数字测量技术的-南京信息工程大学

1、PAGE PAGE 15数字万用表的设计与校准随着大规模集成电路的发展，数字测量技术的日趋普及，指针式仪表存在的问题也逐渐显现出来。为了让学生了解数字式万用电表的工作原理，及模拟信号转换成数字信号的基本方法，我们设计出数字式万用电表设计与校准实验，该实验不仅具有实验内容丰富，且内容由浅入深，适合各高等院校物理、电子等专业学生使用。一、实验目的 掌握数字万用表表的工作原理理、组成和特特性。掌握数字万用表表的校准和使使用。掌握多量程数字字万用表分压压、分流电路路计算和连接接；学会设计计制作、使用用多量程数字字万用表。二、实验仪器 数字万用用表设计实验验仪 1台三、实验原理 1、直流电电压测量电路路

2、 在数字字电压表头前前面加一级分分压电路（分分压器），可可以扩展直流流电压测量的的量程。 数字万用表的直直流电压档分分压电路如图图（2）所示示，它能在不不降低输入阻阻抗的情况下下，达到准确确的分压效果果。例如：其中2000 V档的的为分压比为为：其余各档的分压压比分别为：图（2）实用分分压器电路档位200mV2V20V200V2000V分压比10.10.010.0010.0001 实际设计时是根根据各档的分分压比和总电电阻来确定各各分压电阻的的，如先确定定再计算200VV档的电阻：，依次可计计算出、等各档的分分压电阻值。更更换量程是需需要调整小数数点的显示，使使用者可方便便地读出测量量结果。2

3、、直流电流的的测量 测量电电流是根据欧欧姆定律，用用合适的取样样电阻把待测测电流转换为为相应的电压压，再进行测测量。如图（33） 图（33）电流测量量原理 实用数字万用表表的直流电流流档电路，如如图（4）所所示。 图（4）实实用分流器电电路图（4）中各档档分流电阻是是这样计算的的，先计算最最大电流档（2A）的分流电阻（数字电压表最大输入为200mV），再计算200mmA档的：依次可以计算出出、和，请同学们们自己练习。图中的FUSEE是2A的保险丝丝，电流很大大时会快速熔熔断，起过流流保护作用。两两只反向连接接且与分流电电阻并联的二二极管为塑封封硅整流二极极管，正常测测量时，输入入电压小于硅硅整

4、流二极管管的正向导通通压降，二极极管截止，对对测量毫无影影响。一旦输输入电压大于于0.7V，二二极管立即导导通，双向限限幅，电压嵌嵌位在0.77V，起过压压保护作用。保保护仪表不被被损坏。用22A测量时，若若发现电流大大于0.5AA时，应使测测量时间小于于20秒，仪仪器在面板上上提供了待测测电流接口，测测量时可直接接在本接口串串入电流表进进行测量。3、交流电压、电电流的测量电电路 数字万万用表中交流流电压、电流流测量电路是是在分压器或或分流器之后后串入了一级级交流直流（ACC-DC）变变换器，如图图（5）所示示。 图（5） 该ACDC变变换器主要由由集成运算放放大器、整流流二极管、RRC滤波电

5、容容等组成，还还包含一个能能调整输出电电压高低的电电位器：ACCDC校准电电位器，用来来对交流电压压档进行校准准之用，调整整该电位器可可使数字电压压表头的显示示值等于被测测交流电压的的有效值。 4、电阻测量电电路 数字万用用表中的电阻阻档采用的是是比例测量方方法，其原理理电路见图（66）， 图图（6） 电电阻测量原理理由稳压管DZ提提供测量基准准电压，流过过标准电阻RR0和被测电阻阻Rx的电流基本本相等（数字字表头的输入入阻抗很高，其其取用的电流流可忽略不计计）。 所所以A/D转转换器的参考考电压UREEF和输入电电压UIN有如下关关系： 即 根据所用A/DD转换器的特特性可知，数数字表显示的

6、的是UIN与UREF的比值值，当UINN=URE时显示“1000”，UIN=0.55UREF时显示示“500”，依次类推推。所以，当当Rx=R0时，表头将将显示“1000”，当Rx=0.5RR0时显示“500”，这称为比比例读数特性性。因此，我我们只需要选选取不同的标标准电阻并适适当对小数点点进行定位，就就能得到不同同的电阻测量量档。 图（7）电阻测测量电路对200档，取取R05=1000，小数点定定在十位上。当当Rx=100时，表头就就会显示出1100.0（）。当Rx变化时，显示值相应变化，可以从0. 1测到199.9（其余各档请学生自己进行推导）。数字万用表多量量程电阻档电电路如图（77）

7、所示，由由上分析可知知，R5=R05=100 R4=R04-R05=10000-1000=900 R3 =R033-R04=10K-11K=9K 图（7）中由正正温度系数（PPTC）热敏敏电阻Rt与晶体管组组成了过压保保护电路，以以防止误用电电阻去测高电电压时损坏集集成电路。当当误测量高电电压时，晶体体管发射极将将击穿从而限限制了输入电电压的升高。同同时Rt随着电流的的增加而发热热，其阻值迅迅速增大，从从而限制了电电流的增加，使使晶体管击穿穿电流不超过过允许范围。即即晶体管只是是处于软击穿穿状态，不会会损坏，一旦旦解除误操作作，Rt和晶体管均均能恢复正常常。四、内容与步骤骤设计制作多量程程直流

8、数字电电压表制作199.99 mV直流流数字电压表表头校准并使使用。按图（88）接线，VVREF输入端接交直直流电压校准准电位器，小小数点dp接接到B组合适适插口上去，以以获得一位小小数点显示（不不接小数点并并不会影响表表头的校准，为为什么？）。利利用”直流档待测测微电压（mmV）”提供的1000 mV左左右的电压，用用插线连至表表头的测量插插口IN+、IIN-上去。 图（88） 把一只标准数字字万用表置于于直流2000mV档与表表头IN输入入端并联，调调整“交直流电压压校准”旋钮使表头头读数与标准准表读数一致致（允许误差差0.5mVV），2000mV表头即即调整完毕。（2）扩展电压压表头成为

9、多多量程直流电电压表按图（10）接接线，B组作作为控制小数数点显示的开开关，B组动动片内部已接接小数点驱动动电源.分压压电阻接A组组档位转换。（3）用自制直直流电压表测测直流电压a 将红、黑两两表棒分别插插入“待测直流电电压（V）”中的红、两两插孔。缓慢慢调节“直流档待测测电压（V）”中的电位器，观看数字电压表头的变化范围。b 将红、黑两两表棒调换一一下，观看数数字电压表头头有何反映，为为什么？c 将小灯泡（112V/5000mA）并并联在“直流档待测测电压（V）”的红、黑两插口上，调节电位器，观察灯泡亮度与灯泡两端电压有何关系？2、设计制作多多量程直流数数字电流表（1）首先制作作200mVV

10、直流数字电电压表头并校校准（如原来来已校正，此此步可略）。（2）制作多量量程直流数字字电流表使用电路单元：电流档用分分流电阻、电电流档保护电电路、三位半半表头、量程程转换与测量量输入。按图（4）接线线，动片A组组作为档位输输入并转换；动片B组作作为小数点转转换开关，自自己设计连线线，制成多量量程直流数字字电流表。测量电流将已制作好的电电流表串入“直流档待测测电压（V）”的电路中，负载接上小灯泡，调节电位器，观察灯泡亮度改变与电流的变化关系。3、设计多量程程交流数字电电压表（1）与设计的的直流档相比比，小数点连连线位置不变变，仅在数字字表头测量输输入（IN+ IN-）前前串入一级AAC-DC转转

11、换器（见图图11）交流电压档校准准：将“交流档待测测电压（V）”框中输出电压调至交流5V（用标准表测量），档位开关置20V档，调节“AC/DC档校准”中的电位器，使表头读数与标准表读数一致，这样交流电压表校准完毕。用自制交流电压压表测电压。 图（111）将测量表棒分别别置于“交流档待测测电压（V）”的输出电压插座上，接上小灯泡，观察调节电压高低与灯泡亮度的关系。调换表棒，观察表头显示有无变化，为什么？4、设计数字电电阻表（1）使用电路路单元：三位位半数字表头头、电阻档基基准电压、电电阻档用分档档电阻器、电电阻档保护电电路。（2）参照图（77）电阻测量量电路，连接接成比例式多多量程数字电电阻表，

12、A组组动片为量程程转换开关，BB组动片为小小数点转换开开关，自已设设计连线。用设计制作好的的数字电阻表表来测量仪器器面板上提供供的a： R1、RR2、R3、RR4的阻值b：W5是可变变电位器，测测量它的变化化范围c：测量光敏电电阻RG6的的阻值，观察察阻值与光照照强度之间的的关系是成正正比还是成反反比，线性否否？d：测量热敏电电阻RT7电电阻器的阻值值，观察其阻阻值随温度变变化的情况。e：测量晶体管管管脚间正反反向电阻阻值值，观察PNN结正向导电电性。f：定性研究金金属的温度电电阻特性（选选做）测量对象是仪器器中的小灯泡泡灯丝，先用用电阻档测出出灯丝常温状状态下的阻值值，然后用伏伏安法测量在在

13、几种不同发发光状态下的的灯丝电阻，画画出灯丝的伏伏安特性曲线线，分析其阻阻值随温度变变化的情况。5、设计交流数数字电流表制作参照图（4），在在表头测量输输入（IN+、IN-）前前串入AC-DC转换器器。提示：若若保持已校准准好的“交直流电压压校准“电位器状态态不变，则可可以省去校准准步骤，否则则需要重新校校正。用自制交流电流流表测电流强强度将交流电流表串串入“交流档待测测电压（V）”栏中的电流插口，输出负载接上小灯泡（12V/500mA），缓慢调节电位器，观察电流变化与灯泡亮度之间的关系。五、实验数据记记录及处理（1）测量电阻阻待测电阻（）R1R2R3标准表的测量值值实验仪的测量值值（2）测量直流流电压待测电压（V）v1v2v3标准表的测量值值实验仪的测量值值(3)测量直流流电流待测电流（mAA）I1I2I3标准表的测量值值实验仪的测量值值（4）测量交流流电压待测电压（V）