数字万用表设计实验报告
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数字万用表设计实验报告 本文简介：数字万用表设计性实验赵龙宇PB06005068一、实验目的1.掌握数字万用表的工作原理、组成和特性2.掌握数字万用表的校准方法和使用方法3.掌握分压及分流电路的连接和计算4.了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用二、实验仪器1.DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪一台2.三位半或四位半数字万用表一台三、
数字万用表设计实验报告 本文内容：
数字万用表设计性实验
赵龙宇
PB06005068
一、
实验目的
1.
掌握数字万用表的工作原理、组成和特性
2.
掌握数字万用表的校准方法和使用方法
3.
掌握分压及分流电路的连接和计算
4.
了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用
二、
实验仪器
1.
DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪
一台
2.
三位半或四位半数字万用表
一台
三、
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：
⑴
高准确度和高分辨力
三位半数字式电压表头的准确度为±0.5％，四位半的表头可达±0.03％，而指针式万用表中使用的磁电系表头的准确度通常仅为±2.5％。
分辨力即表头最低位上一个字所代表的被测量数值，它代表了仪表的灵敏度。通常三位半数字万用表的分辨力可达到电压0.1mV、电流（指电流强度，下同）0.1μA、电阻0.1Ω，远高于一般的指针式万用表。
⑵
电压表具有高的输入阻抗
电压表的输入阻抗越高，对被测电路影响越小，测量准确性也越高。
三位半数字万用表电压挡的输入阻抗一般为10MΩ，四位半的则大于100MΩ。而指针式万用表电压挡输入阻抗的典型值是20～100kΩ/V。
⑶
测量速率快
数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数，它主要取决于A/D转换的速率。三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒2～4次，高的可达每秒几十次。
⑷
自动判别极性
指针式万用表通常采用单向偏转的表头，被测量极性反向时指针会反打，极易损坏。而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性，使用起来格外方便。
⑸
全部测量实现数字式直读
指针式万用表尽管刻画了多条刻度线，也不能对所有挡进行直接读数，需要使用者进行换算、小数点定位，易出差错。特别是电阻挡的刻度，既反向读数（由大到小）又是非线性刻度，还要考虑挡的倍乘。而数字万用表则没有这些问题，换挡时小数点自动显示，所有测量挡都可以直接读数，不用换算、倍乘。
⑹
自动调零
由于采用了自动调零电路，数字万用表校准好以后使用时无需调校，比指针式万用表方便许多。
⑺
抗过载能力强
数字万用表具备比较完善的保护电路，具有较强的抗过压过流的能力。
当然，数字万用表也有一些弱点，如：
⑴
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。不过有些新型数字表增加了液晶显示条，能模拟指针偏转，弥补这一不足。
⑵
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，导致用旧以后换挡不可靠。
⑶
一般数字万用表的V/Ω挡公用一个表笔插孔，而A挡单独用一个插孔。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
数字显示屏（LED或液晶）
模数转换，译码驱动
基准电压
小数点驱动
（配合被测量与量程）
过压过流保护
过压过流保护
分档电阻（量程转换）
分压器（量程转换）
分流器（量程转换）
交流直流变换器
（放大、整流、滤波）
直流
被测量
输
入
交流
VREF
电流
电压
电阻
VIN
图（1）
数字万用表的基本组成
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）。有的表还设有电容测量电路、温度测量电路、自动延时关机电路等（如DT890C+、M890D、KT105等型号）。更新型的还有电感、频率测量电路（如DT930F+、KT102、VC9808等型号）。
[本实验只研究数字万用表的基本组成部分]
3.
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为数字电压表头的量程（如200mV），r为其内阻（如10MΩ），r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。
10M
99k
9k
1M
1k
数字电压表
200mV
200V
20V
2V
Ui
2000V
IN+
IN－
数字电压表
r1
r２
r
０～U0
０～Ui0
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
2000V
数
字
电压表
1k
9k
90k
900k
9M
R5
R4
R3
R2
R1
Ui
200mV
2V
200V
20V
IN+
IN－
扩展后的量程为
多量程分压器原理电路见图（３），５挡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200m
V、2V、20V、200V和2000V。
采用图３的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程挡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挡电路为图（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。
例如：其中200V挡的分压比为
其余各挡的分压比可同样算出，请同学们自己计算。图（４）
实用分压器电路
实际设计时是根据各挡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挡的电阻
R5=0.0001R总=1k
再逐挡计算R4、R3、R2、R1(详见数据处理部分)。
尽管上述最高量程挡的理论量程是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挡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。
A
交流电
压输入
直流电
压输出
图（８）AC-DC变换器原理简图
交流电
压校准
4.
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。
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，用来对交流电压挡进行校准之用。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。
同直流电压挡类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高挡的量限通常限定为750V（有效值）。
数字万用表交流电压、电流挡适用的频率范围通常为40~400Hz（如DT830A、M3900等型号），有些型号的交流挡测量频率可达1000Hz（如M3800、PF72等）。
四、
内容与步骤
1.
设计制作多量程直流数字电压表
（1）组装直流数字电压表：使用电路单元：三位半数字表头，直流电压校准，直流电压电流，分压器1。按图（11）接线，参考电压VREF输入端接直流电压校准电位器。
（2）校准电压表头：用一只成品数字万用表（称为标准表）置于直流电压20V量程进行监测，调节直流电压电流单元电路中电位器，使之输出一150--200mV左右的校准电压，然后将标准表表笔（输入）与组装表表笔并联，均置于直流电压200mV挡，测量直流电压电流单元输出电压，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±0.5mV）。
(3)绘制组装表的电压校准曲线：调节直流电压电流单元电路中电位器，使之分别输出20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、120mV、140mV、160mV、180mV的直流电压。将标准数字万用表表笔与组装表表笔（输入）并联，标准表、组装表均置于直流电压200mV挡，同时测量直流电压电流单元输出电压，列表记录之。并绘出组装表的电压校准曲线（关于绘制电表校准曲线请同学参考《大学物理实验》讲义第一册42页的有关介绍）。
(4)
用自制电压表测直流电压（选做）
a.测量5号电池的端电压（标称值1.5V）
b.测量6F22电池的端电压（标称值9V）
c.测量DM-I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“V”的大小和极性。将电流“I”两端连通，构成电流回路，电路中的LED可能会发光，可以观测电压“V”对发光状态的影响
d.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
图（11）
2.设计制作多量程交流数字电压表
（1）组装多量程交流数字电压表：
使用电路单元：三位半数字表头，直流电压校准交流电压校准（AC-DC变换器），分压器1，
量程转换与测量输入。在上述200mV直流数字电压表头的基础上，增加交流-直流（AC-DC）变换器，制成交流数字电压表⑴并校准
按图（13）接线，在200mV直流数字电压表头（已校准）前面接入AC-DC变换器，然后进行交流电压校准。
三
位
半
数
字
表
头
IN+
IN-
dp1
dp2
dp3
VREF+
VREF-
动片1
图（12）多量程直流数字电压表
的小数点控制电路
200mV
20V
2V
200V
1000V
注：动片1在内部已接驱动电路
（2）交流电压校准：用标准表置于交流电压20V量程进行监测，接通交流电压电流单元电路，使之输出一150--200mV左右的交流电压。然后将标准表表笔与组装表表笔并联，均置于交流电压200mV挡，测量交流电压电流单元输出电压，调整“交流电压校准”旋钮使表头读数与标准表读数一致（允许误差±1.5mV）。
(3)绘制组装表交流2V档的电压校准曲线：
接通交流电压电流单元电路，使之分别输出0.2V、0.4V、0.6V、0.8V、1.0V、1.2V、1.4V、1.6V、1.8V的交流电压。将标准数字万用表表笔与组装表表笔（输入）并联，标准表、组装表均置于交流电压2V挡，同时测量交流电压电流单元输出电压，列表记录之。并绘出组装表交流2V档的电压校准曲线。
三位半数字表头
IN+
IN-
dp1
dp2
dp3
VREF+
VREF-
直流电
压校准
接动片1
1k
99k
分压器
交流电压V
图（13）
200mV交流数字电压表头及其校准电路
A
AC-DC变换器
交流电
压校准
数字万用表
交流200mV档（标准表）
～
200mV直流数字电压表头
(4)用自制交流电压表测电压（选做）
a.测量待测“交流电压电流”单元中的V，此电压为内部电源变压器的次级电压。
b.测量灯泡电压：将待测交流电流I连通（短路），小灯泡可能会发亮。调整限流电位器，灯泡亮度会随之变化。测量灯泡两端的电压，观察其与灯泡亮度之间的关系。
c.测量市电（标称值～220V）的电压（注意安全，务必在教师指导下进行）。
实验数据
表头校准时，直流校准电压大致为170mV，交流校准电压大致为1.5V
直流测量：
U万/mV
19.77
40.18
59.47
80.10
99.34
120.53
139.2
159.5
179.63
U测/mV
19.7
40.2
59.6
80.3
99.6
120.8
139.5
159.9
180.0
ΔU=U测-U万
(mV)
-0.07
0.02
0.13
0.20
0.26
0.27
0.30
0.40
0.37
在下面的Origin图像中，由于无法显示Δ，将以？替代
直流组装表的电压校准曲线
交流测量：
U万/V
0.203
0.398
0.599
0.802
1.002
1.203
1.400
1.600
1.795
U测/V
0.414
0.541
0.694
0.857
1.029
1.209
1.390
1.567
1.717
ΔU=U测-U万
(V)
0.211
0.143
0.095
0.055
0.027
0.006
-0.01
-0.033
-0.078
同样存在Δ的问题，作图如下：
交流组装表的电压校准曲线
实验结论：由最终的实验数据可以看出，组装表的误差在一定程度上还是宏观存在的，并且交流表比直流表的误差明显增大，说明该实验的精度还有待提高，尤其是交流部分。
注意事项
1.
实验时应当“先接线，再通电；先断电，再拆线”，通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挡或电阻挡测量电压，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挡或减小（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。
8