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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℃)。
它采用自动校准(AUTOCAC)专利技术,能对全部测量项目和量程进行自动校准,并能显示极值和各项测量误差。
这类数字万用表还有北京无线电技术研究所引进美国福鲁克(FLUKE)公司生产的8840A型(五位半)、英国舒力强公司研制生产的7081型(八位半)等。
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。
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。
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ACV
2V
只能显示左边的小数点
1.999
DCA或ACA
2mA
Ω
2kΩ或2MΩ
20V
只能显示中间的小数点
19.99
20mA或10A
20kΩ或20MΩ
200mV或200V
只能显示右边的小数点
199.9
200μA或200mA
200Ω或200kΩ
DCV
1000V
三个小数点都不显示
1999
ACV
750V
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=1000IX
UI=100IX
UI=10IX
UI=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
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