數(shù)字萬用表原理及詳細(xì)介紹

1、實用文檔數(shù)字萬用表：XXX 學(xué)號：XXXXXX 專業(yè)：08電子信息工程X班數(shù)字萬用表DMM(Dital MultiMeter)采用大規(guī)模集成電路和液晶數(shù)字顯示技 術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、輸入阻抗高、顯示直觀、過載能力強(qiáng)、功能全、 耗電省、自動量程轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，許多數(shù)字萬用表還帶有測電容、頻率、溫度等功 能。本課題的主要容是理解DT-830型數(shù)字萬用表的基本結(jié)構(gòu)和原理，通過數(shù)字 萬用表的組裝與調(diào)試，培養(yǎng)電子產(chǎn)品安裝測試技能。萬用表的概述數(shù)字萬用表是采用集成電路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和液晶顯示器，將被測量的數(shù)值直 接以數(shù)字形式顯示出來的一種電子測量儀表。1 .數(shù)字萬用表的組成數(shù)字萬用表是在直流數(shù)字電壓表

2、的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的。為了能測量交流電 壓、電流、電阻、電容、二極管正向壓降、晶體管放大系數(shù)等電量，必須增加相 應(yīng)的轉(zhuǎn)換器，將被測電量轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 并以數(shù)字形式顯示出來。它由功能轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、電源和功 能/量程轉(zhuǎn)換開關(guān)等構(gòu)成。常用的數(shù)字萬用表顯示數(shù)字位數(shù)有三位半、四位半和五位半之分。對應(yīng)的數(shù) 字顯示最大值分別為1999, 19999和199999,并由此構(gòu)成不同型號的數(shù)字萬用表。2 .數(shù)字萬用表的面板(1)液晶顯示器:顯示位數(shù)為四位，最大顯示數(shù)為±1999,若超過此數(shù)值，則 顯示1或-1 O(2)量程開關(guān):用來轉(zhuǎn)換測量種類和量

3、程。(3)電源開關(guān):開關(guān)撥至“0N”時，表電源接通，可以正常工作；"OFF”時則關(guān) 閉電源。(4)輸入插座:黑表筆始終插在“COM”孔。紅表筆可以根據(jù)測量種類和測量圍 分別插入”VO"mA"、"10A”插孔中。1模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示電路常見的物理量都是幅值連續(xù)變化的所謂模擬量。指針式儀表可以直接對模擬電壓、電流進(jìn)行顯示，而對數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再 進(jìn)行顯示和處理。數(shù)字信號與模擬信號不同，其幅值是不連續(xù)的。就是說數(shù)字信號的大小只能 是某些分立的數(shù)值。若最小量化單位為，則數(shù)字信號的大小一定是的整數(shù)倍, 該整數(shù)可以用二進(jìn)制數(shù)碼表示，但為了

4、能直觀地讀出信號大小的數(shù)值，需經(jīng)過數(shù) 碼變換后由數(shù)碼管或液晶屏顯示出來。例如，設(shè)=(). 1mV,把被測電壓U與比較，看U是的多少倍，并把結(jié) 果四舍五入取為整數(shù)N。然后，把N變換成顯示碼顯示出來。能準(zhǔn)確得到并被顯 示出來的N是有限的，一般情況下，N21000即可滿足測量精度要求。所以，最 常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為1999,被稱為三位半數(shù)字表。對上述情況，把小數(shù) 點定在最末位之前，顯示出來的就是以mV為單位的被測電壓U的大小。如：U是 (0. 1mV)的1234倍，即NH234,顯示結(jié)果為123.4 (mV)。這樣的數(shù)字表頭, 再加上電壓極性判別顯示電路，就可以測量顯示一199. 9199.

5、9mV的電壓，顯示 精度為0. 1mV。由上可見，數(shù)字測量儀表的核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換、譯碼顯示電路。A/D轉(zhuǎn)換一般 又可分為量化、編碼兩個步驟。A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示已是很成熟的電子技術(shù)，且 已經(jīng)制成大規(guī)模集成電路。2直流電壓測電路在數(shù)字電壓表頭前面加一級分壓電路，可以擴(kuò)展直流電壓測量的量程。如圖 2-1所示，為數(shù)字電壓表頭的量程(如200mV), r為其阻(如10M。)，門、c 為分壓電阻，。為擴(kuò)展后的量程。由于r » r2,所以分壓比為So 。+ 0擴(kuò)展后的量程為r. + r>yi0=-o（2-2）r20 Uio圖2-1分壓電路原理圖2-2多量程分壓器原理多量程分壓器原理電路見圖

6、2-2, 53直流電流測電路測量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測電流轉(zhuǎn)換為相 應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測量。如圖2-3,由于用取樣電阻/？上的電壓降為=, 即被測電流/尸/用若數(shù)字表頭的電壓量程為%欲使電流檔量程為/。，則該檔 的取樣電阻為e“/。o如“=200mV,則/°=200mA檔的分流電阻為e1 0。圖2-3電流測量原理圖2-4多量程分流器電路多量程分流器原理電路見圖2-4。實際數(shù)字萬用表的直流電流檔電路為圖2-5 所示。圖2-5中各檔分流電阻的阻值是這樣計算的: 先計算最大電流檔的分流電阻凡，& ="=也=0.19)(2-3)/裙 2再計算下一檔

7、的此,/?4 = -/?5 =-0.1= 0.9(0)(2-4)乙40？依次可計算出用、吊和總分別為9。、90Q、900Qo圖中的尸汨是2A保險絲管，電流過大時會快速熔斷，起過流保護(hù)作用。兩 只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管4、鄉(xiāng)為塑封硅整流二極管，它們起雙向 限幅過壓保護(hù)作用。正常測量時，輸入電壓小于在二極管的正向?qū)▔航担O 管截止，對測量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7V,二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓 被限制住，保護(hù)儀表不被損壞。用2A檔測量時，若發(fā)現(xiàn)電流大于1A時，應(yīng)不使測量時間超過20秒，以避 免大電流引起的較高溫升影響測量精度甚至損壞儀表。4交流電壓、電流測量電路數(shù)字萬用表流電壓、

8、電流測量電路是在直流電壓、電流測量電路的基礎(chǔ)上， 在分壓器或分流器之后加入了一級交流-直流變換器，圖2-6為其原理簡圖。圖2-6 AC-DC變換器原理該AC-DC變換器主要由集成運算放大器、整流二極管、RC濾波器等組成，還包含 一個能調(diào)整輸出電壓高低的電位器，用來對交流電壓檔進(jìn)行校準(zhǔn)之用。調(diào)整該電 位器可使數(shù)字表頭的顯示值等于被測交流電壓的有效值。同直流電壓檔類似，出于對耐壓、安全方面的考慮，交流電壓最高檔的量限 通常限定為750V。數(shù)字萬用表交流電壓、電流檔適用的頻率圍通常為40、400Hz, 有些型號的交流檔測量頻率可達(dá)10OOHz o5電阻測量電路數(shù)字萬用表中的電阻檔采用的是比例測量法，

9、其原理電路見圖2-7o圖2-7電阻測量J I， T %0& L?ZD穩(wěn)壓管乙提供測量基準(zhǔn)電壓，流過標(biāo)準(zhǔn)電阻位和被測電阻尺的電流基本相等。 所以A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓 心和輸入電壓“有如下關(guān)系：幺里=旦(2-5)Sn 聯(lián)UlN即 Rx =/ R°(2-6)“ref根據(jù)所用A/D轉(zhuǎn)換器的特性可知，數(shù)字表顯示的是必與“f的比值，當(dāng)必 =&f時顯示“1000”，4=0.5"f時顯示“500”,以此類推。所以,當(dāng)用=吊時, 表頭將顯示“1000”，當(dāng)尺= 0.5用時顯示“500”，這稱為比例讀數(shù)特性。因此，我們只要選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻并適當(dāng)?shù)貙π?shù)點進(jìn)行定位，就能得到

10、不同的電阻測量檔。如對200。檔，取后二100。，小數(shù)點定在千位上。當(dāng)凡變化 時，顯示值相應(yīng)變化，可以從0.001 kQ測到1.999k。數(shù)字萬用表多量程電阻 檔電路見圖2-8。由上分析可知，用=偏=1000 = -, = 1000-100=900 0 用=治一磕=10k 1k=9k圖2-8中由正溫度系數(shù)熱敏電阻兄與晶體管T組成了過壓保護(hù)電路，以防誤 用電阻檔去測高電壓時損壞集成電路。當(dāng)誤測高電壓時，晶體管T發(fā)射極將擊穿 從而限制了輸入電壓的升高。同時尺隨著電流的增加而發(fā)熱，其阻值迅速增大， 從而限制了電流的增加，使T的擊穿電流不超過允許圍。即T只是處于軟擊穿狀 態(tài)，不會損壞，一旦解除誤操作，

11、尺和T都能恢復(fù)正常。DT830B型數(shù)字萬用表的 設(shè)計原理1 DT830B型數(shù)字萬用表的特點主電路采用典型數(shù)字表集成電路ICL7106,性能穩(wěn)定可靠技術(shù)成熟。且具有 精度高、輸入電阻大、讀數(shù)直觀、功能齊全、體積小巧等優(yōu)點。采用單板結(jié)構(gòu)， 集成電路ICL7106采用C0B封裝。結(jié)構(gòu)合理,只要有一般電子裝配技術(shù)即可成功 組裝。2 DT830B型數(shù)字萬用表的設(shè)計與制作2.1 數(shù)字萬用表總體框圖數(shù)字萬用表是在直流數(shù)字電壓表的基礎(chǔ)上配上各種變換器所構(gòu)成的。數(shù)字萬 用表原理框圖如圖37所示，它由量程選擇電路、各種變換器（R-V轉(zhuǎn)換、I-V轉(zhuǎn) 換、V-V轉(zhuǎn)換）及直流數(shù)字電壓表所包含的各個環(huán)節(jié)（A/D轉(zhuǎn)換、顯示

12、邏輯、顯 Ab示電路）組成。圖37數(shù)字萬用表原理框圖A/D健LCD 假 LED) M示喘減譯碼 顯示器圖3-2直流數(shù)字電壓表的構(gòu)成2. 2數(shù)字萬用表的電路原理圖參見附錄。2. 3雙積分A/D轉(zhuǎn)換器集成電路ICL7106及附屬電路如圖3-3所示。4039 演 56ko38 ,iC7 220pF270k(l J24kO37RP ioon340 02pF。期。 丁* QO.UiF32313027931c U4Jkn匚包一!二此。0：rzCio cum 加入!,一 - 。必 O.022uF J.COM32 68kG圖3-3 ICL7106及附屬電路芯片ICL7106每個轉(zhuǎn)換周期規(guī)定由4000個計數(shù)脈沖

13、周期組成，這4000個計 數(shù)脈沖的分配如下：1000個計數(shù)脈沖周期用于輸入信號；0-2000個計數(shù)脈 沖周期用于基準(zhǔn)電壓積分；1000到的，自動校零的時間也是可變的，須等上一 次反向積分結(jié)束后才能開始。心、味組成輸入端阻容濾波電路，以提高儀表抗干 擾能力。扁、G與7106部的兩個反相器共同作用，產(chǎn)生約40kHz的時鐘脈沖信號， 該信號經(jīng)四分頻后，形成10kHz的計數(shù)脈沖，再經(jīng)過200分頻得到50Hz的方波， 并從背電極BP作為液晶顯示器的公共電極電壓，時鐘振蕩頻率可按fZl/2. 2危C 計算。儀表的測量速率可按MR=16000計算，可算得個40kHz, MR=2. 5次/s。 G為基準(zhǔn)電容。

14、兄為自動調(diào)零電容。分別為積分電阻和積分電容。ICL7106 的模擬公共端與面板上的表筆插孔COM連通，匕與COM之間有2. 72. 9V的穩(wěn)壓 輸出。基準(zhǔn)電壓由用8、以、印3、總和儡組成的分壓器供給。調(diào)整印3可使=100. OmV 設(shè)7106部的基準(zhǔn)電壓5二2.8V,則當(dāng)印3的滑動觸頭調(diào)到最下端時，有：3000個 計數(shù)脈沖周期用于自動校零。采樣時間是固定不變的，但比較時間即反向積分時間是隨輸入電壓/的大小而改變。（48 |叫9）+ /?/+（&。|七8）E（） =9.5mV當(dāng)印3的滑動觸頭調(diào)到最上端時,匕=107.3/n V政3+（&。限8）（RM|R|9）+ R4 +（&am

15、p;o|&8）所以，尿3的電壓調(diào)整圍是95.1107.3mV,從中可調(diào)出 %=100.0mV。色、 a、6組成基準(zhǔn)電壓輸入端的高頻濾波器。2. 4測電路（1）直流電壓測量電路如圖3-4所示。圖3-4直流電壓測量電路采用電阻分壓器把基本量程為200mV的表擴(kuò)展成五量程的直流數(shù)字電壓表。 圖中帶斜線的方框表示導(dǎo)電橡膠條，用來連通7106與LCD的對應(yīng)管腳。話z是分 壓電阻，通過調(diào)整印2使吊+/iP2=9M。凡是限流保護(hù)電阻，凡是消除高頻噪聲干 擾的電容。(2)直流電流測量電路如圖3-5所示用尺、心組成了 IT轉(zhuǎn)換器。被測輸入電流流過分流電阻時產(chǎn)生壓降，作 為基本表的輸入電壓，這就實現(xiàn)了 i

16、-v轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字電壓表顯示出被測電流大 小。10A檔分流器R.是用黃銅絲制成，以便能通過較大的電流。尺是線繞電阻， 僅在測大電流時需使用“10A”插孔，并將4撥至“20mA/10A”位置,使小數(shù)點 定在“百位上”。FU是快速熔絲管，串在輸入端，作過流保護(hù)，硅二極管口、D2接成雙向限幅 電路，作為過壓保護(hù)元件。(3)交流電壓測量電路如圖3-6所示。電路主要包括兩部分：電阻分壓器、AC/DC轉(zhuǎn)換器。為降低成本，與DCV檔 共用一套分壓電阻。AC/DC轉(zhuǎn)換器具有平均值響應(yīng)，利用雙運放TL062其中的一 組運放和二極管D7-D8構(gòu)成線性半波整流器。G是輸入耦合電容，口5、即、 M作運放輸入端過壓保護(hù)

17、，G和G為隔直電容。自是運放的負(fù)反饋電阻，用以穩(wěn) 定工作點。&為頻率補(bǔ)償電容。Ds是半波整流二極管，D,為保護(hù)二極管，給反向 電流提供通路。其工作原理是：在輸入信號的正半周時，導(dǎo)通，截止，IC% 輸出電流流向為©sTGTDgT/T/T/TCOM (模擬地)；負(fù)半周時流向為COM T AP'T AP27T族T D7T QT I Czs。從原理上講，這屬于半波整流電路。由吊5、吊7、 相，構(gòu)成分壓電路，調(diào)整印4可改變輸出電壓，供校準(zhǔn)交流電壓檔用。心和乙為平 滑濾波器，獲得平均值電壓 O該電路有三個特點：第一，當(dāng)輸入交流電壓為零時，%亦等于零；第二，IC 接成同相放大器使用

18、，以提高其輸入阻抗；第三，由于I黑的放大作用，即使輸 入信號較弱，也能保證D8在較強(qiáng)信號下工作，從而避免了二極管在小信號檢波時將圖3-6中的分壓器改成圖3-5中的分流器，則構(gòu)成五量程的交流數(shù)字電流 表。(5)電阻測量電路利用選擇開關(guān)改變標(biāo)準(zhǔn)電阻吊的采用比例法測電阻，其優(yōu)點是即使基準(zhǔn)電壓 存在一定偏差或在測量過程中略有波動，也不會增加誤差，因此可降低對基準(zhǔn)電 壓的要求。原理圖見圖3-7a所示，電阻測量的實際電路如圖3-7b所示。利用選 擇開關(guān)改變標(biāo)準(zhǔn)電阻用的數(shù)值，即可構(gòu)成多量程數(shù)字歐姆表。測電阻時，原來的 基準(zhǔn)電壓分壓電路全部斷開，改由晶、D3和5組成分壓器，并以標(biāo)準(zhǔn)電阻(即 吊、砰2、吊色)上的壓降作為基準(zhǔn)電壓，以被測電阻吊上的壓降為輸入電壓Ko 心是二極管D3、燈的限流電阻。在2k。、20k Qx 200k Qx 2M。和20M。這五個 電阻檔，必被短路，加在心端和COM端之間提供測試電流的電壓即為的導(dǎo)通 壓降，約為0.60.7V。在200。檔，氏+端和COM端之間的電壓為D3、B串聯(lián)的 正向壓降，約為1.21.4V。3）COMb)圖3-7電阻測量電路電阻檔的過壓保護(hù)電路由正溫度系數(shù)的熱敏電阻尺、/、晶體管BGBG2組 成。將BG八BG2的集成電結(jié)分別短接后，利用其發(fā)射結(jié)作齊納穩(wěn)壓二極管用，這 兩個