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1、数字万用表原理及发展数字万用表原理及发展o掌握要点掌握要点:o1.1.模拟式万用表与数字式万用表的不同模拟式万用表与数字式万用表的不同.o2.2.模拟式电压表的测量原理模拟式电压表的测量原理o3.3.数字式万用表的测量原理数字式万用表的测量原理o模拟式万用表n基本电物理量测量：电压/电流/电阻，俗称三用表n指针式万用表小巧结实，经济耐用，灵敏度高，但读数精度差模拟万用表的表头：动圈式与动铁式的不同动圈式仪表是直流仪表的主流动圈式仪表是直流仪表的主流 在工频电源的交流电流、电压测在工频电源的交流电流、电压测量时动铁式仪表的应用最广泛量时动铁式仪表的应用最广泛模拟式直流电压测量o1 1、单量程电压
2、表、单量程电压表单量程直流电压表原理图单量程直流电压表原理图用单独的一个磁电式表头就可测量小于用单独的一个磁电式表头就可测量小于 ug=I0Rg 的直流电的直流电压压,若要测量较大的电压，可利用串联电阻分压原理，即在表头若要测量较大的电压，可利用串联电阻分压原理，即在表头上串联一个适当阻值的电阻。上串联一个适当阻值的电阻。w2.多量程电压表多量程电压表多量程直流电压表原理图多量程直流电压表原理图通过比较，可得结论:o模拟磁电式电压表的内阻与电压量程有关,量程越大量程越大,内阻也越大内阻也越大.o模拟磁电式电压表的内阻与电流表表头灵敏度有关.灵敏度越高灵敏度越高,满偏电流满偏电流I Im m 越
3、小越小,内阻内阻RvRv越大越大.(在同一量程下)o电压灵敏度=Rv(内阻)/U(量程)=每伏欧姆数(常标注在万用表上)灵敏度高灵敏度高指为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小指为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小.模拟万用表原理利用灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头，配以适利用灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头，配以适当的外围电路，可将当的外围电路，可将模拟电压表扩展为万用表模拟电压表扩展为万用表。模拟表的测量特点:o结构简单,使用方便o误差取决于表头本身和倍压电阻的准确度o灵敏度不高,输入电阻低,负载效应不可忽略为解决普通模拟表灵敏度不高,输入电阻低的缺点,发展了电子电压表电子电
4、压表（P197）o电子电压表电子电压表 输入阻抗输入阻抗Ri=(R1+R2+R3)/RiR1+R2+R3(一般大于10M)输输入阻抗很大入阻抗很大,且与量程且与量程无关无关u接入放大器提高接入放大器提高电压电压表的灵敏度表的灵敏度uRiw通过放大检波电路，将被测电压变换成直流电压，然后进行侧量。通过放大检波电路，将被测电压变换成直流电压，然后进行侧量。w其实质仍然是模拟式电压表其实质仍然是模拟式电压表 模模模模拟拟拟拟万用表万用表万用表万用表1 1数字万用表2o数字式万用表n快速精确读数n更高的精度和准确度n除具有指针式万用表的一般测试功能外还可测试电容、温度和频率等参数n过载保护及杭干扰能力
5、强高精度数字万用表o非常高的精度和准确度，达到位半以上o更多的测量功能o高速高精度的数据采集o集成各种通信接口国产RIGOL DM3000 高精度数字万用表o3位数字万用表位数字万用表 n2000元元 0.5ppm最小读数最小读数DM3000原理框图DM3000 工作原理框图ACV量程放大量程放大RMS-DC变换器变换器分流器分流器欧姆和电容欧姆和电容DCV量程量程和虑波和虑波AD变换器变换器（ADC）DCV参考基参考基准准恒流源恒流源参考基准参考基准模模拟拟部部分分控控制制CPU处理处理器和控制器和控制显示和面显示和面板按键板按键USB、GPIB以太网以太网RS232巡检接口巡检接口DCVA
6、CVACIDCI,ACIR,C电气隔离的数据通道电气隔离的数据通道模拟输入端模拟输入端（1）有效值o定义：若某一交流电与另一直流电在相同时间内若某一交流电与另一直流电在相同时间内通过同一电阻产生相等的热量，则这一直流电的通过同一电阻产生相等的热量，则这一直流电的电压、电流的数值分别是该交流电的电压、电流电压、电流的数值分别是该交流电的电压、电流的有效值。的有效值。o任何周期量的有效值,定义为它的均方根值有时用均方根值Urms表示。数字万用表的相关概念及原理数字万用表的相关概念及原理（2）平均值o平均值平均值 ：在数学上定义为o对纯交流电压来说，由于 =0，将无法用平均值来表征它的大小。o定义：
7、通常是指经过测量仪器检波后的平均值，分为全波平均值和半波平均平均值。o全波平均值全波平均值是指交流电压经全波检波后的全波平均值，即 数字万用表的一般框图数字万用表的一般框图数字万用表的核心：数字万用表的核心：A/DA/D转换器转换器 电压的数字化测量的核心是模数（电压的数字化测量的核心是模数（A/DA/D）转换，各）转换，各类数字电压表的区别主要是以类数字电压表的区别主要是以A/DA/D转换方式而加以转换方式而加以区分的。区分的。oA/DA/D转换包括对模拟量的采样，再将采样值进行整转换包括对模拟量的采样，再将采样值进行整量化处理，最后通过编码等实现转换过程。量化处理，最后通过编码等实现转换过
8、程。按其基本工作原理主要分为比较型和积分型两大类。o（1）比较型 o（2）积分型 斜坡式A/D变换器 双积分式A/D变换器o（1）逐次逼近比较式A/D变换器其基本原理是用其基本原理是用被测电压被测电压和一个可变的和一个可变的己知电压己知电压基准电压基准电压进行比较，直至比较结果相等，达到测出被测电压值的目的。进行比较，直至比较结果相等，达到测出被测电压值的目的。逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D变换器的工作原理与天平称重相变换器的工作原理与天平称重相类似，类似，被测量好比是被称的重物，等效数字量好比砝码。被测量好比是被称的重物，等效数字量好比砝码。将被测电压将被测电压Ux与分级递减的各级基准电
9、压与分级递减的各级基准电压Er（砝码）（砝码）逐一进行比较。按逐一进行比较。按“大者弃，小者留大者弃，小者留”的原则，依次从高的原则，依次从高位到低位逐一进行比较，使输出的基准电压与被测电压位到低位逐一进行比较，使输出的基准电压与被测电压逼近相等。逼近相等。当当Ux=Uref时，比较器输出为零，相当于天平平衡，时，比较器输出为零，相当于天平平衡，最终数字输出的数值就是被测信号的电压值。最终数字输出的数值就是被测信号的电压值。o 由电压比较器、由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器转换器、逐次逼近寄存器（SAR）、逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。）、逻辑控制电路和输出缓冲器等部分组成。特
10、点：特点：1 1、逐次逼近比较式、逐次逼近比较式A/DA/D变换器测量速度快；变换器测量速度快；2 2、精度取决于权电阻网络和基准电压源的精度，且与、精度取决于权电阻网络和基准电压源的精度，且与D/AD/A转换位数有关；转换位数有关；3 3、抗串模干扰能力差。、抗串模干扰能力差。（2）双积分式A/D变换器在一个测量周期内用同一个积分器进行两次积分，在一个测量周期内用同一个积分器进行两次积分，将被测电压将被测电压Ux转换成与其成正比的时间间隔转换成与其成正比的时间间隔。在此时间间隔内填充标准频率的时。在此时间间隔内填充标准频率的时钟脉冲，以其脉冲个数来反映钟脉冲，以其脉冲个数来反映Ux的大小。的
11、大小。工作过程分为准备准备、采样采样和和比较比较阶段阶段双积分式A/D变换器的工作波形o1）准备阶段准备阶段（t0 t1）：积分器输入电压为零，使输出电压也为零，计数器复零.o2）采样阶段采样阶段（t1 t2）:即定时积分阶段,该阶段时间事先设定好，即T1为定值为定值.在t1时刻，逻辑控制电路使开关S接通UX，积分器开始对UX积分，设UX0，则积分器输出电压线性递减，反之线性递增。至t2时刻，即计数器计数达到最大容量N1时，计数器输出溢出信号，逻辑控制电路使开关S断开、关闭闸门、计数器复零。在t2时刻积分器的输出电压为：U01=（1）T1=t2 t1为定时采样时间o3）比较阶段比较阶段（t2
12、t3）：在t2时刻，控制电路使开关S接通与Ux极性相反的基准电压UR，积分器开始对UR反向积分，其输出电压从U01反向逐渐增大、趋向于零。同时，控制电路使闸门打开，计数器对时钟脉冲进行计数。当积分器输出电压等于零时，即t3时刻，零比较器输出信号给控制电路使开关S断开，关闭闸门，计数器停止计数，并将计数结果（设计数值为N2）送至显示器显示。在t3时刻，积分器的输出电压为零，此时有：U 02=U 01+即：=0 （2）式中，T2=t3 t2为比较时间。结合（1）（2），得或由上式可知，由上式可知，UR、T1均为定值，所以被测电压均为定值，所以被测电压UX与比较与比较时间时间T2成正比。成正比。o由
13、于计数器是对同一时钟脉冲进行计数，则有：T1=N1T0，T2=N2T0（T0为时钟脉冲周期），代入上式可得：或oUR为定值，N1为计数器的最大计数容量,也为定值，所以被测电压UX与计数值N2成正比。不同被测电压时，积分示意图Ux越大，在同样的时间T1内积分值Uom越大，而UR为定值，Uom经反向积分回到0值的时间T2越长o工作特点工作特点1）在测量过程中，需要通过两次积分将UX变换为与之成正比的时间间隔，所以双积分式A/D变换器属于VT变换式。2）测量准确度高。双积分式A/D变换器的准确度主要取决于基准电压的准确度和稳定度，而与R、C、T0无关，因而准确度高。3）抗干扰能力强。4）测量速度慢。
14、万用表是如何测量万用表是如何测量电压、电流、电阻、电电压、电流、电阻、电容容等参数的？等参数的？测量直流电压原理大的量程时采用分压测量，小的量程时采用放大电路DCV2V AMPA/DDSPDCV(2V)R1R2测量直流电流原理o运用欧姆定率：I=U/Ro电流通过电阻，在电阻上产生压降，此时可以通过测量此时的直流电压，换算后就可以得到支流电流值DCIRDCV交流测量真有效值测量o真有效值交流/直流转换计算复杂输入信号的有效值并且给出一个与之等效的直流输出电平A/DDSPRMSACVDCV二线电阻测量o最常用的电阻测量方法VLoHiRDUTRwireRwirevIII此法适合测量大阻值电阻四线电阻
15、测量原理o运用欧姆定律：R=U/II VHi SenseLo SenseLoHiRDUTRwireRwireII此法适合测量小阻值电阻，因此法适合测量小阻值电阻，因必须考虑引线电阻！必须考虑引线电阻！原理：原理：恒流源经引线在被测电阻上恒流源经引线在被测电阻上形成压降，电压表测得该压降形成压降，电压表测得该压降即使引线电阻变化较大，即使引线电阻变化较大，电压表测得的压降也会维持不便！电压表测得的压降也会维持不便！二极管测试o半导体二极管（以下简称二极管）是内部具有一个PN结，外部具有两个电极的一种半导体器件o二极管有多种类型，按制作的材料不同，分为锗二极管和硅二极管对二极管进行检测o主要是鉴别
16、它的正、负极性o二极管管型n硅二极管的一般正向压降一般为0.60.7Vn锗二极管的正向压降为0.10.3VIVLoHivII电容测试o用充、放电的方法，根据充电时间和电压变化换算出电容的大小HiLoC-10VADC+10V2mA 200uA 2uA 20uA 200nAUTDVM的组成原理及主要性能指标o1）DVM的组成n数字电压表（Digital Voltage Meter，简称DVM）。n组成框图o直流或慢变化电压直流或慢变化电压信号的测量（通常采用高精度低速信号的测量（通常采用高精度低速A/DA/D转换器）。转换器）。o通过通过AC-DCAC-DC变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均
17、变换电路，也可测量交流电压的有效值、平均值、峰值，构成值、峰值，构成交流数字电压表交流数字电压表。o通过电流通过电流-电压、阻抗电压、阻抗-电压等变换，实现电流、阻抗等电压等变换，实现电流、阻抗等测量，进一步扩展其功能。测量，进一步扩展其功能。o基于微处理器的智能化基于微处理器的智能化DVMDVM称为称为数字多用表（数字多用表（DMMDMM，Digital MultiMeterDigital MultiMeter）。oDMMDMM功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力功能更全，性能更高，一般具有一定的数据处理能力（平均、方差计算等）和通信接口（平均、方差计算等）和通信接口(如如GPIB
18、)GPIB)。n2 2）主要性能指标）主要性能指标o显示位数显示位数n完整显示位完整显示位：能够显示：能够显示0909的数字。的数字。n非完整显示位非完整显示位(俗称半位俗称半位)：只能显示：只能显示0 0和和1 1（在最（在最高位上）。高位上）。n如如4 4位位DVMDVM，具有，具有4 4位完整显示位，其最大显示数字位完整显示位，其最大显示数字为为9999 9999。n而而 位（位（4 4位半）位半）DVMDVM，具有，具有4 4位完整显示位，位完整显示位，1 1位非位非完整显示位，其最大显示数字为完整显示位，其最大显示数字为19999 19999。o量程量程n基本量程基本量程：无衰减或放
19、大时的输入电压范围，由：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/DA/D转换器动态范围确定。转换器动态范围确定。n通过对输入电压（按通过对输入电压（按1010倍）放大或衰减，可倍）放大或衰减，可扩展扩展其他量程其他量程。n如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程；n基本量程为2V或20V的DVM，可扩展出200mV、2V、20V、200V、1000V等五档量程。o量程量程n基本量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，由：无衰减或放大时的输入电压范围，由A/DA/D转换器动态范围确定。转换器动态范围确定。n通过对输入电压（按通过对输入电压（按10
20、10倍）放大或衰减，可倍）放大或衰减，可扩展扩展其他量程其他量程。o分辨力分辨力n指指DVM能够能够分辨最小电压变化量的能力分辨最小电压变化量的能力。反映了。反映了DVM灵敏度。灵敏度。n用每个字对应的电压值来表示，即用每个字对应的电压值来表示，即V/字。字。n不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，显然，在最小量程上具有最高分辨力在最小量程上具有最高分辨力。例如，例如，3位半的位半的DVM，在，在200mV最小量程上，可最小量程上，可以测量的最大输入电压为以测量的最大输入电压为199.9mV，其分辨力为，其分辨力为0.1mV/字（即字（即
21、当输入电压变化当输入电压变化0.1mV时，显示时，显示的末尾数字将变化的末尾数字将变化“1个字个字”）。）。o分辨力分辨力n分辨率分辨率：用百分数表示，与量程无关，比较直观。：用百分数表示，与量程无关，比较直观。如上述的如上述的DVMDVM在最小量程在最小量程200mV200mV上上分辨力分辨力为为0.1mV0.1mV，则，则分辨率分辨率为：为：分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），分辨率也可直接从显示位数得到（与量程无关），如如3 3位半的位半的DVMDVM，可显示出，可显示出19991999（共（共20002000个字），个字），则分辨率为则分辨率为DM30006位的读数分辨率oDM
22、3000使用21位ADC，能够提供240万个唯一的读数值（count），最高可以显示到：o在保证精度的情况下提供了更大的动态范围。DT_83031/2位，显示1999o测量速度测量速度n每秒钟完成的测量次数。它主要取决于每秒钟完成的测量次数。它主要取决于A/D转换转换器的转换速度。器的转换速度。n一般低速高精度的一般低速高精度的DVM测量速度在几次测量速度在几次/秒秒几几十次十次/秒。秒。n而高速而高速DMM可达到几万次读数，并可以将数据可达到几万次读数，并可以将数据直接传至直接传至PCo测量精度测量精度n取决于取决于DVMDVM的固有误差和使用时的附加误差（温度等）。的固有误差和使用时的附加
23、误差（温度等）。固有误差表达式：固有误差表达式：示值（读数）相对误差为：示值（读数）相对误差为：n固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。读数误差：读数误差：与当前读数有关。主要包括与当前读数有关。主要包括DVMDVM的刻度系数的刻度系数误差和非线性误差。误差和非线性误差。满度误差：满度误差：与当前读数无关，只与选用的量程有关。与当前读数无关，只与选用的量程有关。n当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。被测量较大时，读数误差起主要作用。n为减小满度误差的影响，
24、应合理选择量程，以使被测量为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的大于满量程的2/32/3以上以上。n有时将等效为“n字”的电压量表示，即如某台3位半DVM，说明书给出基本量程为2V，V=（0.01%读数+1字）。o输入阻抗输入阻抗n输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。n输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。n对于直流对于直流DVMDVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M1000M10M1000M之间。之间。n对于交流对于交流DVMDVM，输入阻抗用输入
25、电阻和并联电容表，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十示，电容值一般在几十-几百几百pFpF之间。之间。o输入阻抗越大，对被测系统的影响就越小，测量的结果输入阻抗越大，对被测系统的影响就越小，测量的结果就越准确就越准确VLoHiv被测系统被测系统万用表万用表输入阻抗输入阻抗5050数据采集o随着计算机技术的发展，万用表所记录的海量信息需要用计算机进行处理，这对万用表的数据采集功能提出了很高的要求o高档万用表可以在提供很高精度的情况下进行高速数据采集数据采集卡高精度万用表模拟万用表与数字万用表的比较模拟万用表与数字万用表的比较o输入电阻的比较输入电阻的比较模拟式万用表中电压表的内阻
26、模拟式万用表中电压表的内阻:20K/V数字式万用表的数字式万用表的输输入入电电阻阻:10M以上以上o电压灵敏度的比较电压灵敏度的比较一般量程为:0.31000Va)对模拟式电压表取高灵敏度量程300mV,若60等分,每格5mV,即分辨率为5mV.b)对数字式万用表选水平低的如3位半,最大读数为1999,其分辨率为300mV/1999=0.15mVo操作上的比较等操作上的比较等DT830数字万用表原理（实验相关，组装该型DMM）DT830结构框图DT830核心芯片ICL7106直流电压测量直流电压测量输入电压被分压电阻分压（分压电阻之和为输入电压被分压电阻分压（分压电阻之和为1M），每档分压系）
27、，每档分压系数为数为1/10，分压后的电压必须在，分压后的电压必须在-0.199V+0.199V之间，之间，否则将过载显示，过载仅在最高位显示否则将过载显示，过载仅在最高位显示“1”，其余位数不显示。，其余位数不显示。交流电压测量交流电压测量交流电压首先须进行整流并通过一低通滤波器滤波，然后送入共用的直流电压测量电路，最后将测量出交流电压的有效值（RMS）。电流测量电流测量内部的取样电阻将输入电流转换为内部的取样电阻将输入电流转换为-199.9mV+199.9mV之之间的电压后送入间的电压后送入7106输入端，当设置在输入端，当设置在10A档时，输入的电流档时，输入的电流直接输入直接输入10A
28、输入孔而不能通过选择开关。输入孔而不能通过选择开关。电阻测量电阻测量由由电压源，标准电阻和被测电阻电压源，标准电阻和被测电阻等组成，两个电阻的比值等于各等组成，两个电阻的比值等于各自电压降的比值，因此，自电压降的比值，因此，通过标准电阻及利用标准电阻上的标准通过标准电阻及利用标准电阻上的标准电压，就可确定被测电阻的阻值电压，就可确定被测电阻的阻值。电阻测量简化原理电阻测量简化原理图中标准电阻图中标准电阻Ro与待测电阻与待测电阻Rx串联后接在串联后接在V十和十和COM之间。用之间。用2.8V基准电压向基准电压向Ro和和Rx供电。其中供电。其中URo为基准电压，为基准电压，URx为为输入电压。一般
29、情况下有输入电压。一般情况下有Rx=URx/URo.Ro当URx=URo 时，Rx=Ro，即，即RX就是内部标准电阻值就是内部标准电阻值因此只要固定若干个标准电阻因此只要固定若干个标准电阻Ro，就可实现多量程电阻，就可实现多量程电阻测量测量 1.A/D转换器的功能是转换器的功能是A)将数字量转换为模拟量；将数字量转换为模拟量；B）将模拟信号分为）将模拟信号分为2个个C）将模拟量转换为数字量；）将模拟量转换为数字量；D）将交流信号转换为直流）将交流信号转换为直流2.直流电压测量时的分压是采用直流电压测量时的分压是采用A）分压）分压20倍倍B）电容分压）电容分压C）分压）分压5倍倍D）电阻分压）电
30、阻分压3.当测量交流电压时，首先应当测量交流电压时，首先应A）分压）分压2倍；倍；B）整流）整流C）分压）分压100倍；倍；D）送到高通滤波器）送到高通滤波器4.直流分压电阻的和是直流分压电阻的和是A）100；B）1000；C）100K；D）1M5.电阻测量是通过什么方法得到电阻测量是通过什么方法得到A）比较未知电阻和基准电阻上的电压）比较未知电阻和基准电阻上的电压B）测量未知电阻中的电流）测量未知电阻中的电流C）测量基准电阻中的电流）测量基准电阻中的电流D）测量未知电阻和基准电阻上的电压）测量未知电阻和基准电阻上的电压 知识问答知识问答(以以DT830为例）为例）6.A/D转换器的每个测量周
31、期分成的时间段称为转换器的每个测量周期分成的时间段称为A）长时间和短时间；）长时间和短时间；B）自动调零、积分、读数）自动调零、积分、读数C）零、读数、界面；）零、读数、界面；D）转换、积分、显示）转换、积分、显示7.具有绿具有绿-黑黑-绿绿-棕棕-绿色环的电阻是绿色环的电阻是A）50.5K 5%；B）5.15K 10%C）5.05K 0.5%；D）5.05K 1%8.DT830B有有A）3位数字显示；位数字显示；B）3 1/2位数字显示位数字显示C）4 1/2位数字显示；位数字显示；D）上述都不是）上述都不是9.当测量当测量450mA时，测试棒应连接到时，测试棒应连接到A）COM和和VmA；B）COM和和10AC）10A和和VmA；D）上述都不是）上述都不是10.当测量电流时，取样电阻将电流转换为当测量电流时，取样电阻将电流转换为A）-199.9mV+199.9mV；B）-1.999V+1.999VC）-99.9mV+99.9mV；D）-199V+199V 补充：5环色环电阻精度识别（第5环）o色环误差棕+/-1%红+/-2%绿+/-0.5%蓝+/-0.25%紫+/-0.1%灰+/-0.05%金+/-5%银+/-10%DT830外形及组装