数字万用表设计性试验讲义Word下载.docx
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⑶测量速率快
数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数,它主要取决于A/D转换的速率。
三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒2~4次,高的可达每秒几十次。
⑷自动判别极性
指针式万用表通常采用单向偏转的表头,被测量极性反向时指针会反打,极易损坏。
而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性,使用起来格外方便。
⑸全部测量实现数字式直读
指针式万用表尽管刻画了多条刻度线,也不能对所有挡进行直接读数,需要使用者进行换算、小数点定位,易出差错。
特别是电阻挡的刻度,既反向读数(由大到小)又是非线性刻度,还要考虑挡的倍乘。
而数字万用表则没有这些问题,换挡时小数点自动显示,所有测量挡都可以直接读数,不用换算、倍乘。
⑹自动调零
由于采用了自动调零电路,数字万用表校准好以后使用时无需调校,比指针式万用表方便许多。
⑺抗过载能力强
数字万用表具备比较完善的保护电路,具有较强的抗过压过流的能力。
当然,数字万用表也有一些弱点,如:
⑴测量时不象指针式仪表那样能清楚直观地观察到指针偏转的过程,在观察充放电等过程时不够方便。
不过有些新型数字表增加了液晶显示条,能模拟指针偏转,弥补这一不足。
⑵数字万用表的量程转换开关通常与电路板是一体的,触点容量小,耐压不很高,有的机械强度不够高,寿命不够长,导致用旧以后换挡不可靠。
⑶一般数字万用表的V/Ω挡公用一个表笔插孔,而A挡单独用一个插孔。
使用时应注意根据被测量调换插孔,否则可能造成测量错误或仪表损坏。
2.数字万用表的基本组成
图
(1) 数字万用表的基本组成
除了图
(1)中的基本组成部分之外,数字万用表通常还有蜂鸣器电路、二极管检测电路、三极管hFE测量电路、低电压指示电路等(如DT830A型)。
有的表还设有电容测量电路、温度测量电路、自动延时关机电路等(如DT890C+、M890D、KT105等型号)。
更新型的还有电感、频率测量电路(如DT930F+、KT102、VC9808等型号)。
[本实验只研究数字万用表的基本组成部分]
3.模数(A/D)转换与数字显示电路
常见的物理量都是幅值(大小)连续变化的所谓模拟量(模拟信号)。
指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。
而对数字式仪表,需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号,再进行显示和处理(如存储、传输、打印、运算等)。
数字信号与模拟信号不同,其幅值(大小)是不连续的。
就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值。
就象人站在楼梯上时,人站的高度只能是某些分立的数值一样。
这种情况被称为是“量化的”。
若最小量化单位(量化台阶)为Δ,则数字信号的大小一定是Δ的整数倍,该整数可以用二进制数码表示。
但为了能直观地读出信号大小的数值,需经过数码变换(译码)后由数码管或液晶屏显示出来。
例如,设Δ=0.1mV,我们把被测电压U与Δ比较,看U是Δ的多少倍,并把结果四舍五入取为整数N(二进制)。
然后,把N变换为十进制七段显示码显示出来。
能准确得到并被显示出来的N是有限的,一般情况下,N≥1000即可满足测量精度要求(量化误差≤1/1000=0.1%)。
所以,最常见的数字表头的最大示数为1999,被称为三位半(
)数字表。
对上述情况,我们把小数点定在最末位之前,显示出来的就是以mV为单位的被测电压U的大小。
如:
U是Δ(0.1mV)的1234倍,即N=1234,显示结果为123.4(mV)。
这样的数字表头,再加上电压极性判别显示电路,就可以测量显示-199.9~199.9mV的电压,显示精度为0.1mV。
由上可见,数字测量仪表的核心是模/数(A/D)转换、译码显示电路。
A/D转换一般又可分为量化、编码两个步骤。
有关A/D转换、编码、译码的详尽理论超出了本实验所要求的范围,感兴趣的同学可参阅有关专业教材。
以上所述的A/D转换及数字显示已是很成熟的电子技术,且已经制成大规模集成电路,一般的仪器仪表生产者、使用者只要知道该类集成电路的管脚及特性,就能使用了。
本实验使用的DM-I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(VREF+、VREF-)和3个小数点驱动输入端。
4.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),可以扩展直流电压测量的量程。
如图2所示,U0为数字电压表头的量程(如200mV),r为其内阻(如10MΩ),r1、r2为分压电阻,Ui0为扩展后的量程。
图(2)分压电路原理图(3)多量程分压器原理
由于r>
>
r2,所以分压比为
扩展后的量程为
多量程分压器原理电路见图(3),5挡量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001,对应的量程分别为200mV、2V、20V、200V和2000V。
采用图3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程,但在小量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(4)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
其余各挡的分压比可同样算出,请同学们自己计算。
图(4) 实用分压器电路
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。
5.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5,由于r>
R,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=1Ω。
图(5) 电流测量原理 图(6) 多量程分流器电路
多量程分流器原理电路见图(6)。
FUSE
图(6)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7所示。
图(7)中各挡分流电阻的阻值是这样计算的:
先计算最大电流挡的分流电阻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(7) 实用分流器电路
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。
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。
6.
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(8)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40~400Hz(如DT830A、M3900等型号),有些型号的交流挡测量频率可达1000Hz(如M3800、PF72等)。
7.电阻测量电路
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9。
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UIN=UREF时显示“1000”,UIN=0.5UREF时
显示“500”,以此类推。
所以,当Rx=R0时,表头将显示
“1000”,当Rx=0.5R0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200Ω挡,取R01=100Ω,小数点定在十位上。
当Rx=100Ω时,表头就会显示出100.0(Ω)。
当Rx变化时,显示值相应变化,可以从0.1Ω测到199.9Ω。
又如对2kΩ挡,取R02=1kΩ,小数点定在千位上。
当Rx变化时,显示值相应变化,可以从0.001kΩ测到1.999kΩ。
(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,
R1=R01=100Ω
R2=R02-R01=1000-100=900Ω
R3=R03-R02=10k-1k=9k
……
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。
四、内容与步骤
1.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)绘制组装表的电压校准曲线:
调节直流电压电流单元电路中电位器,使之分别输出20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、120mV、140mV、160mV、180mV的直流电压。
将标准数字万用表表笔与组装表表笔(输入)并联,标准表、组装表均置于直流电压200mV挡,同时测量直流电压电流单元输出电压,列表记录之。
并绘出组装表的电压校准曲线(关于绘制电表校准曲线请同学参考《大学物理实验》讲义第一册42页的有关介绍)。
(4)用自制电压表测直流电压(选做)
a.测量5号电池的端电压(标称值1.5V)
b.测量6F22电池的端电压(标称值9V)
c.测量DM-I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“V”的大小和极性。
将电流“I”两端连通,构成电流回路,电路中的LED可能会发光,可以观测电压“V”对发光状态的影响
d.测量光电池的端电压:
将电压表连接于光电池的两端,改变光照的强度,观察电压的变化情况
图(11)
2.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:
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⑴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)绘制组装表交流2V档的电压校准曲线:
接通交流电压电流单元电路,使之分别输出0.2V、0.4V、0.6V、0.8V、1.0V、1.2V、1.4V、1.6V、1.8V的交流电压。
将标准数字万用表表笔与组装表表笔(输入)并联,标准表、组装表均置于交流电压2V挡,同时测量交流电压电流单元输出电压,列表记录之。
并绘出组装表交流2V档的电压校准曲线。
(4)用自制交流电压表测电压(选做)
a.测量待测“交流电压电流”单元中的V,此电压为内部电源变压器的次级电压。
b.测量灯泡电压:
将待测交流电流I连通(短路),小灯泡可能会发亮。
调整限流电位器,灯泡亮度会随之变化。
测量灯泡两端的电压,观察其与灯泡亮度之间的关系。
c.测量市电(标称值~220V)的电压(注意安全,务必在教师指导下进行)。
3.计制作多量程直流数字电流表(不做)
(1)同内容1中的⑴,先制成200mV直流数字电压表头并将其校准(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
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电流表(不做)
(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。
~
⑵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。
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(不做)
⑴制作
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。
⑵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。
五、注意事项
1.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。
2.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。
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挡或减小(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。
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