1、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-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： 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
2、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）0.1A、电阻 0.1，远高于一般的指针式万用表。 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 10M，四位半的则大于 100M。而指针式万用表电压挡输入阻抗的典型值是 20100k/V。 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 24 次，高的可达每秒几十次。 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
3、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。1 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。 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。 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： 测量时不象指针式仪表那样能清楚直
4、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。 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。 一般数字万用表的 V/ 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
5、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VIN2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。如图所示，U0为数字电压
6、表头的量程（如 200mV） ，r 为其内阻（如 10M） ，r 1、r 2为分压电阻， Ui0为扩展后的量程。图（）分压电路原理 图（）多量程分压器原理由于 r r2，所以分压比为 210rUi扩展后的量程为 2i多量程分压器原理电路见图（） ，挡量程的分压比分别为、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（）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
7、如：其中 200V 挡的分压比为01.Mk5432154RR其余各挡的分压比可同样算出，请同学们自己计算。 图（） 实用分压器电路2000V数 字电压表1k9k90k900k9MR5R4R3R2R1Ui 200mV2V200V20VIN+IN10M99k9k1M1k数字电压表200mV200V20V2VUi2000VIN+IN数字电压表r1rrU 0U i03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
8、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。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（）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
9、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 40400Hz（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
10、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） 。A交流电压输入直流电压输出图（）AC-DC 变换器原理简图交流电压校准4(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
11、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2.设计制作多量程交流数字电压表（
12、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。（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
13、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 20V2V 200V1000V注：动片 1 在内部已接驱动电路图（11）50.2V、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
14、，列表记录之。并绘出组装表交流 2V 档的电压校准曲线。(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 /19.77 40.18 59.47 80.10 99.34 120.53 139.2 159.5 179
15、.63U测 /19.7 40.2 59.6 80.3 99.6 120.8 139.5 159.9 180.0U= -U测 U万 -0.07 0.02 0.13 0.20 0.26 0.27 0.30 0.40 0.37三位半数字表头IN+ IN- dp1 dp2 dp3 VREF+ VREF-直流电压校准接动片 11k99k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AAC-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6(mV)在下面的 Origin 图像中，由于无法显示 ，将以？替代02040608010120140
16、16018020-0.10.0.10.20.30.4U/mVUw/mVU-w直流组装表的电压校准曲线交流测量：U万 / 0.203 0.398 0.599 0.802 1.002 1.203 1.400 1.600 1.795U测 / 0.414 0.541 0.694 0.857 1.029 1.209 1.390 1.567 1.717 = -UU测 U万(V)0.211 0.143 0.095 0.055 0.027 0.006 -0.01 -0.033 -0.0787同样存在 的问题，作图如下：0. 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0-0.10-0.50.00
17、.50.100.150.200.25U/VUw/VU-w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8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。
