数字万用表(初版)

1、数字万用表是当前电子、电工、仪表、仪器和测数字万用表是当前电子、电工、仪表、仪器和测量领域大量使用的一种基本测量工具，随着时代量领域大量使用的一种基本测量工具，随着时代科技的进步，数字万用表的功能越来越强大，把科技的进步，数字万用表的功能越来越强大，把电量及非电量的测量技术提高到崭新水平。电量及非电量的测量技术提高到崭新水平。 万用万用表又叫多用表、三用表、复用表，万用表分为指表又叫多用表、三用表、复用表，万用表分为指针式万用表和数字万用表引。是一种多功能、多针式万用表和数字万用表引。是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、

2、交流电压、电阻等，有的还可以测交直流电压、交流电压、电阻等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数。流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转化成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式万用表功能单一精度低，不能满足数字化时代的需要，采用单片的数字万用表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字万用表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测试领域，显示着强大的生命力。株洲职工培训基地株洲职工培训基地授课人：万九云授课人：万九云数字万用表的基本原理及使用了解万用表的构

3、造、原理、掌握了解万用表的构造、原理、掌握它的使用。它的使用。难点：原理、正确使用难点：原理、正确使用万用表的构造、使用万用表的构造、使用重点重点难点难点内容与要求内容与要求数字万用表的基本工作原理数字万用表的基本工作原理 普通数字万用表的基本工作原理是检测的信号经万用普通数字万用表的基本工作原理是检测的信号经万用表的表笔接入万用表，信号进行阻容滤波和前置放大，表的表笔接入万用表，信号进行阻容滤波和前置放大，然后万用表根据用户选择的相应档位进行相应的信号然后万用表根据用户选择的相应档位进行相应的信号转换、再将模拟信号转换成数字信号，最后将数值经转换、再将模拟信号转换成数字信号，最后将数值经显示

4、驱动电路输出在显示屏幕上。显示驱动电路输出在显示屏幕上。 单片数字万用表是指采用单片机来实现万用表单片数字万用表是指采用单片机来实现万用表的功能，它的主要特点是：实现的功能增多、内部电的功能，它的主要特点是：实现的功能增多、内部电路简单、测量较准确和耗电量较少等。单片数字万用路简单、测量较准确和耗电量较少等。单片数字万用表能实现的功能有：测量交直流电压、测量交直流电表能实现的功能有：测量交直流电压、测量交直流电流、测量电阻、测量通断性、测量二极管和测量电容流、测量电阻、测量通断性、测量二极管和测量电容等。单片数字万用表内部电路主要包括：单片机主芯等。单片数字万用表内部电路主要包括：单片机主芯片

5、、片、A/DA/D转换器、转换器、DCVDCV转换器、转换器、AC/DCAC/DC转换器、转换器、I/UI/U转换转换器、器、R/UR/U转换器、电源供电电路显示驱动电路转换器、电源供电电路显示驱动电路。 单片数字万用表的基本工作原理是：万用表单片数字万用表的基本工作原理是：万用表根据用户选择的档位将检测的信号进行相应的数值转根据用户选择的档位将检测的信号进行相应的数值转换，再经单片机进行处理再送至显示驱动电路，最后换，再经单片机进行处理再送至显示驱动电路，最后将相应的数值显示在显示屏幕上。将相应的数值显示在显示屏幕上。 智能数字万用表是指利用智能数字万用表是指利用DSPDSP、ARMARM等

6、芯片等芯片组成来实现万用表的功能，它的主要特点是：实现的组成来实现万用表的功能，它的主要特点是：实现的功能全面并可增设许多功能、内部电路较复杂、测量功能全面并可增设许多功能、内部电路较复杂、测量精度高和耗电量低等特点。精度高和耗电量低等特点。智能数字万用表包含单片数字万用表的基本电路结构，智能数字万用表包含单片数字万用表的基本电路结构，工作原理同单片数字万用表类似。工作原理同单片数字万用表类似。LCDLCD液晶显示屏与液晶显示屏与A/DA/D转换器构成一个数字电压表表头，转换器构成一个数字电压表表头，数字万用表是在数字电压表表头基础上通过在数字电压数字万用表是在数字电压表表头基础上通过在数字电

7、压表基础上构成分压网络，分流网络，然后就是整流部分。表基础上构成分压网络，分流网络，然后就是整流部分。数字万用表交流电压挡采用高精度集成运算放大器做整数字万用表交流电压挡采用高精度集成运算放大器做整流，就是把被测信号经过流，就是把被测信号经过A/DA/D内部的，内部的，R/V C/V I/VR/V C/V I/V转换转换统一变为电压信号在经过衰减送入统一变为电压信号在经过衰减送入A/DA/D转换器通过控制转换器通过控制LCDLCD液晶显示屏的笔段来点亮个数字显示。液晶显示屏的笔段来点亮个数字显示。介绍介绍 数 字 万 用 表 亦 称 数 字 多 用 表 ， 简 称数 字 万 用 表 亦 称 数

8、 字 多 用 表 ， 简 称DMM(DMM(DigtialDigtial MultimeterMultimeter) )。它是采用数字化测。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转化成不连续、离散量技术，把连续的模拟量转化成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针式万用表功能单一精度低，不能满足数字化时代万用表功能单一精度低，不能满足数字化时代的需要，采用单片的数字万用表精度高、抗干的需要，采用单片的数字万用表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，目前，由扰能力强，可扩展性强、集成方便，目前，由各种单片机芯片构成的数字万用表，已被广泛各种

9、单片机芯片构成的数字万用表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能化测试领域，显示着强大的生测试系统等智能化测试领域，显示着强大的生命力。命力。特性特性与指针式万用表相比较，数字万用表有与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性：如下优良特性：(1) 高准确度和高分辨力高准确度和高分辨力(2) 测电压时具有高的输入阻抗测电压时具有高的输入阻抗(3) 测量速率快测量速率快(4) 自动判别极性自动判别极性(5) 全部测量实现数字直读全部测量实现数字直读(6) 自动调零自动调零(7) 抗过载能力强抗过载能力强当然，数字万用表也有一些

10、弱点，如：当然，数字万用表也有一些弱点，如：(1) 测量时不像指针式仪表那样能清楚直测量时不像指针式仪表那样能清楚直观地观察到指针偏转的过程，在观察充放电观地观察到指针偏转的过程，在观察充放电等过程时不等过程时不够方便。够方便。(2) 数字万用表的量程转换开关通常与电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，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。旧以后换档不可靠。(3) 一般万用表的一般万用表的V/档公用一个表笔插档公用一个表笔插孔，而孔，而A档单独用一个插孔。使用时应注意

11、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根据被测量调换插孔，否则可能造成测量错误或仪表损坏。误或仪表损坏。一、数字万用表的组成一、数字万用表的组成数字万用表数字万用表是由数字电压表配上相应的功能转换电路构成的，是由数字电压表配上相应的功能转换电路构成的，它可对交、直流电压交、直流电流、电阻、电容以及频率等多它可对交、直流电压交、直流电流、电阻、电容以及频率等多种参数进行直接测量。数字电压表通常使用一块集成电路芯片种参数进行直接测量。数字电压表通常使用一块集成电路芯片, ,它将它将A/DA/D转换器与能够直接驱动显示器的显示逻辑控制器集成转换器与能够直接驱动显示器的显

12、示逻辑控制器集成在一起，在其周围配上相关的电阻器、电容器和显示器在一起，在其周围配上相关的电阻器、电容器和显示器, ,组成组成数字万用表表头。它只测量直流电压，其它参数必须转换成和数字万用表表头。它只测量直流电压，其它参数必须转换成和其自身大小成一定比例关系的直流电压后才能被测量。数字万其自身大小成一定比例关系的直流电压后才能被测量。数字万用表的整体性能主要由这一数字表头的性能决定。数字电压表用表的整体性能主要由这一数字表头的性能决定。数字电压表是数字万用表的核心，是数字万用表的核心，A/DA/D转换器是数字电压表的核心，不同转换器是数字电压表的核心，不同的的A/DA/D转换器构成不同原理的数

13、字万用表。功能转换电路是数转换器构成不同原理的数字万用表。功能转换电路是数字万用表实现多参数测量的必备电路。电压、电流的测量电路字万用表实现多参数测量的必备电路。电压、电流的测量电路一般由无源的分压、分流电阻网络组成；交、直流转换电路与一般由无源的分压、分流电阻网络组成；交、直流转换电路与电阻、电容等电参数测量的转换电路，一般采用有源器件组成电阻、电容等电参数测量的转换电路，一般采用有源器件组成的网络来实现。功能选择可通过机械式开关的切换来实现，量的网络来实现。功能选择可通过机械式开关的切换来实现，量程选择可通过转换开关切换，也可以通过自动量程切换电路来程选择可通过转换开关切换，也可以通过自动

14、量程切换电路来实现。实现。数字万用表的基本功能是测量交直流电压、交直流电流数字万用表的基本功能是测量交直流电压、交直流电流以及测量电阻，其基本组成如下图以及测量电阻，其基本组成如下图1 1所示所示图图1数字万用表的基本组成数字万用表的基本组成模数模数(A/D)(A/D)转换与数字显示电路转换与数字显示电路 常见的物理量都是幅值常见的物理量都是幅值( (大小大小) )连续变化的所谓模拟量连续变化的所谓模拟量( (模拟信模拟信号号) )。指针式仪表可以直接对模拟电压、电流进行显示。而对数。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，需要把模拟电信号字式仪表，需要把模拟电信号( (通

15、常是电压信号通常是电压信号) )转换成数字信转换成数字信号，再进行显示和处理号，再进行显示和处理( (如存储、传输、打印、运算等如存储、传输、打印、运算等) )。数字信号与模拟信号不同，其幅值数字信号与模拟信号不同，其幅值( (大小大小) )是不是不连续的。这种情况被称为是连续的。这种情况被称为是“量化的量化的”，若最若最小量化单位小量化单位( (量化台阶量化台阶) )为为 ，则数字信号的大小，则数字信号的大小一定是一定是 的整数倍，该整数可以用二进制数码表的整数倍，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，需示。但为了能直观地读出信号大小的数值，需经过数码变换经过数码变换

16、( (译码译码) )后由数码管或液晶屏显示后由数码管或液晶屏显示出来。出来。 例如，设例如，设 =0.1mV =0.1mV，我们把被测电压，我们把被测电压U U与与 比较，看比较，看U U是是 的多的多少倍，并把结果四舍五入取为整整数少倍，并把结果四舍五入取为整整数 ( (二进制二进制) )。一般情况。一般情况下 ，下 ， N N 1 0 0 01 0 0 0 即 可 满 足 测 量 精 度 要 求即 可 满 足 测 量 精 度 要 求 ( ( 量 化 误 差量 化 误 差1/1000=0.1%)1/1000=0.1%)。最常见的数字表头的最大示数为。最常见的数字表头的最大示数为1999199

17、9，被，被称为三位半称为三位半(3_1/2)(3_1/2)数字表。数字表。 对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以就是以mVmV为单位的被测电压为单位的被测电压 的大小。如：的大小。如：U U是是 (0.1 mV) (0.1 mV)的的12341234倍，即倍，即N=1234N=1234，显示结果为，显示结果为123.4 mV123.4 mV。这样的数字表头，。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示再加上电压极性判别显示电路，就可以测量显示-199.9-199.9199.9mV199.9mV的电压，显示精度

18、为的电压，显示精度为0.1mV0.1mV。由上可见，数字测量仪。由上可见，数字测量仪表的核心是模数表的核心是模数(A/D)(A/D)转换、译码显示电路。转换、译码显示电路。A/DA/D转换一般又转换一般又可分为量化、编码两个步骤。可分为量化、编码两个步骤。 本论文其核心是一个四位半数字表头，它由数字表专用本论文其核心是一个四位半数字表头，它由数字表专用A/DA/D转换译码驱动集成电路和外围元件、转换译码驱动集成电路和外围元件、LCDLCD数码管构成。主要芯数码管构成。主要芯片为片为ICL7129ICL7129。 运用运用ICL7129ICL7129制作制作LCDLCD液晶显示液晶显示4_1/2

19、 4_1/2 数字电压表头如图数字电压表头如图2 2所所示，具有非常高性能。示，具有非常高性能。图图2 4_1/2 数字电压表头数字电压表头ICL7129的主要特点：的主要特点：(1) 用于用于 CMOS 大规模集成电路，具有高准确度、高分辨力、微功耗、外围电路简大规模集成电路，具有高准确度、高分辨力、微功耗、外围电路简单、价格较低廉等优点。它以多路扫描方式直接驱动单、价格较低廉等优点。它以多路扫描方式直接驱动4_1/2 位位LCD显示器显示器(芯片带小数芯片带小数点驱动端点驱动端)，最大显示值为，最大显示值为 土土19999。其性能优于国内普遍使用的。其性能优于国内普遍使用的ICL7135型

20、型4_1/2 位位 A/D 转换器，外围电路亦比转换器，外围电路亦比 ICL7135 大为简化，适于制作高准确度大为简化，适于制作高准确度4_1/2 位数字电压位数字电压表及数字多用表。表及数字多用表。 (2 )ICL7129在积分电路上作了重大改进，采用了逐次在积分电路上作了重大改进，采用了逐次(多重多重)积分、数字调零等先进积分、数字调零等先进技术，使其准确度达土技术，使其准确度达土0.005% (对应于满量程时的土对应于满量程时的土4个字个字)，共模抑制比，共模抑制比CMRR亦提亦提高到高到11dB。(3) 专门设有专门设有10:1量程输入端，基本量程可选挥量程输入端，基本量程可选挥20

21、0mV 或或2V，最高分辨力达，最高分辨力达10uV，比，比 ICL7135 提高一个数量级。提高一个数量级。(4) 可提供超量程、欠量程、电池低电压指示、负极性指示、锋鸣器驱动、标志符驱可提供超量程、欠量程、电池低电压指示、负极性指示、锋鸣器驱动、标志符驱动等多种信号。动等多种信号。(5) 外围电路简单外围电路简单,只需外接几只阻容元件和基准电压源即可工作，测量速率为只需外接几只阻容元件和基准电压源即可工作，测量速率为1:6次次/S，通常取，通常取 2次次/S左右。左右。(6) 采用单电源供电，微功耗。电源电压允许范围是采用单电源供电，微功耗。电源电压允许范围是612V(极限值为极限值为15

22、V)。通常选。通常选9V叠层电池供电，工作电流为叠层电池供电，工作电流为 1mA典型功耗约典型功耗约 9mW。工作温度范围是。工作温度范围是070。2.22.2直流电压测量电路直流电压测量电路在数字电压表头前面加一级分压电路在数字电压表头前面加一级分压电路(分压分压器器)，可以扩展直流电压测量的量程。如图，可以扩展直流电压测量的量程。如图2所所示，示，U0为电压表头的量程为电压表头的量程(为为200mV)，r为其内阻为其内阻(如如10m)，为分压电阻，为分压电阻，U10为扩展后为扩展后的量程。的量程。图图2分压电路原理分压电路原理图图3多量程分压器原理多量程分压器原理由于由于r1r2，所以分压

23、比为，所以分压比为21200rrrUUi扩展后的量程为扩展后的量程为02210UrrrUi多量程分压器原理电路见图多量程分压器原理电路见图3，5档量程的分压比分别为档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和和0.0001，对应的量程分别为，对应的量程分别为2000V、200V、20V、2V和和200mV。采用图采用图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

24、档电路为图档电路为图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。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。图图4实用分压器电路实用分压器电路例如：其中例如：其中200V档的分压比为档的分压比为001. 010105432154MkRRRRRRR其余各档的分压比可同样算出。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MRRRRRR1054321总再计算再计算2000V档的电阻档的电阻KRR10001. 05总再逐档计算再逐档计算R4、R5、R2、R1 尽管上

25、述最高量程档的理论量程是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，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。便地直读出测量结果。2.32.3直流电流测量电路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。如图压，再进行测量。如图

26、5，由于，由于rR，取样电阻，取样电阻R上的电压降为上的电压降为Ui=IiR即被测电流即被测电流Ii=Ui/R。图图5电流测量原理电流测量原理图图6多量程分流器电路多量程分流器电路若数字表头的电压量程为若数字表头的电压量程为U0，欲使电流档量程为，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻，则该档的取样电阻(也称分流电也称分流电阻阻)为为R=U0/I0如如U0=200mV，则，则I0=200mA档的分流电阻为档的分流电阻为1R 多量程分流器原理电路见图多量程分流器原理电路见图6。图。图6中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当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

27、压可能使数字表头过载，所以，实际数字万用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表的直流电流档电路为图7所示。所示。 图图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)( 1 . 022 . 050msIUR再计算下一档的再计算下一档的R4)(9 . 01 . 02 . 02 . 05404RIURm依次可计算出依次可计算出R5、R2和和R1。图图7实用分流器电路实用分流器电路图中的图中的BX是是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，超过流保护作用。两只反向保险

28、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，二极管立即导通，两端电压被限制住(小于小于0.7V)，保护仪表不被损坏。，保护仪表不被损坏。用用2A档测量时，若发现电流大于档测量时，若发现电流大于1A时，应

29、不使测量时间超过时，应不使测量时间超过20秒，以避免大电流引秒，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。起的较高温升影响测量精度甚至损坏电表。2.42.4交流电压、电流测量电路交流电压、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压器或分流器之后加入了一级交流-直流直流(AC-DC)变换器，图变换器，图8为其原理简图。为其原理简图。图图8 AC-DC变换器原理简图变换器原理简图该该AC-DC变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、变换器主

30、要由集成运算放大器、整流二极管、RC滤波器等组成，还包含滤波器等组成，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。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限定为700V(有效值有效值)。2.52.5电阻测量电路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，其原理电路见图数字万用表中的电

31、阻档采用的是比例测量法，其原理电路见图9图图9电阻测量原理电阻测量原理由稳压管由稳压管ZD提供测量基准电压，流过标准电阻提供测量基准电压，流过标准电阻R0和被测电阻和被测电阻Rx的电流基本相等的电流基本相等(数字数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计)。所以。所以A/D转换器的参考电压转换器的参考电压UREF和和输入电压输入电压UIN有如下关系：有如下关系：xINREFRRUU0即即0RUURREFINx根据所用根据所用A/D转换器的特性可知，数字表显示的是转换器的特性可知，数字表显示的是UIN与与UREF的比值，当的比值，当UIN=UREF时显示时显示“1000”， UIN=0.5UREF时显示时显示“500”，以此类推。所以，当，以此类推。所以，当Rx=R0时，表头时，表头将显示将显示“1000”，当，当Rx=0.5R0时显示时显示“500”，这称为比例读数特性。因此，我们只，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。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。数点定在如对数点定在如对200 档，取档，取R01=1000 ，小十位上。当，小十位上。当Rx=100 时，表头就会显