數(shù)字測量技術(shù)的-南京信息工程大學(xué)

1、PAGE PAGE 15數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字測量技術(shù)的日趨普及，指針式儀表存在的問題也逐漸顯現(xiàn)出來。為了讓學(xué)生了解數(shù)字式萬用電表的工作原理，及模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的基本方法，我們設(shè)計(jì)出數(shù)字式萬用電表設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)不僅具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，且內(nèi)容由淺入深，適合各高等院校物理、電子等專業(yè)學(xué)生使用。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握數(shù)字萬用表表的工作原理理、組成和特特性。掌握數(shù)字萬用表表的校準(zhǔn)和使使用。掌握多量程數(shù)字字萬用表分壓壓、分流電路路計(jì)算和連接接；學(xué)會設(shè)計(jì)計(jì)制作、使用用多量程數(shù)字字萬用表。二、實(shí)驗(yàn)儀器 數(shù)字萬用用表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)儀 1臺三、實(shí)驗(yàn)原理 1、直流電電壓測量電路路

2、 在數(shù)字字電壓表頭前前面加一級分分壓電路（分分壓器），可可以擴(kuò)展直流流電壓測量的的量程。 數(shù)字萬用表的直直流電壓檔分分壓電路如圖圖（2）所示示，它能在不不降低輸入阻阻抗的情況下下，達(dá)到準(zhǔn)確確的分壓效果果。例如：其中2000 V檔的的為分壓比為為：其余各檔的分壓壓比分別為：圖（2）實(shí)用分分壓器電路檔位200mV2V20V200V2000V分壓比10.10.010.0010.0001 實(shí)際設(shè)計(jì)時是根根據(jù)各檔的分分壓比和總電電阻來確定各各分壓電阻的的，如先確定定再計(jì)算200VV檔的電阻：，依次可計(jì)計(jì)算出、等各檔的分分壓電阻值。更更換量程是需需要調(diào)整小數(shù)數(shù)點(diǎn)的顯示，使使用者可方便便地讀出測量量結(jié)果。2

3、、直流電流的的測量 測量電電流是根據(jù)歐歐姆定律，用用合適的取樣樣電阻把待測測電流轉(zhuǎn)換為為相應(yīng)的電壓壓，再進(jìn)行測測量。如圖（33） 圖（33）電流測量量原理 實(shí)用數(shù)字萬用表表的直流電流流檔電路，如如圖（4）所所示。 圖（4）實(shí)實(shí)用分流器電電路圖（4）中各檔檔分流電阻是是這樣計(jì)算的的，先計(jì)算最最大電流檔（2A）的分流電阻（數(shù)字電壓表最大輸入為200mV），再計(jì)算200mmA檔的：依次可以計(jì)算出出、和，請同學(xué)們們自己練習(xí)。圖中的FUSEE是2A的保險絲絲，電流很大大時會快速熔熔斷，起過流流保護(hù)作用。兩兩只反向連接接且與分流電電阻并聯(lián)的二二極管為塑封封硅整流二極極管，正常測測量時，輸入入電壓小于硅硅整

4、流二極管管的正向?qū)ㄍ▔航担O極管截止，對對測量毫無影影響。一旦輸輸入電壓大于于0.7V，二二極管立即導(dǎo)導(dǎo)通，雙向限限幅，電壓嵌嵌位在0.77V，起過壓壓保護(hù)作用。保保護(hù)儀表不被被損壞。用22A測量時，若若發(fā)現(xiàn)電流大大于0.5AA時，應(yīng)使測測量時間小于于20秒，儀儀器在面板上上提供了待測測電流接口，測測量時可直接接在本接口串串入電流表進(jìn)進(jìn)行測量。3、交流電壓、電電流的測量電電路 數(shù)字萬萬用表中交流流電壓、電流流測量電路是是在分壓器或或分流器之后后串入了一級級交流直流（ACC-DC）變變換器，如圖圖（5）所示示。 圖（5） 該ACDC變變換器主要由由集成運(yùn)算放放大器、整流流二極管、RRC濾波電

5、容容等組成，還還包含一個能能調(diào)整輸出電電壓高低的電電位器：ACCDC校準(zhǔn)電電位器，用來來對交流電壓壓檔進(jìn)行校準(zhǔn)準(zhǔn)之用，調(diào)整整該電位器可可使數(shù)字電壓壓表頭的顯示示值等于被測測交流電壓的的有效值。 4、電阻測量電電路 數(shù)字萬用用表中的電阻阻檔采用的是是比例測量方方法，其原理理電路見圖（66）， 圖圖（6） 電電阻測量原理理由穩(wěn)壓管DZ提提供測量基準(zhǔn)準(zhǔn)電壓，流過過標(biāo)準(zhǔn)電阻RR0和被測電阻阻Rx的電流基本本相等（數(shù)字字表頭的輸入入阻抗很高，其其取用的電流流可忽略不計(jì)計(jì)）。 所所以A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的參考考電壓UREEF和輸入電電壓UIN有如下關(guān)關(guān)系： 即 根據(jù)所用A/DD轉(zhuǎn)換器的特特性可知，數(shù)數(shù)字表顯示的

6、的是UIN與UREF的比值值，當(dāng)UINN=URE時顯示“1000”，UIN=0.55UREF時顯示示“500”，依次類推推。所以，當(dāng)當(dāng)Rx=R0時，表頭將將顯示“1000”，當(dāng)Rx=0.5RR0時顯示“500”，這稱為比比例讀數(shù)特性性。因此，我我們只需要選選取不同的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)電阻并適適當(dāng)對小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行定位，就就能得到不同同的電阻測量量檔。 圖（7）電阻測測量電路對200檔，取取R05=1000，小數(shù)點(diǎn)定定在十位上。當(dāng)當(dāng)Rx=100時，表頭就就會顯示出1100.0（）。當(dāng)Rx變化時，顯示值相應(yīng)變化，可以從0. 1測到199.9（其余各檔請學(xué)生自己進(jìn)行推導(dǎo)）。數(shù)字萬用表多量量程電阻檔電電路如圖（77）

7、所示，由由上分析可知知，R5=R05=100 R4=R04-R05=10000-1000=900 R3 =R033-R04=10K-11K=9K 圖（7）中由正正溫度系數(shù)（PPTC）熱敏敏電阻Rt與晶體管組組成了過壓保保護(hù)電路，以以防止誤用電電阻去測高電電壓時損壞集集成電路。當(dāng)當(dāng)誤測量高電電壓時，晶體體管發(fā)射極將將擊穿從而限限制了輸入電電壓的升高。同同時Rt隨著電流的的增加而發(fā)熱熱，其阻值迅迅速增大，從從而限制了電電流的增加，使使晶體管擊穿穿電流不超過過允許范圍。即即晶體管只是是處于軟擊穿穿狀態(tài)，不會會損壞，一旦旦解除誤操作作，Rt和晶體管均均能恢復(fù)正常常。四、內(nèi)容與步驟驟設(shè)計(jì)制作多量程程直流

8、數(shù)字電電壓表制作199.99 mV直流流數(shù)字電壓表表頭校準(zhǔn)并使使用。按圖（88）接線，VVREF輸入端接交直直流電壓校準(zhǔn)準(zhǔn)電位器，小小數(shù)點(diǎn)dp接接到B組合適適插口上去，以以獲得一位小小數(shù)點(diǎn)顯示（不不接小數(shù)點(diǎn)并并不會影響表表頭的校準(zhǔn)，為為什么？）。利利用”直流檔待測測微電壓（mmV）”提供的1000 mV左左右的電壓，用用插線連至表表頭的測量插插口IN+、IIN-上去。 圖（88） 把一只標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字字萬用表置于于直流2000mV檔與表表頭IN輸入入端并聯(lián)，調(diào)調(diào)整“交直流電壓壓校準(zhǔn)”旋鈕使表頭頭讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)表讀數(shù)一致致（允許誤差差0.5mVV），2000mV表頭即即調(diào)整完畢。（2）擴(kuò)展電壓壓表頭成為

9、多多量程直流電電壓表按圖（10）接接線，B組作作為控制小數(shù)數(shù)點(diǎn)顯示的開開關(guān)，B組動動片內(nèi)部已接接小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動動電源.分壓壓電阻接A組組檔位轉(zhuǎn)換。（3）用自制直直流電壓表測測直流電壓a 將紅、黑兩兩表棒分別插插入“待測直流電電壓（V）”中的紅、兩兩插孔。緩慢慢調(diào)節(jié)“直流檔待測測電壓（V）”中的電位器，觀看數(shù)字電壓表頭的變化范圍。b 將紅、黑兩兩表棒調(diào)換一一下，觀看數(shù)數(shù)字電壓表頭頭有何反映，為為什么？c 將小燈泡（112V/5000mA）并并聯(lián)在“直流檔待測測電壓（V）”的紅、黑兩插口上，調(diào)節(jié)電位器，觀察燈泡亮度與燈泡兩端電壓有何關(guān)系？2、設(shè)計(jì)制作多多量程直流數(shù)數(shù)字電流表（1）首先制作作200mVV

10、直流數(shù)字電電壓表頭并校校準(zhǔn)（如原來來已校正，此此步可略）。（2）制作多量量程直流數(shù)字字電流表使用電路單元：電流檔用分分流電阻、電電流檔保護(hù)電電路、三位半半表頭、量程程轉(zhuǎn)換與測量量輸入。按圖（4）接線線，動片A組組作為檔位輸輸入并轉(zhuǎn)換；動片B組作作為小數(shù)點(diǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)，自自己設(shè)計(jì)連線線，制成多量量程直流數(shù)字字電流表。測量電流將已制作好的電電流表串入“直流檔待測測電壓（V）”的電路中，負(fù)載接上小燈泡，調(diào)節(jié)電位器，觀察燈泡亮度改變與電流的變化關(guān)系。3、設(shè)計(jì)多量程程交流數(shù)字電電壓表（1）與設(shè)計(jì)的的直流檔相比比，小數(shù)點(diǎn)連連線位置不變變，僅在數(shù)字字表頭測量輸輸入（IN+ IN-）前前串入一級AAC-DC轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

11、換器（見圖圖11）交流電壓檔校準(zhǔn)準(zhǔn)：將“交流檔待測測電壓（V）”框中輸出電壓調(diào)至交流5V（用標(biāo)準(zhǔn)表測量），檔位開關(guān)置20V檔，調(diào)節(jié)“AC/DC檔校準(zhǔn)”中的電位器，使表頭讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)一致，這樣交流電壓表校準(zhǔn)完畢。用自制交流電壓壓表測電壓。 圖（111）將測量表棒分別別置于“交流檔待測測電壓（V）”的輸出電壓插座上，接上小燈泡，觀察調(diào)節(jié)電壓高低與燈泡亮度的關(guān)系。調(diào)換表棒，觀察表頭顯示有無變化，為什么？4、設(shè)計(jì)數(shù)字電電阻表（1）使用電路路單元：三位位半數(shù)字表頭頭、電阻檔基基準(zhǔn)電壓、電電阻檔用分檔檔電阻器、電電阻檔保護(hù)電電路。（2）參照圖（77）電阻測量量電路，連接接成比例式多多量程數(shù)字電電阻表，

12、A組組動片為量程程轉(zhuǎn)換開關(guān)，BB組動片為小小數(shù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換開開關(guān)，自已設(shè)設(shè)計(jì)連線。用設(shè)計(jì)制作好的的數(shù)字電阻表表來測量儀器器面板上提供供的a： R1、RR2、R3、RR4的阻值b：W5是可變變電位器，測測量它的變化化范圍c：測量光敏電電阻RG6的的阻值，觀察察阻值與光照照強(qiáng)度之間的的關(guān)系是成正正比還是成反反比，線性否否？d：測量熱敏電電阻RT7電電阻器的阻值值，觀察其阻阻值隨溫度變變化的情況。e：測量晶體管管管腳間正反反向電阻阻值值，觀察PNN結(jié)正向?qū)щ婋娦?。f：定性研究金金屬的溫度電電阻特性（選選做）測量對象是儀器器中的小燈泡泡燈絲，先用用電阻檔測出出燈絲常溫狀狀態(tài)下的阻值值，然后用伏伏安法測量在在

13、幾種不同發(fā)發(fā)光狀態(tài)下的的燈絲電阻，畫畫出燈絲的伏伏安特性曲線線，分析其阻阻值隨溫度變變化的情況。5、設(shè)計(jì)交流數(shù)數(shù)字電流表制作參照圖（4），在在表頭測量輸輸入（IN+、IN-）前前串入AC-DC轉(zhuǎn)換器器。提示：若若保持已校準(zhǔn)準(zhǔn)好的“交直流電壓壓校準(zhǔn)“電位器狀態(tài)態(tài)不變，則可可以省去校準(zhǔn)準(zhǔn)步驟，否則則需要重新校校正。用自制交流電流流表測電流強(qiáng)強(qiáng)度將交流電流表串串入“交流檔待測測電壓（V）”欄中的電流插口，輸出負(fù)載接上小燈泡（12V/500mA），緩慢調(diào)節(jié)電位器，觀察電流變化與燈泡亮度之間的關(guān)系。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記記錄及處理（1）測量電阻阻待測電阻（）R1R2R3標(biāo)準(zhǔn)表的測量值值實(shí)驗(yàn)儀的測量值值（2）測量直流流電壓待測電壓（V）v1v2v3標(biāo)準(zhǔn)表的測量值值實(shí)驗(yàn)儀的測量值值(3)測量直流流電流待測電流（mAA）I1I2I3標(biāo)準(zhǔn)表的測量值值實(shí)驗(yàn)儀的測量值值（4）測量交流流電壓待測電壓（V）