數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)與應(yīng)用

電子測(cè)量技術(shù)結(jié)課報(bào)告PAGEPAGE13目錄一、數(shù)字萬(wàn)用表的基本組成 1二、數(shù)字萬(wàn)用表的工作原理與設(shè)計(jì)原理 1三、ICL7106型三位半單片（A/D）轉(zhuǎn)換器 13.1ICL7106的性能特點(diǎn) 13.2ICL7106型三位半單片（A/D）轉(zhuǎn)換器工作原理 23.3由ICL7106構(gòu)成的三位半數(shù)字電壓表 33.4量程設(shè)計(jì) 3四、測(cè)量電路 44.1直流電壓測(cè)量電路 44.2直流電流測(cè)量電路 54.3交流電壓、電流測(cè)量電路 64.4電阻測(cè)量電路 7五、基本電路及及相關(guān)轉(zhuǎn)換電路 85.1交流/直流轉(zhuǎn)換電路 85.2電流/電壓轉(zhuǎn)換電路 85.3電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路 9六、組裝、調(diào)試內(nèi)容 9七、應(yīng)用實(shí)例 10八、使用注意 11九、故障排除 11

一、數(shù)字萬(wàn)用表的基本組成二、數(shù)字萬(wàn)用表的工作原理與設(shè)計(jì)原理工作原理：萬(wàn)用表的基本原理是利用一只靈敏的磁電式直流電流表（微安表）做表頭。當(dāng)微小電流通過(guò)表頭，就會(huì)有電流指示。但表頭不能通過(guò)大電流，所以，必須在表頭上并聯(lián)與串聯(lián)一些電阻進(jìn)行分流或降壓，從而測(cè)出電路中的電流、電壓和電阻。設(shè)計(jì)原理：數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量過(guò)程由轉(zhuǎn)換電路將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，再由模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過(guò)電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，最后把測(cè)量結(jié)果用數(shù)字直接顯示在顯示屏上。萬(wàn)用表測(cè)量電壓、電流和電阻功能是通過(guò)轉(zhuǎn)換電路部分實(shí)現(xiàn)的，而電流、電阻的測(cè)量都是基于電壓的測(cè)量，也就是說(shuō)數(shù)字萬(wàn)用表是在數(shù)字直流電壓表的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的。數(shù)字直流電壓表A/D轉(zhuǎn)換器將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬電壓量變換成數(shù)字量，再由電子計(jì)數(shù)器對(duì)數(shù)字量進(jìn)行計(jì)數(shù)得到測(cè)量結(jié)果，再由譯碼顯示電路將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)。邏輯控制電路控制電路的協(xié)調(diào)工作，在時(shí)鐘的作用下按順序完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程。三、ICL7106型三位半單片（A/D）轉(zhuǎn)換器3.1ICL7106的性能特點(diǎn)項(xiàng)目ICL7106轉(zhuǎn)換速率0.1~15次/s輸入阻抗10000M基準(zhǔn)電壓100．0V（100mV量程）1．000V（1V量程）封裝形式DIP-40電源電壓?jiǎn)坞娫垂╇?，電源電壓范圍?~15V，典型值為9V顯示器LED顯示器顯示方式靜態(tài)顯示，驅(qū)動(dòng)線多顯示特點(diǎn)亮度低，亮暗對(duì)比度小，壽命短，微功耗輸出功能無(wú)BCD碼輸出，不能配計(jì)算機(jī)或打印機(jī)外圍電路外圍電路簡(jiǎn)單，只需5個(gè)電阻和5個(gè)電容表13.2ICL7106型三位半單片（A/D）轉(zhuǎn)換器工作原理該系統(tǒng)采用ICL7106、四個(gè)共陰極LED數(shù)碼管，ICL7106內(nèi)部包括模擬電路（即雙積分A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)字電路兩大部分。輸入電壓經(jīng)量程轉(zhuǎn)換進(jìn)入ICL7106進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，直接在數(shù)碼器上顯示。ICL7106只有液晶筆段及背電極驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端。為顯示小數(shù)點(diǎn)，需另加外圍電路。原理框圖：圖（2）3.3由ICL7106構(gòu)成的三位半數(shù)字電壓表由ICL7106構(gòu)成的三位半數(shù)字電壓表如圖所示，圖中省略了小數(shù)點(diǎn)顯示的控制電路。該儀表的量程Um=200mV,稱為基本表或基本檔。下面介紹各外圍元件的作用。圖3 、分別為震蕩電阻和震蕩電容。、RP組成基準(zhǔn)電壓的分壓電路。其中，RP宜采用精密多圈電位器，為固定電阻，調(diào)整RP可使基準(zhǔn)電壓=100.0mV。、為模擬輸入端的高阻容式濾波器，以提高儀表的抗干擾能力。因ICT7106的輸入阻抗很高,輸入電流極小,=0.01μF。、分別為基準(zhǔn)電容和自動(dòng)調(diào)零電容。、依次為積分電阻和積分電容。3.4量程設(shè)計(jì)由ICL7106構(gòu)成的三位半數(shù)字電壓表基本量程為200mV。如果需要改為2V量程，應(yīng)該變上圖的基準(zhǔn)電壓分壓電阻、自動(dòng)調(diào)零電容和積分電阻的數(shù)值，其余元件值不變，這兩種量程的元件對(duì)照見(jiàn)表200mv與2V兩成元件對(duì)照表表2（1）有的200mV基本表取=47kΩ,2V量程就應(yīng)取470kΩ（2）改成1,5kΩ后會(huì)增加功耗，降低疊成電池的使用壽命，為此可把RP的電阻值調(diào)整到23.5kΩ，使與RP的總阻值仍等于25kΩ。RP采用27~40kΩ的多圈電位器。（3）鑒于基準(zhǔn)電壓一般不超過(guò)1V，因此只能改裝成2V量程的數(shù)字電壓表。四、測(cè)量電路4.1直流電壓測(cè)量電路在數(shù)字電壓表頭前面加一級(jí)分壓電路（分壓器），可以擴(kuò)展直流電壓測(cè)量的量程。如圖（4）所示，為數(shù)字電壓表頭的量程（如200mV），r為其內(nèi)阻（如10MΩ），、為分壓電阻，為擴(kuò)展后的量程。圖（4）分壓電路原理圖（5）多量程分壓器原理由于r>>r2，所以分壓比為=擴(kuò)展后的量程為=多量程分壓器原理電路見(jiàn)圖（5），５擋量程的分壓比分別為１、0.1、0.01、0.001和0.0001，對(duì)應(yīng)的量程分別為200mV、2V、20V、200V和2000V。采用圖（5）的分壓電路雖然可以擴(kuò)展電壓表的量程，但在小量程擋明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實(shí)際使用中是所不希望的。所以，實(shí)際數(shù)字萬(wàn)用表的直流電壓擋電路為右圖（6）所示，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達(dá)到同樣的分壓效果。例如：其中200V擋的分壓比為==0.001其余各擋的分壓比可同樣算出。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)是根據(jù)各擋的分壓比和總電阻來(lái)確定各分壓電阻的。如先確定R總＝R1+R2+R3+R4+R5=10M再計(jì)算2000V擋的電阻R5=0.0001R總=1k再逐擋計(jì)算R4、R3、R2、R1圖（6）盡管上述最高量程擋的理論量程是2000V，但通常的數(shù)字萬(wàn)用表出于耐壓和安全考慮，規(guī)定最高電壓量限為1000V。換量程時(shí)，多刀量程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可以根據(jù)擋位自動(dòng)調(diào)整小數(shù)點(diǎn)的顯示，使用者可方便地直讀出測(cè)量結(jié)果。4.2直流電流測(cè)量電路測(cè)量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測(cè)電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測(cè)量。如圖（7），由于r>>R，取樣電阻R上的電壓降為=R即被測(cè)電流=/R若數(shù)字表頭的電壓量程為，欲使電流擋量程為，則該擋的取樣電阻（也稱分流電阻）為：R=/如U0=200mV，則I0=200mA擋的分流電阻為R=1Ω。圖(7)電流測(cè)量原理圖圖（8）多量程分流器電路多量程分流器原理電路見(jiàn)圖（8）。圖（8）中的分流器在實(shí)際使用中有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)換擋開(kāi)關(guān)接觸不良時(shí)，被測(cè)電路的電壓可能使數(shù)字表頭過(guò)載，所以，實(shí)際數(shù)字萬(wàn)用表的直流電流擋電路為圖（9）所示。圖（9）中各擋分流電阻的阻值是這樣計(jì)算的：先計(jì)算最大電流擋的分流電阻：===0.1Ω再計(jì)算下一檔的：=-=-0.1=0.9Ω依次可計(jì)算出R3、R2和R1。圖中的FUSE是2A保險(xiǎn)絲管，電流過(guò)大時(shí)會(huì)快速熔斷，起過(guò)流保護(hù)得作用。兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管D1、D2為塑封硅圖（9）實(shí)用分流器電路整流二極管，它們起雙向限幅過(guò)壓保護(hù)作用。正常測(cè)量時(shí)，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航?，二極管截止，對(duì)測(cè)量毫無(wú)影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被限制?。ㄐ∮?.7V），保護(hù)儀表不被損壞。用2A擋測(cè)量時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電流大于1A時(shí)，應(yīng)不使測(cè)量時(shí)間超過(guò)20秒，以避免大電流引起的較高溫升影響測(cè)量精度，甚至損壞儀表。4.3交流電壓、電流測(cè)量電路數(shù)字萬(wàn)用表中交流電壓、電流測(cè)量電路是在直流電壓、電流測(cè)量電路的基礎(chǔ)上，在分壓器或分流器之后加入了一級(jí)交流-直流（AC-DC）變換器，圖（10）為其原理簡(jiǎn)圖。該AC-DC變換器主要由集成運(yùn)算放大器、整流二極管、RC濾波器等組成，還包含一個(gè)圖（10）A/D變換器原理簡(jiǎn)圖能調(diào)整輸出電壓高低的電位器，用來(lái)對(duì)交流電壓擋進(jìn)行校準(zhǔn)之用。調(diào)整該電位器可使數(shù)字表頭的顯示值等于被測(cè)交流電壓的有效值。同直流電壓擋類似，出于對(duì)耐壓、安全方面的考慮，交流電壓最高擋的量限通常限定為750V（有效值）。數(shù)字萬(wàn)用表交流電壓、電流擋適用的頻率范圍通常為40~400Hz（如DT830A、M3900等型號(hào)），有些型號(hào)的交流擋測(cè)量頻率可達(dá)1000Hz（如M3800、PF72等）。4.4電阻測(cè)量電路數(shù)字萬(wàn)用表中的電阻擋采用的是比例測(cè)量法，其原理電路見(jiàn)圖（11）。由穩(wěn)壓管ZD提供測(cè)量基準(zhǔn)電壓，流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測(cè)電阻Rx的電流基本相等（數(shù)字表頭的輸入阻抗很高，其取用的電流可忽略不計(jì)）。所以A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF和輸入電壓UIN有如下關(guān)系：=即=根據(jù)所用A/D轉(zhuǎn)換器的特性可知，數(shù)字表顯示的是UIN與UREF的比值，當(dāng)UIN＝UREF時(shí)顯示“1000”，UIN＝0.5UREF時(shí)顯示“500”，以此類推。所以，當(dāng)Rx＝R0時(shí)，表頭將顯示“1000”，當(dāng)Rx＝0.5R0時(shí)顯示因此，我們只要選取不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻并適當(dāng)?shù)貙?duì)小數(shù)點(diǎn)進(jìn)行定位，就能得到不同的電阻測(cè)量擋。如對(duì)200Ω擋，取R01=100Ω，小數(shù)點(diǎn)定在十位上。當(dāng)Rx=100Ω時(shí)，表頭就會(huì)顯示出100.0(Ω)。當(dāng)Rx變化時(shí)，顯示值相應(yīng)變化，圖（11）電阻測(cè)量原理可以從0.1Ω測(cè)到199.9Ω。又如對(duì)2kΩ擋，取R02=1kΩ，小數(shù)點(diǎn)定在千位上。當(dāng)Rx變化時(shí)，顯示值相應(yīng)變化，可以從0.001kΩ測(cè)到1.999kΩ。數(shù)字萬(wàn)用表多量程電阻擋電路見(jiàn)圖（11）。由上分析可知，R1＝R01=100ΩR2＝R02－R01＝1000－100＝900ΩR3＝R03－R02＝10k－1k＝9k……圖（11）中由正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻Rt與晶體管T組成了過(guò)壓保護(hù)電路，以防誤用電阻擋去測(cè)高電壓時(shí)損壞集成電路。當(dāng)誤測(cè)高電壓時(shí)，晶體管T發(fā)射極將擊穿從而限制了輸入電壓的升高。同時(shí)Rt隨著電流的增加而發(fā)熱，其阻值迅速增大，從而限制了電流的增加，使T的擊穿電流不超過(guò)允許范圍。即T只是處于軟擊穿狀態(tài)，不會(huì)損壞，一旦解除誤操作，Rt和T都能恢復(fù)正常。五、基本電路及及相關(guān)轉(zhuǎn)換電路5.1交流/直流轉(zhuǎn)換電路半波整流電路。利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以很容易的得到直流電壓，且能滿足設(shè)計(jì)要求。如圖（12）所示,這個(gè)電路是利用低漂移單運(yùn)算放大器TL062與二極管D11N4148組成平均值響應(yīng)的線性半波整流電路。該電路可避免二極管在小信號(hào)整理時(shí)所引起的非線性誤差，使交流/直流轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓與輸出電壓成線性關(guān)系，適合測(cè)量40-400Hz的正弦電壓，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%。圖（12）交流/直流轉(zhuǎn)換電路圖5.2電流/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖（13）所示，普通模擬開(kāi)關(guān)可以通過(guò)的電流很微小，所以通過(guò)單片機(jī)控制繼電器來(lái)控制線路導(dǎo)通斷開(kāi)，將被測(cè)電流信號(hào)（0-500mA）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)（0-200mV），然后經(jīng)過(guò)OP07將信號(hào)放大10倍，最后輸入A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的Vin端。1A/250V的熔絲管FU為限流保護(hù)電路，兩個(gè)二極管1N4007構(gòu)成保護(hù)為過(guò)壓保護(hù)電路。阻值為90Ω、9Ω的電阻采用誤差為±0.5%的精密金屬膜電阻，而阻值為0.4Ω、0.6Ω的電阻通過(guò)的電流很大必須采用誤差為±0.5%的精密繞線電阻。圖（13）電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖5.3電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路利用運(yùn)算放大器采用反相比例運(yùn)算的方法進(jìn)行測(cè)量。如圖（14）所示。穩(wěn)壓二極管1N4730A的穩(wěn)壓值為3.9V（即B點(diǎn)處電壓值），采用運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算的方法，將B點(diǎn)處的電壓值衰減到2V（即A點(diǎn)處電壓值），單片機(jī)通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)MAX4618（超低導(dǎo)通電阻）選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)參照電阻R1，再利用運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算的方法，將被測(cè)電阻RX的阻值轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電壓量，輸入A/D轉(zhuǎn)換電路。電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路的計(jì)算公式：UA/R1=Uin/Rx,推得：Rx=R1*Uin/UA。圖（15）電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路六、組裝、調(diào)試內(nèi)容總電路組裝與調(diào)試：（1)接通正負(fù)電源電壓，+5V、-5V；調(diào)節(jié)電位器，使基準(zhǔn)電壓為2V。（2）將4只數(shù)碼管插入板上，插好芯片CD4511、ICL7106，用5個(gè)三極管搭成MC1413，按電路全圖接好全部線路。（3）接通電源，檢查譯碼顯示是否正常。（4）將輸入端接地，接通+5V，－5V電源（先接好地線），此時(shí)顯示器將顯示“000”值，如果不是，應(yīng)檢測(cè)電源正負(fù)電壓。用示波器測(cè)量、觀察DS1～DS4，Q0～Q3波形，判別故障所在。（5）用電阻、電位器構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入電壓VX調(diào)節(jié)電路，調(diào)節(jié)電位器，4位數(shù)碼將相應(yīng)變化，然后進(jìn)入下一步精調(diào)。（6）用數(shù)字萬(wàn)用表代測(cè)量輸入電壓，調(diào)節(jié)電位器，使VX＝1.000V，這時(shí)被調(diào)電路的電壓指示值不一定顯示“1.000”，應(yīng)調(diào)整基準(zhǔn)電壓源，使指示值與標(biāo)準(zhǔn)電壓表誤差個(gè)位數(shù)在5之內(nèi)。（7)改變輸入電壓VX極性，使Vi＝－1.000V，檢查“－”是否顯示，并校準(zhǔn)顯示值。（8)在+1.999V～0～－1.999V量程內(nèi)再一次仔細(xì)調(diào)整（調(diào)基準(zhǔn)電源電壓）使全部量程內(nèi)的誤差均不超過(guò)個(gè)位數(shù)在5之內(nèi)。至此調(diào)試成功。七、應(yīng)用實(shí)例1、使用前應(yīng)熟悉萬(wàn)用表各項(xiàng)功能，根據(jù)被測(cè)量的對(duì)象，正確選用檔位、量程及表筆插孔。2、在對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)大小不明時(shí)，應(yīng)先將量程開(kāi)關(guān)，置于最大值，而后由大量程往小量程檔處切換，使儀表指針指示在滿刻度的1/2以上處即可。3、測(cè)量電阻時(shí)，在選擇了適當(dāng)倍率檔后，將兩表筆相碰使指針指在零位，如指針偏離零位，應(yīng)調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕，使指針歸零，以保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。如不能調(diào)零或數(shù)顯表發(fā)出低電壓報(bào)警，應(yīng)及時(shí)檢查。4、在測(cè)量某電路電阻時(shí)，必須切斷被測(cè)電路的電源，不得帶電測(cè)量。5、使用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要注意人身和儀表設(shè)備的安全，測(cè)試中不得用手觸摸表筆的金屬部份，不允許帶電切換檔位開(kāi)關(guān)，以確保測(cè)量準(zhǔn)確，避免發(fā)生觸電和燒毀儀表等事故。八、使用注意1、在使用萬(wàn)用表之前，應(yīng)先進(jìn)行“機(jī)械調(diào)零”，即在沒(méi)有被測(cè)電量時(shí)，使萬(wàn)用表指針指在零電壓或零電流的位置上。2、在使用萬(wàn)用表過(guò)程中，不能用手去接觸表筆的金屬部分，這樣一方面可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確，另一方面也可以保證人身安全。3、在測(cè)量某一電量時(shí)，不能在測(cè)量的同時(shí)換檔，尤其是在測(cè)量高電壓或大電流時(shí)，更