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实训资料

实训一 数字万用表实训（相关资料：

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1.实训目的

通过对一台正式产品数字万用表的安装、调试，让学生了解电子产品的生产工艺流程，掌握常用元器件的识别和测试及电子产品生产基本操作技能。

培养学生的动手能力。

2.实训要求

①能看懂数字万用表的原理框图、电原理图及装配图。

②熟悉数字万用表的装配工艺流程。

③独立完成一台数字万用表的安装、调试。

④运用电路知识，分析、排除调试过程中所遇到的问题。

根据数字万用表的技术指标测试数字万用表的主要参数及波形。

3.数字万用表原理

数字万用表原理框图由功能、量程选择、参数转换电路、ICL7106集成电路及液晶显示器四大部分组成。

图2.1是数字万用表的原理框图。

⑴　功能、量程选择

功能、量程选择由手动转换开关实现。

⑵测量参数转换电路

通常被测量参数除了直流电压无需转换，另外被测量都须经过转换电路转换成相应的直流电压，然后送入ICL7106，最后得到显示结果。

数字万用表的各类转换电路一般由一些无源的分压或分流电阻网络构成，而交直流转换电路由有源器件（二极管）等实现，数字表的功能和量程选择由转换开关实现。

⑶ICL7106集成电路

ICL7106是把双积分式A/D转换，七段译码，LCD显示驱动，基准源和时钟等电路都集成在同一块芯片上的CMOS集成电路，它有40个引脚，采用双列直插式封装，在袖珍式数字万用表DT830B中有用电路板一体化封装的芯片，特点是体积小，成本低廉。

①双积分式A/D转换器的工作原理

由图2.1可知，A/D转换器是数字万用表的关键电路，从根本上决定了数字万用表的整体性能。

A/D转换器基本工作原理是把一个数量上连续变换的模拟量转换为一个数量上离散变换的数字量。

数字万用表中通常采用双积分式的A/D转换器，它把输入模拟电压与参考电压作比较，通过两次积分过程转换为两个时间间隔的比较，由此将模拟电压转换为与其平均值成正比的时间间隔，然后用时钟脉冲计数器测量这一时间间隔，所得的计数值即为A/D转换结果。

A/D转换器的原理图2.2所示，它在一个测量周期内的工作过程可分为二个阶段来描述。

第一阶段T1：

测试开始，计数器清零，C放电，控制逻辑使S2、S3断开，S1接通，积分器对被测电压VIN进行反向积分（也叫采样），采样期间积分输出U01向负线性增加，经过零比较器后通过控制逻辑打开G，计数器开始对时钟脉冲计数，当计数到最高位为1时，溢出脉冲通过控制逻辑使S1断开，S2接通，采样结束，计数器置零。

设采样过程时间为T1，则积分输出：

          2-1

第二阶段T2：

S2导通后接通基准电压UREF后，积分器开始第二次积分，U01开始负线性减少，计数器也重新计数。

当U01下降到零时，控制逻辑使S2断开，S3接通，积分停止，同时关闭门G，计数停止，一个测量周期结束。

设反向积分过程时间为T2，则

          2-2

由式

（1）、

（2）可得

          2-3

转换波形如图2.3所示

设时钟脉冲周期为T，则T1=N1T，T2=N2T，N1、N2分别是正反向积分期间计数的时钟脉冲个数，所以可以得出：

或

2-4

对于三位半A/D转换器，采样期间计数到1000个脉冲时计数器有溢出，故N1=1000是个定值，若规定UREF=100.0mV，则有

UIN=0.1N2          2-5

对于3位半A/D转换器，如果VREF=100.0mV，则最大显示为199.9mV，这时3?

位A/D转换器就构成基本量程为0.2V的直流数字电压表。

许多普及型数字万用表就是用这种基本量程为0.2V的直流数字电压表作表头扩展而成的。

要测量较高的直流电压，可采用分压器将被测电压降到0.2V以下。

若要测量交流电压、交直流电流及电阻，只要采用相应的转换器转换成直流电压即可。

②ICL引脚功能介绍

ICL7106引脚排列见图2.4所示，引脚功能如下：

1.V+、V-:

电压的正负极

2.A1～G1、A2～G2、A3～G3分别为个位、十位、和百位数码的字段驱动信号端，这些信号分别接LCD显示器的相应字段电极，参见图2.5（a）

3.bc4：

千位字段驱动信号端，由于千位只显示“1”，所以bc4接显示器千位上与“1”对应的b、c字段，参见图2.5（b）。

4.POL：

负极性指示输出端，此位接千位数码的g字段。

5.BP/GND：

液晶显示器背电极驱动端

6.INT:

积分器输出端，此端接积分电容CINT

7.BUFF：

积分器和比较器的反相输入端，此端接积分电阻RINT。

8.A/Z：

积分器和比较器的反相输入端，此端接自动调零电容CAZ

9.VIN+、VIN-：

模拟量输入端

10.COMMON：

模拟信号公共端，一般与基准电压的负端相连。

11.CREF+、CREF-：

外接基准电容CREF的两端子

12.VREF+、VREF-：

基准电压正负端

13.TEST该引脚上拉至时，显示器全亮，用于测试

14.OSC1、OSC2：

时钟振荡器引出端，外接电阻和电容，组成多谐振荡器，用于系统时钟。

⑷液晶显示器（LCD）

液晶显示器（LCD）是一种功耗极小的场效应器件，在数字仪表、计算器和数字式电子手表中作为数字和符号的显示器件得到极为广泛的应用。

随着科学技术和制造工艺的发展，液晶显示器在大屏幕显示方面如电脑显示器、家用彩电等也得到了越来越多使用。

    液晶显示器字符的显示方式，按电极的形状或排列可分为段显示和点阵显示两种。

数字万用表液晶显示器采用段显示方式（见图2.5）。

液晶显示器电极通过导电橡胶与驱动电路相连。

驱动电压分别加至液晶显示器的笔段电极a～g与公共背极BP之间，利用二者电位差，便可驱动LCD显示数据（见图2.6）。

液晶显示器的特点：

·本身不发光，只能反射或透射外界光线，亮暗对比度可达100：

1；

·必须采用交流电压驱动，电压频率为30～100Hz；

·驱动电压低，通常为3～6V，驱动电流小（几个μA）。

⑸由ICL7106构成的A/D转换及LCD驱动电路

由ICL7106构成的A/D转换及LCD驱动电路如图2.7所示。

基本挡量程为200mV。

C1、R01分别为振荡电容和振荡电阻，从集成电路38脚（OSC3）可获得频率为f0≈40kHz的时钟信号供集成电路A/D转换及数字电路使用，仪表的测量速率为2.5次/秒。

为提高仪表的抗干扰能力和过载能力，R03、C4组成模拟输入端的高频滤波器，C2为基准电容，R04为积分电阻，C5、C3分别为积分电容和自动调零电容。

ICL的内部基准电压源E0=3V，E0经过R06、R07、VR1、R05分压后，获得所需的基准电压。

当RP1调至最下端时：

UREF=V+×R05/（R05+R06+R07+RP1）=3/30.2=90.6mV

当RP1调至最上端时：

UREF=V+×（R05+RP1）/（R05+R06+R07+RP1）

=3×1.2/30.2=119.2mV

因此电位器RP1的电压调整范围为90.6～119.2mV。

通过调整RP1，可获得基准电压UREF=100mV。

由于ICL7106内部仅有液晶笔段和背光极驱动端，小数点和高压指示符HV的驱动电路由外接R17～R19、开关S组成。

以DP200显示驱动为例，当S拨至DP200时，VA=1（高电平），而LCD的BP极接的是50Hz的方波电压VBP，由图8可见，由于DP200液晶段的两端存在方波压降，DP200显示。

DP20则没有电位差消隐。

仅当量程转换开关拨至交流750V挡、直流1000V挡时，才显示高压指示符“HV”。

⑹参数测量电路

①直流电压测量电路

DT830B数字万用表的直流电压测量原理见图2.9，基准电压由电位器调定为100mV，因此仪表基本量程为200mV，其余量程通过分压电阻输入。

以2V为例,它的分压系数为0.1，即输入1V压时，集成电路的实际输入电压UIN=1V×0.1=100mV，以次类推20V，200，1000V挡的分压系数分别为0.01，0.001，和0.0001，从而通过一系列分压电阻的配置，使仪表能够测量较大的电压。

②交流电压测量电路

交流电压测量电路原理见图2.10，基准电压仍为100mV,交流电压先通过二极管半波整流转换成直流电压，再经过分压电路分压，最后通过RC滤波电路成平滑直流电压。

以200V挡为例，集成电路实际输入UIN电压：

UIN=0.001Ui。

即当输入测量交流电压为100V时，集成电路实际输入电压为100mV。

同理750V时分压系数为0.0001。

③直流电流测量电路

DT830B数字万用表的直流电流测量电路见图2.11，其测量原理是被测直流电流流过一个标准电阻并产生压降，通过测量电阻两端的电压就可测量电流大小。

直流测量电路共设五挡：

200μA、2mA、20mA、200mA、10A。

其中10A挡专用一个输入插孔。

R12、R11组成一路分流电阻、R08、R09、R10组成一路分流电阻。

以2mA为例，标准电阻为100Ω，当1mA的电流流过时，产生100mV的电压，UIN=100mV，从而反映了电流大小。

④电阻测量电路

电阻测量电路采用比例法测量电路。

图2.12中R11～R16为电阻挡标准电阻。

在200Ω挡时，为了提高测量低阻的准确度，需增大测试电流，以便在被测电阻Rx上形成较大的压降，因此这挡直接将V+电压加在标准电阻上。

因为?

而　　

         2-6

所以可以推出：

          2-7

式2-7中RREF为电阻挡的标准电阻，N1为1000。

以200Ω挡为例，该挡的标准电阻为：

RREF=R11=100Ω，显然，当被测电阻Rx刚好为100Ω时，N2为1000。

因为该挡单位为“Ω”，所以将小数点定在十位上即可得到100.0（Ω）。

⑤二极管测量电路

二极管测量电路见图2.12。

ICL7106内部+3V基准电压源经过R12、R11、R20，向被测二极管提供测试电流。

IF=（E0-UF）/（R11+R12+R20）=（3-0.5）/（2.5×103）?

≈1mA?

上式中UF为二极管正向压降，取0.5V左右。

R11、R12上总压降为基准电压，UREF=IF（R11+R12）≈1mA×（900Ω+100Ω）≈1V。

因此测二极管挡时将200mV基本表扩展成2V量程。

二极管的UF值视管子而定，一般在1.8V以下。

⑥三极管hFE测量电路

三极管hFE测量电路如图2.13所示。

三极管的基极电流：

Ib=（V+-Ube）/R18≈10μA

设某三极管的hFE=100，IC==1mA，则VE=1mA

10Ω=10mV，基准电压取100mV，则表头显示的数值N2=1000×VE/UREF=1000×10/100=100。

⑦电源电路

该仪表没有专门设置电源开关，而由量程转换开关代替。

当开关拨至“OFF”的位置时，切断9V电池供电线路。

每次使用完毕，必须把转换开关置于“OFF”位置，否则仪表将空耗电池。

4.实训器材

①DT830B数字万用表套件一套。

②直流稳压电源，4位半数字万用表、示波器各一台。

5.实训步骤

DT830B数字万用表由机壳塑料件（包括上下盖、旋钮）、印制板部件（包括插口）、液晶屏、表笔等组成，组装成功关键是装配印制板部件，整机安装流程见图2.14。

⑴印制板安装

数字万用表印刷线路见图2.15，双面板的A面是焊接面，中间环形导线是功能、量程转换开关电路，需小心保护，不得划伤或污染。

注意：

安装前必须对照元件清单，仔细清理、测试元器件。

印制板安装步骤如下：

①　将“DT830B元件清单”上所有元件按顺序插焊到印制电路板相应位置上（可参照图2.14、2.21）。

安装电阻、电容、二极管时，如果安装孔距>8mm等，采用卧式安装；如果孔距<5mm、应立式安装；电解电容采用卧式安装，其它电容采用立式安装。

②安装电位器、三极管插座。

注意安装方向：

三极管插座装在B面而且应使定位凸点与外壳对准、在A面焊接（参见图2.15）。

③安装保险座、R0。

由于焊接点较大，应注意预焊和焊接时间（参见图2.21）。

④安装电池线。

两根电池线由B面穿到A面再插入焊孔，在B面焊接。

红线接“+”黑线接“—”（参见图2.21）。

⑵液晶屏的安装

①面壳平面向下置于桌面，从旋钮圆孔两边垫起约5mm。

（图2.16）

②将液晶屏放入面壳窗口内，白面向上，方向标记在右方；放入液晶屏支架，平面向下；用镊子把导电胶条放入支架两横槽中，注意保持导电胶的清洁。

（图2.18）

⑶旋钮安装方法

①将V型簧片装到旋钮上，共六个。

（参见图2.17）

注意：

簧片易变形，用力要轻。

②装完簧片把旋钮翻面，将两个小弹簧蘸少许凡士林放入旋钮两圆孔，再把两小钢珠放在表壳合适的位置上。

（如图2.19）

③将装好弹簧的旋钮按正确方向放入表壳。

（图2.20）

⑷固定印制板

①将印制板对准位置装入表壳（注意：

安装螺钉之后再装保险管），并用三个螺钉紧固（螺钉紧固位置见图2.21）。

②装上保险管和电池，转动旋钮，液晶屏应正常显示。

装好印制板和电池的表体如图2.21所示。

⑸调试

数字万用表的功能和性能指标由集成电路和选择外围元器件得到保证，只要安装无误，仅作简单调整即可达到设计指标。

①LCD测试

将3?

数字万用表量程转换开关旋钮绕着盘旋转，可以得到表2.1读数。

“-”符号会出现或不停地闪。

表2.1

量程

表头指示

量程

表头指示

DCV

200mV

00.0

Ω

挡

200Ω

1BB.B

2000mV

000

2000Ω

1BBB

20V

0.00

20kΩ

1B.BB

200V

00.0

200kΩ

1BB.B

1000V

000

2000kΩ

1BBB

DCA

200uA

00.0

ACV

200V

00.0

2000uA

000

750V

000

20mA

0.00

hFE

000

200mA

00.0

二极管挡

1BBB

10A

0.00

“B”表示空白

②基准电压调试

将3?

的数字万用表量程开关置交流电压或直流电压任一挡，两表棒开路。

用4?

数字万用表测3?

数字万用表集成电路35、36脚之间电压UREF，调电位器RP1，使UREF=97.4mV左右。

按实习报告的调试表格要求依次测量数据和波形，填入实习报告。

⑹总装

盖上后盖，安装后盖2个螺钉，至此安装、调试全部完毕。

⑺常见故障检修方法

                表2.2 常见故障现象及分析

序号

故障现象

可能原因/故障分析

1

液晶

显示器

显示暗淡甚至不显示

电池失效或液晶显示器老化；量程转换开关接触不良。

发生笔画残缺现象

7106局部损坏，某些驱动端接触不良；LCD接触不良；小数点不能正常显示，一般由偏置电阻R18、R19或量程开关开路。

高压指示符“HV”不显示

量程开关未拨到DC1000V或AC750V；该标志符损坏；量程开关接触不良。

2

DCV挡

200mV挡不正常

RP1的触头松动，基准电压不能调节到97.4mV

200mV挡正常，某电压挡的测量误差明显增大

该挡量程开关接触不良或分压电阻变值而造成的。

3

ACV挡

交流200V、750V挡均不能测量

一般是整流二极管1N4007开路。

当C6容量减小，滤波效果变差，容易造成仪表跳数。

4

DCA挡

200

A～200mA挡不能测电流

检查熔丝管是否烧断，此外，对于200

A和200mA挡，重点检查分流电阻R11、R12的阻值；对于20mA、200mA、10A挡则检查R08、R09、R10阻值。

5

Ω挡

DCV挡正常，但Ω挡不能测量

应重点检查量程转换开关

6

二极管

该挡不能测量

量程转换开关接触不良

7

hFE

该挡不能测量

hFE插座与印制板脱焊；被测晶体管管脚插错或管子损坏或被测管接触不良。

6.实训报告

①把测试的数据、波形填入表2.3、2.4中。

②请叙述怎样根据电路原理分析、排除在调试过程中所遇到的故障。

表2.3 数字万用表调试数据波形记录表

测量项目

测量位置

测量数据、波形

备注

电源电压

V+～V-

用41/2数字表DC20V挡测量

基准电压1

V+～COM

基准电压2

VREF+～VREF-

标准值（97.4mV左右），调节VR1

时钟波形

OSC3～COM

示波器

DC?

2V/DIV

5μS/DIV

千位字段bc4波形

（31/2数字表量程开关置2kΩ挡，开路）

bc4～COM

BP～COM

示波器置双踪，CH1接bc4，CH2接BP

DC?

2V/DIV

5Ms/DIV

百位字段E3波形

（31/2数字表量程开关置2kΩ挡,开路）

E3～COM

BP～COM

示波器置双踪，CH1接E3，CH2接BP

DC?

2V/DIV

5mS/DIV

表2.4 数字万用表调试数据记录表

测量项目

量程

输入量

显示值允许范围

表头显示值

3?

4?

DCV

200mV

100.0mV

99.1～100.9

2V

1.000V

0.991～1.009

20V

10.00V

9.91～10.09

200V

100.00V

99.1～100.9

1000V

500.00V

495～505

ACV

200V

100.0V

98.1～101.9

750V

200.00

196.2～203.8

DCA

200μA

100.0μA

98.8～101.2

2mA

1.000mA

0.988～1.012

20mA

10.00mA

9.88～10.12

200mA

100.0mA

98.6～101.4

10A

10.00A

9.78～10.22

Ω

200Ω

100.0Ω

99.0～101.0

2kΩ

1.000kΩ

0.990～1.010

20kΩ

10.00kΩ

9.90～10.10.10

200kΩ

100.0kΩ

99.0～101.0

2MΩ

1.000MΩ

0.988～1.012

二极管

二极管挡

1N4007

0.500～0.700

三极管

hFE

PNP

0～1000

NPN

0～1000

7.思考题

①数字万用表量程开关打在电阻挡时，两表棒短接时，表头显示什么，开路时，表头显示什么，为什么？

②数字万用表量程开关打在直流电压挡或电流挡时，两个测试表棒无论开路而是短路，表头都显示“000”，为什么？

③数字万用表在测量电压、电流、电阻、二极管正向压降时，其基准电压UREF分别为多少？

④数字万用表直流电流测量电路是怎样把直流电流变成小于200mV的直流电压？

⑤数字万用表的参数转换电路把被测的量（电压、电流、电阻、电流等）都转换成多少伏的直流电压Uin送入集成电路？

写出Uin、UREF与计数器二次计数值N1和N2的关系式，其中N1为多少？