數字電表原理及萬用表設計

1、DH6505A數字電表原理及萬用表設計摘要：數字電表以它顯示直觀、準確度高、分辨率強、功能完善、性能穩(wěn)定、體積小易于攜帶等特點在科學研究、工業(yè)現場和生產生活中得到了廣泛應用。數字電表工作原理簡單，完全可以讓同學們理解并利用這一工具來設計對電流、電壓、電阻、壓力、 溫度等物理量的測量，從而提高大家的動手能力和解決問題能力。關鍵字：數字電表電壓 電流電阻 轉化器 校準作者：李嫣然學號：1143023035單位：四川大學，制造科學與工程學院，工業(yè)設計，2011級一.前言近年來，電子技術的發(fā)展日新月異，并廣泛應用于各個領域?！半姳淼母难b”是普物電學實驗的一個傳統題目，長期都以指針式電表為對象， 涉及的

2、原理和方法與學生中學知識重復多， 而與現代技術相比顯得落后.【1】學習并熟知數字電表原理，并進行萬用表的設計，有助 于學生了深入了解電路知識，發(fā)展動手能力及進行創(chuàng)新思維，對電子技術發(fā)面有深入理解， 對今后的工作有長足幫助。二.實驗原理。、數字電表原理1、雙積分模數轉換器（ICL7107）的基本工作原理雙積分模數轉換電路的原理比較簡單，零的電容器C進行恒流（電流大小與待測電壓量將隨時間線性增加，當充電時間 T1到后,然后讓電容器恒流放電 （電流大小與參考電壓當輸入電壓為Vx時，在一定時間T1內對電量為Vx成正比）充電，這樣電容器兩極之間的電電容器上積累的電量Q與被測電壓Vx成正比;Vref成正比

3、），這樣電容器兩極之間的電量將線性減小，直到T2時刻減小為零”臉3以#出一國qsci成正比。如果用計數器在 T2開始時刻對時鐘脈沖進彳2、ICL7107 雙積【F換州 閹A1F1G1E1分?？?3C2B2A2F2E2D3B3F3E3成正比。ICL7107芯片的引腳圖如圖 地、I相連的腳以及電源腳是固定的，第36腳Vr+和35入端；Cint和Ri討28和29相連，用示波器接在第時可以觀測到前驗儀上示波器接口(1QUR AB4小 PQL可以用示波器測量出該振蕩波形,保持4000個Tcp不變）Rint 為積分電阻，輸出電流來定義的，對于以及測度宣 亙 三亙302927三7TREFHIREF LOCR

4、EF* 七 REF- COMMONIN HIIN LDA.ZBUFFi hr為以中它和數碼管稱為COM機I量電壓正負輸改部動調零電容,它們耳芯片的程，該腳對應實27、與芯片內部嗎（域為測量周期總嚇血門耒分布產干這些參數的具體作用:Com電解內部緩沖放大器的滿量程/4uA。Vih-Vin+所以在滿量程為 200mV即參考電壓 Vref=0.1V時，Rint=50K,實際選擇47K電阻；在滿量 程為 2V,即參考電壓 Vref=1V 時，Rint=500K,實際選擇 470K 電阻。Cint=T1*Iint/Vint, 一 般為了減小測量時工頻50HZ干擾，T1時間通常選為0.1S ,具體下面再分

5、析，這樣又由于積分電壓的最大值 Vint=2V ,所以：Cint=0.2uF,實際應用中選取 0.22uF。對于ICL7107, 38腳輸入的振蕩頻率為：f0=1/(2.2*R1*C1),而模數轉換的計數脈沖頻 率是f0的4倍，即Tcp=1/(4*f0),所以測量周期 T=4000*Tcp=1000/f0 ,積分時間(采樣時 間)T1=1000*Tcp=250/fo 。所以fo的大小直接影響轉換時間的快慢，頻率過快或過慢都會影響測量精度和線性度。一般情況下，為了提高在測量過程中抗50HZ工頻干擾的能力，應使A/D轉換的積分時間選擇為50HZ工頻周期的整數倍，即T1=n*20ms,考慮到線性度和

6、測試效果，我們取 T1=0.1m(n=5),這樣 T=0.4S , f0=40kHZ , A/D轉換速度為 2.5 次/秒。由 T1=0.1=250/f0 ,若取 C1=100pF,則 Rh112.5KQ。3、用ICL7107A/D轉換器進行常見物理參量的測量Vrcf=100mVo 圖5IOVref=lV(亞埴濟電御里的笠參考電壓工Vr蛇電壓，電路圖見耳.n :直接使參考(2)直流電流狽Vr+裝(直流電壓表)V時，ICL7W7f1V , Rin直流電流的測量通常有兩種方法,TVr-Rint=47K”產器?。熬茖崿F測量t=470K Q來測量0第一種為歐姆壓降102V的直流ICL7107曲直流

7、電壓,COM電路圖如圖 6。如囹7步不，即讓被測電流流過一定值電阻 Ri,然后用200mV的電壓表測量此定值電阻上的壓降Ri*Is (在Vref=100mV時，保證Ri*Is w200mV就行)，由于對被測電路接入了電阻，因而此測量方法會對原電路有影響，測量電流變成Is =R0*Is/(R0+Ri),所以被測電路的內阻越大，誤差將越小。第二種 方法是由運算放大器組成的I-V變換電路來進行電流的測量，此電路對被測電路的無影響，但是由于運放自身參數的限制，因此只能夠用在對小電流的測量電路中，所以在這里就不再詳述。(3)電阻值測量的實現(歐姆表)I :當參考電壓選擇在 100mV寸，此日選擇 Rin

8、t=47K Q ,測試的接線圖如圖 8所示，圖 中Dw是提供測試基準電壓，而 Rt是正溫度系數(PT。熱敏電阻，既可以使參考電壓低于100mV同時也可以防止誤測高電壓時損壞轉換芯片，所以必需滿足Rx=0時，VrWl00mV由前面所講述的7107的工作原理，存在：Vr=(Vr+)- (Vr-尸Vd*Rs/(Rs+Rx+Rt)(6)IN=(IN+)- (IN-尸Vd*Rx/(Rs+Rx+Rt)(7)由前述理論 N2/N1=IN/Vr有：Rx= (N2/N1) *Rs(8)所以從上式可以得出電阻的測量范圍始終是02Rsa。II :當參考電壓選擇在 1V時，此時選擇 Rint=470K ,測試電路可以

9、用圖 9實現，此 電路僅供有興趣的同學參考，因為它不帶保護電路，所以必需保證Vr2,所以分壓比為圖12多量程分壓器原理U。UUi200mVKS2擴展后的量程為ri2Ri9M2VUo12多量程分服原理臂豺我12,無檔量程的分壓比分別為1、0.1、0.01 0.001 和R2900K 20VIN+直流電壓表IN-0.0001 ,對應的量程分別為200 和 2000。200 mV、2、20、R390K 200V采用圖12的分壓電路（見實驗儀中的分R4壓器b）雖然可以擴展電壓表的量程，但在小 量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實際應用中是行不通的。 所以，實際通用數字萬 用表的直流電壓檔分壓電路

10、（見實驗儀中的分 圖13實用分壓器原理9K2000VoOR51K壓器a）為圖13所示，它能在不降低輸入阻抗達到同樣的分壓效果。100K = 0.0110M（大小為 R/r , R=R1+R2+R3+R4+R5的情況下,例如：其中20檔的分壓比為：R3 R4 R5R1 R2 R3 R4 R5其余各檔的分壓比也可照此算出。實際設計時是根據各檔的分壓比和以及考慮輸入阻抗要求所決定的總電阻來確定各分 壓電阻的。首先確定總電阻:R=R1+R2+R3+R4+R5=10M再計算2000檔的分壓電阻:R5=0.0001R=1K然后200V檔分壓電阻:R4+R5=0.001RR4=9K這樣依次逐檔計算 R& R

11、2和R1。盡管上述最高量程檔的理論量程是 2000V,但通常的數字萬用表出于耐壓和安全考慮， 規(guī)定最高電壓量限為 1000V。由于只重在掌握測量原理，所以我們不提倡大家做高電壓測量 實驗。在轉換量程時，波段轉換開關可以根據檔位自動調整小數點的顯示。同學們可以自行設計這一實現過程，只要對應的小數位dp1、dp2或dp3插孔接地就可以實現小數點的點亮。2、直流電流量程擴展測量（參考電壓100mM測量電流的原理是：根據歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測電流轉換為相應的電壓， 再進行測量。如圖14,由于電壓表內阻rR,取樣電阻上的電壓降為：5 =IR若數字表頭的電壓量程為Uo,欲使電流木量程為Io,則該

12、檔的取樣電阻（也稱分流電阻）Ro= U0 。若=200mV則=200mA當的分流電阻為 R =1。Io多量程分流器原理電路見圖15。圖9中的分流器（見實驗儀中的分流器b）在實際使用中有一個缺點，就是當換檔開關接觸不良時，被測電路的電壓可能使數字表頭過載，所以，實際數字萬用表的直流電流檔iRS2圖電路（見實驗儀中的分流器a,1圖16中各檔分流電阻油證讓為圖是這樣16二；用.分流原理“ E 9口口16所不。Ri山計算醺FiM最大電漪檔的分流電阻:0.2出N下2和0.2的二極管D、D2為硅整流二方 于硅二極管的正向導通壓降，?目Ri的通llF1到09轅牛昨康仙麻海傕也作用。正常測量時，輸入電壓小用。

13、兩只反向連接且與分流電阻并聯,對啰量亳響。一旦輸入電壓大于0.7V極管立即導通，兩端電壓被鉗制在0.7V丙，保護儀表不被損壞。用2A檔測量時，若微電以大于1A時，應總量減小測量時間，以免大電流引起的較高 溫升而影響測量精度甚至損壞電表。3、交流電壓、交流電流測量 （參考電壓100mV）數字萬用表中交流電壓、電流測量電路是在直流電壓、電流測量電路的基礎上，在分壓器或分流器之后加入了交直流轉換電路，即AC-DC變換電路，具體電路圖見圖 17。該AC-DC變換器主要由集成運算放大器、整流二極管、RC濾波器等組成，電位器 RW用來調整輸出電壓高低， 用來對交流電壓檔進行校準之用，使數字表頭的顯示值等于

14、被測交流電壓的有效值。實驗儀中用圖18所示的簡化圖代替。同直流電壓檔類似，出于對耐壓、安全方面的考慮，交流電壓最高檔的量限通常限定為 750（有效值）。Q圖18交直流電壓轉換簡圖4、電阻測量電路（參考電壓01V）數字萬用表中的電阻檔采用的是比例測量法，其原理電路圖見前面的圖8,測量時我們撥動撥位開關K1-1 ,使Rint=470K ,使參考電壓的范圍為 0IV。如前所述：Rx= （N2/N1） *Rs N2=1000*Rx/Rs當Rx=Rs時，數字顯示將為 1000,若選擇相應的小數點位就可以實現電阻值的顯示。 若構成200 a檔，取Rs=100 ，小數點定在十位上，即讓 dp3插孔接地，當

15、Rx變化時，顯 示從0.1 Q199.9 Q ;若構成2KQ檔，取Rs=1KQ，小數點定在千位上，即讓 dp3插孔接 地，當Rx變化時，顯示從 0.001KQ1.999KQ;其它檔類推。數字萬用表多量程電阻檔電路如圖10所示，R1=100 QR2=1000-R1=900 QR3=10K-R1-R2=9K QR4=100K-R1-R2-R3=90K QR5=1000K-R1-R2-R3-R4=900K Q圖19中由正溫度系數（PTC）熱敏電阻與晶 體管組成了過壓保護電路，以防誤用電阻檔去測高電壓時損壞集成電路。當誤測高電壓時，晶體管發(fā)射極將擊穿從而限制了輸入電壓的升高。同時R隨著電流的增加而發(fā)熱

16、，其阻值迅速增大， 從而限制了電流的增加，使的擊穿電流不超過允 許范圍。即只是處于軟擊穿狀態(tài)，不會損壞，一旦解除誤操作，R和都能恢復正常。5、三極管參數hFE的測量（參考電壓100mV）測量NPNOhFE大小的電路如圖20所示， 三極管的固定偏置電阻由 R37和R39組成，調整 R37可使基極電流Ib=10uA, R42為取樣電阻， 這樣輸入直流電壓表的電壓為：由上述分析給電阻參數的選擇如下:R2R1Rt圖19多檔電阻測試圖Vin=VXNg hFE*I b*R42= h fe*10uA*10 Q =0.1h FE(mV)20 0口VfJLH-1OQTIN +FTCIN-I 2OOK0 90 K

17、9002MC900KoltdI+V若表頭為200mV的量程，則理論上測量范圍為01999,但為了不出現較大誤差，實際測量范圍限制在 01000之間，測量過程中可以讓小數點消隱（即不點亮）。測量PNP管的hFE大小的電路如圖21所示，原理和測量NPNt白hFE大小一樣，所以不再贅述。測量hFE時需注意以下事項：（1）僅適用于測量小功率晶體管。這是因為測試電壓較低同時測試電流較小的緣故。倘若去測大功率晶體管，測量的結果就與典型值差很大。(2)當 Vin 仁 200mV寸,儀表將顯示過載，應該立即停止測量。+5VR制 -OWOVR4CD-XPOY由CZIN+中1N1直流電壓表i 一V圖20 NPN管

18、測試電路圖21 PNP管測試電路6、二極管正向壓降的測量（參考電壓1V）進行二極管正向壓降測試的電路圖如圖22, +5V經過R36,PTC向二極管提供5V的測試If1mA導通壓降Vf輸入電壓，使二極管 D9導通，測試電流（即二極管正向I作電流）到IN+和IN-端，由于Vf的大小一般在02V之間，所以我們可以選擇參考電壓為1V,此時通過撥位開關選擇 Rint=470K Q ,這樣可以直接測出Vf的值。+5VPTC-NTNIVVr+Vr-1071071N+470K圖22二極管正向壓降測試圖三.實驗儀器及方法。1、實驗儀組成簡介1、DH6505Aa字電表原理及萬用表設計實驗儀。2、四位半通用數字萬用

19、表。2、實驗方法。量程轉換開關 模塊如圖34所示。通過撥動轉換開關，可以使S2插孔依次和插孔 A、日C D、E相連并且相應的量程指示燈亮，同時S1插孔依次與插孔a、b、c、d、e 相連。KS1這組開關用于設計時控制模塊小數點位的點亮，KS2用于分壓器、分流器以及分檔電阻上,實現多量程測量。在進行多;量件擴展時邛京愕1位開關 K2都撥向OFF，然后把插孔a、b、c、d、e和dpi、dp2、dp3/接組合恐弱神靖(控制相應*程的小數點位)一程轉換開關時，dpi、dp2、dp?疝僅用只會:個明 忌 b、c、d、e與Si相連，從而對應 的小數點將被點亮。具體的接線臭；二7)。,荏“二.-dpi-el

20、dp&c i/dp3-a、dp3-d。產3國她前婢尸1、設計制作多量程直流數字電壓表(i)制作200mV (199.9mV)直,數個壓表頭7進彳校準。(2)利用分壓器擴展電壓表頭成火Efe直流&參照圖 13和圖24。(3)對200mV檔和2V檔記錄數G齊作校準曲線；， 0/、.i200mV檔量程校準I ，1 / / I1I U改/v0.49i.48 1鄉(xiāng)56*.5i -h-：4.i9 3、5.50，6.i27.268.i99.32U標0.49i.382.463.5i 六4.295.60：6.327.468.399.52/vU/v00.i0.i0-0.i-0.i-0.2-0.2-0.2-0.22

21、00mVfe壓檔校準線1511055 15 2 5二 O 工 0 0 10 2 o O- - -V8差壓電U改/v0.i070.2040.3i70.4080.5060.6030.7080.8200.9i2U標/v0.i070.2030.3i60.4060.5050.6000.7040.8i60.907 U/v0.0000.00i0.00i0.0020.00i0.0030.0040.0040.0052 2v檔量程校準2V電壓檔校準線0.0060.0050.0040.0030.0020.0010.000U改為改裝的表頭測量值，U標為實際標準值，以 U改為橫軸，AU= U改一U標為縱軸，在坐標紙上作

22、校正曲線(注意：校正曲線為折線，即將相鄰兩點用直線連接)。2、設計制作多量程直流數字電流表(1)制作200mV (199.9mV)直流數字電壓表頭并進行校準。(2)利用分流器設計多量程直流電流表，參照圖16和圖25。(3)對2mA檔和20mA檔記錄數據并作校準曲線。1 20mA檔量程校準I萬/mA0.100.501.613.024.235.277.339.9011.0412.2716.32I表 /mA0.110.511.613.014.215.247.289.8410.9612.1816.20I/mA-0.01-0.010.000.010.020.030.050.060.080.090.122

23、0mAi量程校準曲線t一系列1208642021100000京差流電2 2mA檔量程校準I 萬/mA0.1680.4590.6300.7310.9261.1271.2651.4501.6221.812I 表/mA0.1680.4560.6260.7260.9191.1171.2541.4381.6111.798 I/mA0.0000.0030.0040.0050.0070.0100.0110.0120.0110.0142mAfe流檔校準曲線差 流 電I改為改裝的表頭測量值，I標為串聯在測量回路中標準電流表測量值，以 I改為橫軸，A I=I改一I標為縱軸，在坐標紙上作校正曲線。四.總結與反思。1

24、 .在進行實驗過程中，會遇到很多問題，例如：輸入信號的截止頻率選擇，在低通濾波器 的情況下，截止頻率設置得過高，則不能達到要求；頻率過低，就會把有用的信號過濾掉； 因此，要選擇頻率恰當。2 .功率因數的考慮【2】既使當電壓和電流信號不同相時，從即時功率信號中提取實功率信息的方法(即通過低通濾波)仍然是有效的。假定電壓和電流都是正弦波，則即時功率信號中的實功率成分(即直 流項)為(V*I/2 ) *COS(60 ),這是正確的實功率計算。輸入為非正弦波電壓和電流時，對非正弦波電流和電壓測量實際功率仍然可用AD7755E確計算。因為，在實際應用中的所有電流和電壓波形都有一些諧波成分，用傅立葉轉換，

25、即時電 壓和電流波形可以表示成它們的諧波成分：OOV(t)=V0+ V2XE Vn*sin(nwt+ a n)nw 0式中：V是即時電壓V提平均值Vn 6次諧波電壓的值a n是6次諧波電壓的相位角OOI=I0+ V2 x E Vn*sin(nwt+ 3 n)nw 0式中：I(t)是即時電流I0是6次諧波電流的值3 n是6次諧波電流的相位角用等式(1)和(2)實功率P可以表達成基波實功率 P1和諧波實功率Pn兩項。P=P1+Pn其中：P1=V1*I1cos()1(j) 1= oc 1- 3 1以及:ooPn=E Vn*Incos （）n n= a n- 3 n從上面的（4）式可以看出，諧波實功率成分是由每個諧波提供的，這種諧波應是既有電壓波形又有電流波形。前面已經說明在純正弦波情況下功率因數計算是精確的。所以諧波實功率也必定可以正確計算功率因數。因為它是一系列的純正弦波組成。期刊 順序號 作者。 文章名 J 期刊名年，卷 （期） 物理實驗【 1】 杜軍， 朱世國數字電表原理及應用技術實驗物理實驗2006,26 （ 8）信息技術【2】 陳輝，王先培數字電表設計的探討信息技術2002,（ 5）Digita