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-Ⅰ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/Ω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?=0.1mV，我们把被测电压U与?比较，看U是?的多少倍，并把结果四
舍五入取为整数N (二进制)。一般情况下，N≥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U的大小。如：U是? (0.1mV)的1234倍，即N=1234，显示结果为123.4(mV)。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-199.9～199.9mV的电压，显示精度为0.1mV。
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，感兴趣的同学可参阅有关专业教材。
本实验使用的WS-Ⅰ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(IN?、IN?)、2个基准电压输入端(VRFE?、VRFE?)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，
U0为电压表头的量程(如200mV)，r为其内阻(如10M?)，r1、r2为分压电阻，U10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r>>r2，所以分压比为
U0Ui0?r2r1?r2
扩展后的量程为
Ui0?r1?r2r2U0
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、0.001和0.0001，对应的量程分别为2000V、200V、20V、2V和200mV。
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200V档的分压比为
R4?R5R1?R2?R3?R4?R5?10k10M?0.001
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
R总＝R1?R2?R3?R4?R5?10M
再计算2000V档的电阻
R5?0.0001R总＝1K
再逐档计算R4、R5、R2、R1。
尽管上述最高量程档的理论量程是2000V，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1000V。
换量程时，多刀量程转换开关可以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r?R，取样电阻R上的电压降为
Ui?IiR
即被测电流 Ii?UiR
图5电流测量原理 图6多量程分流器电路
若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻(也称分流电阻)为
R?U0I0
如U0=200mV，则I0=200mA档的分
流电阻为R?1?。
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：先计算最大电流档的分流电阻R5
Rs?U0Im5?0.22?0.1(?)
图7实用分流器电路
再计算下一档的R4
R4?U0Im4?R5?0.20.2?0.1?0.9(?)
依次可计算出R5、R2和R1，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0.7V，二极管立即导通，两端电压被限制住(小于0.7V)，保护仪表不被损坏。
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。 图8 AC-DC变换器原理简图
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。
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700V(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R0和被测电阻RX的电流基本相等(数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计)。所以A/D转换器的参考电
压URFE和输入电压UIN有如下关系：
UUREFIN?R0Rx
图9电阻测量原理
即
Rx?UINUREFR0
根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与URFE的比值，当UIN=URFE时显示“1000”，UIN=0.5URFE时显示“500”，以此类推。所以，当RX?R0时，表头将显示“1000”，当RX?0.5R0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R01=100?，小数点定在十位上。当RX=100?时，表头就会显示出100.0?。当RX变化时，显示值相应变化，可以从0.1?测到199.9?。