较繁琐，而且量程选择不合适时易使仪表过载。

自动转换量程式数字万用表能使操作步骤简化，并可以有效地避免过载现象。其不足之处是测量过程较长，即使被测电量很小，每次测量也要先从最高量程开始，然后逐渐降低量程，直到合适为止。这势必增加等待时间。另外，这类仪表价格也高。其典型产品有DT一840、DT——845、DT——860、DT——860B、DT一860C、DT一910、SK一6221等。

自动／手动转换量程式数字万用表兼有二者的特点，使用更灵活，典型产品有DT一950等。4.5测量精度数字万用表基本量程(通常为最低直流电压档)精度最高，随着量程的扩展或经各种转换器后精度指标会下降。一般三位半仪表基本量程精度可达土0．5％一土0．1％，四位半仪表达士0．05％一土0．07％，五位半仪表达土0．01％一土0．005％，七位半仪表则达土0．0001％。4.6分辩力数字仪表在最低电压量程上末位一个字所对应的数值称分辨力，是仪表对下限被测量值的反应能力，它反映仪表灵敏度的高低。三位半数字万用表的分辨力可达0．1mV，即100μV，四位半仪表达10μV，八位半则高达10nV。(1V＝1000mV，1mV＝1000μV，1μV＝1000nV)4数字万用表的维护使用5

数字万用表的使用5.1指导

数字式万用表，是把连续的被测模拟电参量自动的变成断续的，用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种电测量仪表，它把电子技术。计算机技术，自动化技术的成果与精密电测量技术密切地结合在一起，成为仪器仪表领域中的一种新型仪表。数字式万用表具有输入阻抗高、误差小、读数直观的优点，但显示较慢也是其不足之处，一般用于测量不变的电流、电压值。数字式万用表由于有蜂鸣器，因而测量电路的通断比较方便。

(1)插孔和转换开关的使用

首先要根据测试项目选择插孔或转换开关的位置，由于使用时测量电压、电压和电阻等交替地进行，一定不要忘记换档。切不可用测电阻、电流档测电压，如果用直流电流或电阻档去误量交流220V电源，则万用表会立刻烧毁。

(2)测试表笔的使用

万用表有红、黑两根表笔，位置不能接反、接错，否则，会带来测试错误或判断失误。一般万用表的将黑表笔插入COM插孔，红表笔插人VΩ插孔。

(3)如何读数

数字万表表十分采用数字直接显示，因此，读数十分方便。

5.2操作

(1)电压测量

将黑表笔插人COM插孔，红表笔插入VΩ插孔。测直流电压时，将功能开关置于DCV量程范围，测交流电压时则应置于ACV量程范围)，并将测试表笔连接到被测负载或信号源上，在显示电压读数时，同时会指示出红表笔所接电源的极性。如果不知被测电压范围，则首先将功能开关置于最大量程后，视情况降至合适量程。如果值显“1”表示过量程，功能开关应置于更高量程。

(2)电阻的测量

将黑表笔插入COM插孔，红表笔插入VII插孔(注意红表笔极性为“十”)。将功能开关置于所需量程上，将测试笔跨接在被测电阻上。当输入开路时，会显示过量程状态“1”。如果被测电阻超过所用量程，则会指示出过量程“1”须用高挡量程。当被测电阻在1M以上时，该表需数秒后方能稳定读数，对于高电阻测量，这是正常的。检测在线电阻时，须确认被测电路已关掉电源，同时已放完电，方能进行测量。当200M欧量程进行测量时须注意，在此量程，两表笔短接时读数为1.0，这是正常现象，此读数是一个固定的偏移值。如被测电阻100M欧时，读数为101.0，正确的阻值是显示减去1.0，即101.0-1.0=100。

(3)二极管测量测量二极管时，把转换开关拨到有二极管图形符号所指示的挡位上。红表笔接正极，黑表笔接负极。对硅二极管来说，应有500-800mV的数字显示。若把红表笔接负极，黑表笔接正极，表的读数应为“1”。若正反测量都不符合要求，则说明二极管已损坏。

(4)短路线的检查将功能开关拨到短路测量的挡位上，将红黑表笔放在要检查的线路两端。如电阻小于50欧，则万用表发出声音。5.3维护和许多产品一样，数字万用表都附有用户使用手册，一般使用方法都有比较详细的说明。这里仅对日常使用较多的中低档袖珍式数字万用表的维护使用要点作进一步的说明：(1)测量之前应先估计一下被测量的大小范围，尽可能选用接，近满度的量程。这样可提高测量精度。如测100Ω电阻，宜用200Ω档而不宜用2KΩ或更高档。如果预先不能估计被测量值的大小，可从最高量程档开始测，逐渐减小到恰当的量程位置。当测量结果显示只有“半位”上的读数“1”时，表明被测值超出所在档范围(称道出)(2)数字万用表在刚测量时，显示屏上的数值会有跳数现象(类似指针式表表针的摆动)。应待显示数值稳定后才能读数。另外，被测元器件引脚由于氧化等原因造成被测件和表笔之间接触不良，显示屏也会长时间跳数，无法正确测量数值，增加测量误差。这时应先清洁元器件引脚后再进行测量。(3)数字万用表相邻档位之间距离很小，习惯使用指针式表的人会感到量程转换开并“吃”档手感不如指针式表明显，容易造成跳档或拔错档位。所以拔动量程开关时要慢，用力不能过猛；开并到位后应再轻轻左右拔动一下，以确定真正到位。(4)严禁在测量的同时拨动量程开关，特别是在高电压、大电流的情况下，以防产生电弧烧坏量程开关。(5)数字万用表在测量一些连续变化的量时不如指针式万用表方便直观，如测电解电容器的充、放电过程、测热敏电阻、光敏二级导管等，这时可采用数字万用表与指针式万用表相结合使用，或使用数字、模拟双显示数字万用表。(6)当测10Ω以下精密电阻时(200Ω档)，先将两个表笔短接，测出表笔线电阻(如0．20)，然后在测量中减去这一数值。(7)尽管数字万用表有比较完善的各种保护功能。使用中仍应力求避免误操作(如用电阻档去测220V交流电压等，以免带来不必要的损失。(8)每次测量结束应及时关断电源。对设置了自动断电电路(一般15min自动断电)的数字万用表，自动断电后要重新启动电源，可连续按动电源开关两次。(9)当出现电池电压过低告警指示时，应及时更换电池，以免影响测量准确度。(10)仪表应经常保