实验25数字万用电表的设计、制作与校准讲义.pdf

实验二十五 数字万用表的设计、制作与校准 数字电表以它显示直观、准确度高、分辨率强、功能完善、性能稳定、体积小易于携带等特点在科学研究、工业现场和生产生活中得到了广泛应用。数字电表工作原理简单，完全可以让同学们理解并利用这一工具来设计对电流、电压、电阻、压力、温度等物理量的测量，从而提高大家的动手能力和解决问题能力。【实验目的】1了解数字电表的基本原理和特性。2掌握数字电表的校准方法和使用方法。3设计数字万用表（即多量程数字电压、电流和电阻表）。4了解交流电压和二极管相关参数的测量。【实验仪器】ZKDB-A 型数字电表改装试验仪 1 套（所含模块如下图所示），通用标准万用表 1 个。量程转换开关模块 交直流电压转换模块 功能：把交流电压转换成直流电压，模块中有电位器进行调整。参考电阻模块 功能：提供可调参考电阻和可调待测电阻各一个。三位半数字电压表头 AD 参考电压模块 功能：提供数字电压表头中模数转换芯片所需的参考电压(Vr-，Vr+)，有两档（0.1V和 1V），有电位器可进行电压调节。2【实验原理】1.数字电表原理 常见的物理量都是幅值大小连续变化的所谓模拟量，指针式仪表可以直接对模拟电压和电流进行显示。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。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，所以需要进行量化处理。若最小量化单位为，则数字信号的大小是的整数倍，该整数可以用二进制码表示。设=0.1mV，我们把被测电量程扩展分压器模块 a 量程扩展分流器模块 a 量程扩展分流器模块b 电流档保护模块 功能：防止过流。量程扩展分压器模块 b 量程扩展分档电阻模块 电阻档保护模块 功能：防止过压损坏仪器。待测元件模块 功能：提供电阻、二极管、NPN三极管和PNP三极管各一个。GND+5V3K10K二极管测量XDAXDKXDO二极管测量模块 电阻档基准电压模块 功能：用于在电阻测量时提供测量基准电压。直流电压电流模块 功能：提供直流电压和电流，可通过电位器调节。3 压U与比较，看U是的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N(二进制)。一般情况下，N1000 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（213）数字表。如：U是(0.1mV)的 1861 倍，即N=1861，显示结果为 186.1(mV)。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路和小数点选择位，就可以测量显示-199.9199.9mV的电压，显示精度为 0.1mV。本实验中的数字电表是一个三位半数字电压表头，其显示的是一个比值，即1000/REFINUU，其中 UIN是测量电压，UREF是参考电压。当 UIN=UREF时显示“1000”，UIN=0.5UREF时显示“500”，依次类推，这称为比例读数特性。实际使用中，若取参考电压为 100mV，则可以测量的最大输入电压为 199.9mV；若取参考电压为 1V，则最大输入电压为 1.999V。本实验仪的核心部件就是该三位半数字电压表头，它由双积分式模数（A/D）转换译码驱动集成芯片 ICL7107、外围元件和 LED 数码管构成。该表头的 Vr+和Vr-端为参考电压正负输入端；IN+和 IN-端为测量电压正负输入端；Com 端为模拟公共端；Cint 和 Rint 端分别为积分电容和积分电阻，Caz 端为自动调零电容；Vint端为示波器接口，用示波器可以观测到电容充放电过程。2.数字万用表基本原理（如图 1 所示）图 1 数字万用表基本原理图 4 3常见物理参量的测量原理（1）直流电压的测量 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，0U为数字电压表头的量程（如 200mV），r 为其内阻，r1、r2为分压电阻，Uio为扩展后的量程。由于 rr2，所以分压比为：21200rrrUUi，扩展后的量程为：02210UrrrUi。数字万用表的电压表有 5 个量程（如表 1 所示），制作这样的多量程数字直流电压表，需要5个电阻串联组成分压器（如图 3 所示）。实际设计时是根据各档的分压比和总电阻来确定各分压电阻的，如先确定 MRRRRRR1054321总 再计算2KV档的电阻：总RR0001.05=1K，依次可计算出4R、3R、2R、1R等各档的分压电阻值，请同学们自己练习。表 1 量程（档位）200mV 2V 20V 200V 2KV 分压比 1 0.1 0.01 0.001 0.0001（2）直流电流的测量 根据欧姆定理，可选择合适的分流电阻，并将其与数字电压表头并联，就可把待测电流转换为相应的电压，然后进行测量。其原理电路如图 4 所示。由于对被测电路接入了电阻 R，因此会对原电路产生影响，实际测量电流变成)/(RRIRIiiii，其中iR为被测电路的内电阻，可以看出被测电路的内电阻 Ri越大，接入的电阻 R 越小，此测量方法引起的误差就越小。在实际中，为防止电流过大损坏仪器，可在分流电阻前串联一个最大熔断电流为 2A 的保险丝；为防止电压过大，与分流电阻并联了两只反向连接的二极管，起过压保护作用（其原理为：正常测量时，输入电压小于硅整流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，双图 2 电压测量原理 图 4 电流测量原理 图 3 实用电压测量原理 KS2 2KV 5 向限幅，电压嵌位在 0.7V，起过压保护作用。）；为防止因转换开关接触不好而过载，而把原理电路略做修改，改动过的实用电路连接如图5 所示。用 2A 档测量时，若发现电流大于 1A，应使测量时间小于 20 秒。本仪器提供了待测电流，测量时可直接在直流电压电流模块上接入电流表进行测量。图 5 中各档分流电阻是这样计算的，先计算最大电流档（2A）的分流电阻5R（数字电压表头最大输入为 200mV）)(1.022.0505AVIURm，再计算 200mA 档的4R：)(9.01.02.02.05404RIURm 依次可以计算出3R、2R和1R，请同学们自己练习。（3）交流电压、电流的测量 在数字万用表设计中，交流电压、电流的测量电路是在直流电压、电流测量的基础上，在分压器或分流器之后加入了一级交流直流（ACDC）转换器（其原理如图 6 所示），再将转换后的直流电压接入数字电压表头的IN+和 IN-端。该 ACDC 转换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC 滤波电容等组成；还包含一个能调整输出电压高低的电位器 RW，用来对交流电压档进行校准之用，调整该电位器可使数字电压表头的显示值等于被测交流电压的有效值。（4）电阻的测量 数字万用表中的电阻档采用的是比例测量的方法。其原理电路如图 7 所示。由稳压管（ZD）提供测量基准电压，图 6 交直流电压转换原理简图 图 7 电阻测量原理 图 5 实用电流测量原理 KS2 6 将其加在两个串联在一起的标准电阻 RS和待测电阻 Rx两端；将 RS两端的电压输入数字电压表头的参考电压输入端 VREF，Rx两端的电压输入数字电压表头的测量电压输入端 VIN。由于流过 RS和 Rx的电流基本相等（数字电压表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计），所以数字电压表头的参考电压 UREF和测量电压 UIN有如下关系：xSINREFRRUU，据此可测出 SREFINxRUUR 。根据数字电压表头的特性可知，我们只需要选取不同的标准电阻，并适当对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量档。如对 200 档，取 R5=100，小数点定在第三位后（即点亮 dp3，显示为XXX.X），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（其余各档请同学自己进行推导）。在实际测量时，在 RS与 Rx之间串入一正温度系数（PTC）热敏电阻 Rt，并把RS的低电压端与晶体三极管 T 的发射极连接（不接地），把 Rx的低电位端与三极管的基极和集电极同时相连并接地（等电位），这样就组成了一过压保护电路。其实用电路如图 8 所示（此图中的量程扩展分档电阻即为 RS）。当误测量高电压时，晶体管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，使晶体管击穿电流不超过允许范围，即晶体管只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，Rt和晶体管均能恢复正常。【实验内容】数字电压表头上的拨位开关 K1（拨到上方为 ON，拨到下方为 OFF），是积分电阻 Rint 的选择开关。当参考电压为 0.1V 时，选择 47k 电阻（K1-2 到 ON，其它到 OFF），满量程为 199.9mV；当参考电压为 1V 时，选择 470K 电阻（K1-1 到 ON，其它到 OFF），满量程为 1.999V。数字电压表头上的拨位开关 K2（拨到上方为 ON，拨到下方为 OFF），是控制各小数点位的点亮开关。为了有效保护该拨位开关 K2，在实际测量时，我们并不直接对其操作，而是将其都拨向 OFF；然后利用量程转换开关模块（如图 9 所示）来控制各小数点位的点亮，因此该模块将用在所有的实验内容中。通过转动量程转换开关模块上旋钮，可以使 S2 插孔依次和插孔 A、B、C、D、E 相连并且相应的量程指示灯亮，同时 S1 插孔依次与插孔 a、b、c、d、e 相连。KS1这组开关用于设计时控制模块小数点位的点亮，KS2 用于分压器、分流器以及分档图 8 实用电阻测量原数字电压表头 7 电阻上，实现多量程测量。把插孔 a、b、c、d、e 和 dp1、dp2、dp3 连接组合成需要的量程（控制相应量程的小数点位），当拨动量程转换开关时，dp1、dp2、dp3 中只有一个通过 a、b、c、d、e 与 S1 相连，从而对应的小数点将被点亮。具体的接线是：dp1-b、dp1-e；dp2-c；dp3-a、dp3-d。1.设计制作多量程的数字直流电压表 （1）制作 200 mV（199.9 mV）数字直流电压表，并校准。所用模块：三位半数字电压表头、AD 参考电压模块、直流电压电流模块。提示：拨动数字电压表头上的拨位开关 K1-2到 ON，其它到 OFF。给 AD 参考电压模块供电，选择该模块中的参考电压 0.1V 档，调节该模块中的电位器，同时用标准万用表 200mV 档测量该模块的输出电压，直到标准万用表的示数为 100.0mV 为止。按图 10 连接电路。注意：数字电压表头的 Vr+和 Vr-端应与 AD 参考电压模块的输出电压相连（Vr-接 GND）；直流电压电流模块提供待测直流电压，其输出端应接入数字电压表头的 IN+和 IN-端（IN-接 GND）。正确连接量程转换开关模块中的 KS1 这组开关，转动其上旋钮至“a”位置，点亮 dp3，显示为 XXX.X。调节直流电压电流模块上电位器，同时用标准万用表 200mV 档测量该模块图 9 量程转换开关模块图 10 直流电压测量接线图 8 的电压输出值，使其电压输出值为 0-199.9mV 的某一具体值（如：150.0mV）。观察数字电压表头的数码管显示是否为前述 0-199.9mV 中那一具体值（如：150.0mV）。若有些许差异，稍微调整 AD 参考电压模块中的电位器使模块显示读数为前述那一具体值（如：150.0mV）。调节直流电压电流模块中的电位器，使模块输出电压为 199.9mV、180.0mV、160.0mV、20.0mV、0mV（用数字电压表头测量）；并同时记录下标准万用表所对应的读数，如表 2（在此过程中不要再调节 AD 参考电压模块中的电位器）。以数字电压表头显示的读数 U改为横坐标，以 U 为纵坐标，绘制校准曲线。表 2 U改/mV 199.9 180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 U标/mV U 注：U=U改-U标（2）扩展数字电压表头成为多量程的数字直流电压表。所用模块：三位半数字电压表头、AD 参考电压模块、直流电压电流模块、量程扩展分压器模块。提示：参照图 3 连接电路。与 200mV 的数字直流电压表相比，该电路需接入量程扩展分压器模块，应正确连接该模块与量程转换开关模块中的 KS2 这组开关。要求：制作完多量程的数字直流电压表后，须请任课教师检查。（3）用自制数字直流电压表测直流电压。将红、黑两表棒分别插入直流电压电流模块的输出电压中，缓慢调节电位器，记录电压变化的范围。将红、黑两表棒调换一下，观察数字电压表头有何反应（为什么？）。2.设计制作多量程的数字直流电流表（1）首先制作 200 mV（199.9 mV）数字直流电压表，并校准。（2）制作多量程数字直流电流表。所用模块：三位半数字电压表头、AD 参考电压模块、直流电压电流模块、量程扩展分流器模块、电流档保护模块。提示：参照图 5 连接电路。与 200mV 的数字直流电压表相比，该电路需接入量程扩展分流器模块，应正确连接该模块与量程转换开关模块中的 KS2 这组开关。注意必须接入电流档保护模块。要求：制作完多量程的数字直流电流表后，须请任课教师检查。（3）用自制数字直流电压表测直流电流。将红、黑两表棒分别插入直流电压电流模块的输出电流中，缓慢调节电位器，记录电流变化的范围。将红、黑两表棒调换一下，观察数字电压表头有何反应（为什么？）。3.设计制作多量程数字电阻表（1）制作多量程数字电阻表。9 所用模块：三位半数字电压表头、电阻档基准电压模块、量程扩展分档电阻模块、参考电阻模块、电阻档保护模块。提示：参照图 8 连接电路。应正确连接量程扩展分档电阻模块与量程转换开关模块中的 KS2 这组开关。注意必须接入电阻档保护模块。由于电阻档基准电压为 1V，所以数字电压表头上的积分电阻 Rint 应选择 470K电阻，即把表头上的拨位开关 K1-1 拨到 ON，其它到 OFF。要求：制作完多量程的数字电阻表后，须请任课教师检查。（2）用设计好的电阻表测量待测元件。待测元件模块中的电阻阻值。参考电阻模块中的可调待测电阻 Rx的变化范围。待测元件模块中二极管的正反向电阻阻值。4.设计制作多量程的数字交流电压表和交流电流表（选做）（1）在上述数字直流电压表（参照内容 1）和直流电流表（参照内容 2）的基础上，在分压器或分流器之后加入一级交流直流（ACDC）转换器，再将转换后的直流电压接入数字电压表头的 IN+和 IN-端，就可以制作出交流电压表和交流电流表。（2）用自制的交流电压表和交流电流表，测量待测交流电压电流模块所提供的交流电压和电流。【注意事项】1.因仪器采用开放式模块化设计，为了安全起见，严禁使用本仪器测量超过 36V的电压！2.严格按照实验内容及要求进行实验。请遵循“先接线，再加电；先断电，再拆线”的原则。在加电前应确认接线已准确无误（特别是在测量高压或大电流时），避免短路造成伤亡事故。3.虽然测量电路已加入保护电路，注意不要用电流档或电阻档测量电压，避免对仪器造成损坏。4.当数字电压表头最高位显示“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档或减小(断开)输入信号，避免长时间超量程工作损坏仪器。【思考题】1.数字信号与模拟信号有什么不同？数字测量仪表的核心是什么？2.在设计制作多量程的数字直流电流表时，把原理电路略做修改成为实用电路，为什么要做这样的修改？修改后对测量结果有何影响？