1、数字万用表的设计数字万用表的设计v与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：v 高准确度和高分辨力高准确度和高分辨力v 电压表具有高的输入阻抗电压表具有高的输入阻抗v 测量速率快测量速率快v 自动判别极性自动判别极性v 自动调零自动调零v 全部测量实现数字式直读全部测量实现数字式直读v 抗过载能力强抗过载能力强v所以，数字万用表受到用户的青睐，是从事电工、电子工程技术人员所以，数字万用表受到用户的青睐，是从事电工、电子工程技术人员必备的仪器表。本实验采用分体式结构，便于学生进行开放的设计性必备的仪器表。本实验采用分体式结构，便于学生进行开放
2、的设计性实验，了解数字万用表的组成及调试技术，锻炼使用和维修数字万用实验，了解数字万用表的组成及调试技术，锻炼使用和维修数字万用表的能力。表的能力。实验目的实验目的（1）了解数字万用表的工作原理、组成、特性和使用方法（2）掌握分压电路、分流电路、电阻分档电路的连接和计算（3）了解整流、滤波电路和过压过流保护电路的功用（4）掌握数字万用表的校准方法（5）正确连接、组成测试交直流电压、交直流电流、测试电阻的基本电路。实验仪器实验仪器DJL-数字万用表设计性实验仪一台；三位半或四位半数字万用表一台。实验原理实验原理 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
3、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VINv图（1）数字万用表的基本组成1.数字万用表的基本组成数字万用表的基本组成2.2.本实验使用的DJL-型数字万用表设计性实验仪，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。该表头有个输入端，包括个测量电压输入端（IN+、IN-）、个基准电压输入端（VREF+、VREF-）和个小数点驱动输入端。3.3.直流电压测量电路直流电压测量电路 在数字电压表头前面加一级分压电路（分压器），可以扩展
4、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。21200rrrUUi02210UrrrUi由于r r2，所以分压比为扩展后的量程为 10M99k9k1M1k数字电压表200mV200V20V2VUi2000VIN+INr1rrU0Ui0 图（）分压电路原理 数字电压表多量程分压器原理电路见图（），挡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2000V。图（3）多量程分压器原理 采用图的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量
5、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图（）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001.0M10k105432154RRRRRRR 其余各挡的分压比可同样算出，请同学们自己计算。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(详见数据处理部分)。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
6、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。2000V数 字电压表1k9k90k900k9MR5R4R3R2R1Ui200mV2V200V20VIN+图（）实用分压器电路 4.4.直流电流测量电路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，由于rR，取样电阻R上的电压降为Ui=RIi即被测电流Ii=Ui/R若数字表头的电压量程为U0，欲使电流挡量程为I0，则该挡的取样电阻（也称分流电阻）为R=U0/I0如U0=200mV，则I0=200mA挡的分流电阻为R=1。多量程分流
7、器原理电路见图（）。图（）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所示。数字电压表IN+INRUiIi图（）电流测量原理 1k101100数字电压表2A2mA20mA200mAUi200AIN+IN0.1Ii图（）多量程分流器电路 数 字电压表0.10.9990900R5R4R3R2R1IN+IN2A200mA20mA2mA200AD1D2IiUi 图（）实用分流器电路)(1.022.0505mIUR)(9.01.02.02.05404RIURm图（）中各挡分流电阻的阻值是这样计算的：先计算最大电流挡
8、的分流电阻R5再计算下一挡的R4依次可计算出R3、R2和R1，请同学们自己练习。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。FUSE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。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。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
9、压校准5.5.交流电压、电流测量电路交流电压、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（）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40400Hz（如DT830A、M3900等型号），
10、有些型号的交流挡测量频率可达1000Hz（如M3800、PF72等）。6 6电阻测量电路电阻测量电路RxIN+VZA/D转换及数字表头R0IN-VREF+VREFUREFUIN图（9）电阻测量原理X0INREFRRUU0REFINXRUUR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。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UINUREF时显示“1000”，UIN0
11、.5UREF时显示“500”，以此类推。所以，当RxR0时，表头将显“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挡。如对200挡，取R01=100，小数点定在十位上。当Rx=100时，表头就会显示出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挡，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。（其余各挡道理相同，同学们可自行推演。）数字万用表多量程电阻挡电路见图10。由上分析可知，R R1 1R R0
12、101=100=100 R2R02R011000100900R3R03R0210k1k9k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。RxIN+A/D转换及数字表头RtIN-VREF+VREF图（10）电阻测量电路R1R2R3R4900k90k9k900100PTCT+V2002k20k200k2M
13、R5内容与步骤内容与步骤1.1.设计制作多量程直流数字电压表设计制作多量程直流数字电压表（1）组装直流数字电压表：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1。按图（11）接线，参考电压VREF输入端接直流电压校准电位器。（2）校准电压表头：用一只成品数字万用表（称为标准表）置于直流电压20V量程进行监测，调节直流电压电流单元电路中电位器，使之输出一150-200mV左右的校准电压，然后将标准表表笔（输入）与组装表表笔并联，均置于直流电压200mV挡，测量直流电压电流单元输出电压，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）。(3)用自制电压表
14、测直流电压。a.测量5号电池的端电压（标称值1.5V）b.测量实验仪上的待测直流电压。图（图（1111）2.2.设计制作多量程交流数字电压表设计制作多量程交流数字电压表（1）组装多量程交流数字电压表：使用电路单元：三位半数字表头，直流电压校准交流电压校准（AC-DC变换器），分压器1，量程转换与测量输入。在上述200mV直流数字电压表头的基础上，增加交流-直流（AC-DC）变换器，制成交流数字电压表并校准按图（13）接线，在200mV直流数字电压表头（已校准）前面接入AC-DC变换器，然后进行交流电压校准。（2）交流电压校准：用标准表置于交流电压20V量程进行监测，接通交流电压电流单元电路，使
15、之输出一150-200mV左右的交流电压。然后将标准表表笔与组装表表笔并联，均置于交流电压200mV挡，测量交流电压电流单元输出电压，调整“交流电压校准”旋钮使表头读数与标准表读数一致（允许误差1.5mV）。（3）用自制交流电压表测电压。三位半数字表头IN+IN-dp1 dp2 dp3 VREF+VREF-直流电压校准接动片11k99k分压器交流电压V图（13）200mV交流数字电压表头及其校准电路AAC-DC变换器交流电压校准数字万用表交流200mV档（标准表）200mV直流数字电压表头3.计制作多量程直流数字电流表计制作多量程直流数字电流表（1）同内容1中的，先制成200mV直流数字电压表
16、头并将其校准（实验中若能避免破坏原先已校准好的表头，可省去这一步）。（2）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，电流挡保护电路，量程转换与测量输入。按图6（用分流器2）或图7（用分流器1）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，自己设计连线。(3)用自制电流表测直流电流a.测LED的电流：将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的大小、极性的变化以及LED发光情况的相应变化，作适当记录。b.测光电池的输出电流：将电流表连接到光电池两端，观察输出光电流随光照强度变化的情况。4.设计制作多量程交流数字
17、电流表设计制作多量程交流数字电流表(1)制作在实验内容2、3的基础之上，参照数字万用表结构框图（图1），自行设计并连接多量程交流数字电流表电路。提示：若保持“直流电压校准”和“交流电压校准”电位器状态不变，则可略去校准步骤。否则，要参照内容1、2重新进行校准。用自制交流电流表测电流强度将交流电流表串入待测交流电流I，小灯泡可能会发亮。调整限流电位器，灯泡亮度会随之变化。观察电流强度与灯泡亮度之间的关系。5.设计制作多量程数字电阻表设计制作多量程数字电阻表 制作使用电路单元：三位半数字表头，电阻挡基准电压，分挡电阻器，电阻挡保护电路，量程转换与测量输入。参照图10电路，连接成比例式多量程数字电阻
18、表，“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，自己设计连线。用多量程数字电阻表测量电阻a.测量固定电阻器的阻值；b.测量可变电阻器（电位器）的阻值范围，观察其变化是否线性；c.测量光敏电阻器的阻值，观察其阻值随光照强度的变化情况；d.测量热敏（NTC）电阻器的阻值，观察其阻值随温度的变化情况；e.测量晶体管管脚之间的正反向电阻，观测P-N结的单向导电性。实验时应当“先接线，再通电；先断电，再拆线”，通电前应确认接线无误，避免短路。即使加有保护电路，也应注意不要用电流挡或电阻挡测量电压，以免造成不必要的损失。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挡或减小（断开）输入信号，避免长时间超量程。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。注意事项注意事项
