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1、数字万用表设计性实验实验目的1、了解万用表的特性、组成和工作原则。2、掌握分压、分流电路的计算和连接。3、学会数字万用表的校准方法和使用方法。4、了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用。实验仪器1.WS-数字万用表设计性实验仪2.三位半或四位半数字万用表实验原理1.数字万用表的特性与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：(1)高准确度和高分辨力(2)电压表具有高的输入阻抗(3)测量速率快(4)自动判别极性(5)全部测量实现数字直读(6)自动调零(7)抗过载能力强当然，数字万用表也有一些弱点，如：(1)测量时不象指针式仪表那样能清楚直观地观察到指针偏转的过程，在观察充放电等过程时不够方
2、便。(2)数字万用表的量程转换开关通常与电路板是一体的，触点容量小，耐压不很高，有的机械强度不够高，寿命不够长，导致用旧以后换档不可靠。(3)一般万用表的V/档公用一个表笔插孔，而A档单独用一个插孔。使用时应注意根据被测量调换插孔，否则可能造成测量错误或仪表损坏。2.数字万用表的基本组成数字万用表的基本组成见图1。除了图1中的基本组成部分之外，数字万用表通常还有蜂鸣器电路、二极管检测电路、三极管hFE测量电路、低电压指示电路等(如DT830A型)。本实验只研究数字万用表的基本组成部分。3.模数(A/D)转换与数字显示电路常见的物理量都是幅值(大小)连续变化的所谓模拟量(模拟信号)。指针式仪表可
3、以直接对模拟电压、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(如存储、传输、打印、运算等)。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。就象人站在楼梯上时，人站的高度只能是某些分立的数值一样。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位(量化台阶)为，则数字信号的大小一定是的整数倍，该整数可以用二进制数码表示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换(译码)后由数码管或液晶屏显示出来。例如，设=0.1，我们把被测电压与比较，看是的多少倍，并把结果四舍五入取为整数 (二进制)。一般情况下，
4、1000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(31/2)数字表。图1数字万用表的基本组成对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV为单位的被测电压的大小。如：是 (0.1)的1234倍，即=1234，显示结果为123.4()。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示-199.9199.9的电压，显示精度为0.1。由上可见，数字测量仪表的核心是模数(A/D)转换、译码显示电路。A/D转换一般又可分为量化、编码两个步骤。有关A/D转换、编码、译码的详尽理论超出了本实验所要求的范围，感兴趣
5、的同学可参阅有关专业教材。本实验使用的WS-型数字万用表设计性实验仪，其核心是一个三位半数字表头，它由数字表专用A/D转换译码驱动集成电路和外围元件、LED数码管构成。该表头有7个输入端，包括2个测量电压输入端(、)、2个基准电压输入端(、)和3个小数点驱动输入端。4.直流电压测量电路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，为电压表头的量程(如200)，为其内阻(如10)，、为分压电阻，为扩展后的量程。图2分压电路原理 图3多量程分压器原理 由于rr2，所以分压比为扩展后的量程为多量程分压器原理电路见图3，5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、
6、0.001和0.0001，对应的量程分别为2000、200、20、2和200。采用图3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程档明显降低了电压表的输入阻抗，这在实际使用中是所不希望的。所以，实际数字万用表的直流电压档电路为图4所示，它能在不降低输入阻抗的情况下，达到同样的分压效果。 图4实用分压器电路例如：其中200档的分压比为其余各档的分压比可同样算出。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。如先确定再计算2000档的电阻再逐档计算、。尽管上述最高量程档的理论量程是2000，但通常的数字万用表出于耐压和安全考虑，规定最高电压量限为1000。换量程时，多刀量程转换开关可以
7、根据档位自动调整小数点的显示，使用者可方便地直读出测量结果。5.直流电流测量电路测量电流的原理是：根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转换为相应的电压，再进行测量。如图5，由于，取样电阻上的电压降为即被测电流 图5电流测量原理 图6多量程分流器电路图7实用分流器电路若数字表头的电压量程为，欲使电流档量程为，则该档的取样电阻(也称分流电阻)为如=200，则=200档的分流电阻为。多量程分流器原理电路见图6。图6中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，被测电路的电压可能使数字表头过载，所以，实际数字万用表的直流电流档电路为图7所示。 图7中各档分流电阻的阻值是这样计算的：先
8、计算最大电流档的分流电阻再计算下一档的依次可计算出、和，请同学们自己练习。图中的BX是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，超过流保护作用。两只反向连接且与分流电阻并联的二极管D1、D2为塑封硅整流二极管，它们起双向限幅过压保护作用。正常测量时，输入电压小于硅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0.7，二极管立即导通，两端电压被限制住(小于0.7)，保护仪表不被损坏。图8 AC-DC变换器原理简图用2A档测量时，若发现电流大于1A时，应不使测量时间超过20秒，以避免大电流引起的较高温升影响测量精度甚至损坏电表。6.交流电压、电流测量电路数字万用表中交流电压，电流测量
9、电路是在直流电压、电流测量电路的基础上，在分压器或分流器之后加入了一级交流-直流(AC-DC)变换器，图8为其原理简图。 该AC-DC变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波器等组成，还包含一个能调整输出电压高低的电位器，用来对交流电压档进行校准之用。调整该电位器可使数字表头的显示值等于被测交流电压的有效值。图9电阻测量原理同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高档的量限通常限定为700(有效值)。7.电阻测量电路数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，其原理电路见图9。 由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻和被测电阻的电流基本相等(数字表头的输入阻抗很高，其取
10、用的电流可忽略不计)。所以A/D转换器的参考电压和输入电压有如下关系： 即根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是与的比值，当=时显示“1000”，=0.5时显示“500”，以此类推。所以，当时，表头将显示“1000”，当时显示“500”，这称为比例读数特性。因此，我们只要选取不同的标准电阻并适当地对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量档。如对200档，取=100，小数点定在十位上。当=100时，表头就会显示出100.0。当变化时，显示值相应变化，可以从0.1测到199.9。又如对2档，取，小数点定在千位上。当变化时，显示值相应变化，图10电阻测量电路可以从0.001测到1.999。其
11、余各档道理相同，同学们可自行推演。数字万用表多量程电阻档电路见图10。由上分析可知，图10中由正温度系数(PTC)热敏电阻与晶体管组成了过压保护电路，以防误用电阻档去测高电压时损坏集成电路。当误测高电压时，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，使的击穿电流不超过允许范围。即只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，和都能恢复正常。 四、内容与步骤1.设计制作多量程直流数字电压表图11 200mV直流数字电压表头及其校准电路(1)制作200 (199.9)直流数字电压表头并校准使用电路单元：三位半数字表头，直流电压校准，直
12、流电压电流，分压器。按图11接线，参考电压输入端接直流电压校准电位器，左数第三位小数点dp3接到量程转换单元的“动片1”插孔以获得一位小数显示，连线方法见图12。(如不接小数点并不影响表头的标准，想一想为什么)。利用待测直流电压源和分压电阻获得150左右的校准电压，把一只成品数字万用表(称为标准表)置于直流电压200档与表头输入端并联，调整“直流电压校准”旋钮使表头读数与标准表读数一致(允许误差0.5)。然后保留虚线框内的线路，拆去其余部分即可。(2)扩展电压表头成为多量程直流电压表。按图4接线，“动片2”作为量程转换开关，“动片1”作为控制小数点显示的开关，可参照图12进行连线。图12多量程
13、直流数字电压表的小数点控制电路(3)用自制电压表测直流电压a.测量WS-1实验仪上的待测直流电压：调节“直流电压电流”单元的电位器，可以改变直流电压的大小和极性，分别测出对应的标准电压，填入表4.1。以为横轴，为纵轴，在坐标纸上作校正曲线(注意：校正曲线为折线，即将相邻两点用直线连接)。 表4.1 ()-4.00-3.00-2.00-1.000.001.002.003.004.00（）=（）b.测量光电池的端电压：将电压表连接于光电池的两端，改变光照的强度，观察电压的变化情况。2.设计制作多量程直流数字电流表(1)同内容1中的(1)，先制成200直流数字电压表头并将其校准(实验中若能避免破坏原
14、先已校准好的表头，可省去这一步)。(2)制成多量程直流数字电流表使用电路单元：三位半数字表头，直流电压校准，分流器1或分流器2，电流档保护电路，量程转换与测量输入。按图6(用分流器2)或图7(用分流器1)接线，“动片2”作为量程转换开关，“动片1”作为控制小数点显示的开关，自己设计连线。(3)用自制电流表测直流电流a.测LED的电流：将电流表串接在待测直流电流电路中，调节电位器可观察到电流 的大小、极性的变化以及LED发光情况的相应变化，改变 (从-5.00到+5.00，每隔1.00测一次)，分别测出。以为横轴， =-为纵轴，在坐标纸上作校正曲线。b.测光电池的输出电流：将电流表连接到光电池两端，观察输出光电流随光照强度变化的情况。五、注意事项1.实验时应当“先接线，再加电；先断电，再拆线”，加电前应确认接线无误，避免短路。2.即使加有保护电路，也应注意不要用电流档或电阻档测量电压，以免造成不必要的损失。3.当数字表头最高位显示“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。4.自锁紧插头插入时不必太用力就可接触良好，拔出时应手捏插头旋转一下就可轻易拔出，避免硬拔硬拽导线，拽断线芯。