1、第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构 3.2双积分A/D转换器的工作原理 3.3万用表功能的扩展 3.4万用表的装配与调试第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构 3.1.1 模拟式万用表的结构 3.1.2 数字万用表的结构 3.1.3 数字电压表的原理框图 3.1.4 液晶显示概述 3.1.5 大规模集成电路7106芯片简介第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.1.模拟式万用表的结构 3.1.2.数字万用表的结构 图1-1 模拟式万用表的结构 输入功 能 选 择 电 流 表 R / I 转换 V / I 转换 V / I 转换量 程
2、 选 择 图1-2袖珍式数字万用表的结构 输入功 能 选 择 量 程 选 择 R / V 转换 V / V 转换 I / V 转换基本量 程数字 电压表第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.1.模拟式万用表的结构 3.1.2.数字万用表的结构在模拟式万用表结构中，核心 部件是磁电式电流表头，转换器的 功能是将被测参数R、V、I统一 转换成直流电流后再进行测量。而 量程的选择是通过旋转多层开关来 实现。 图1-1 模拟式万用表的结构 输入功 能 选 择 电 流 表 R / I 转换 V / I 转换 V / I 转换量 程 选 择 图1-2袖珍式数字万用表的结构 输入
3、功 能 选 择 量 程 选 择 R / V 转换 V / V 转换 I / V 转换基本量 程数字 电压表第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.1.模拟式万用表的结构 3.1.2.数字万用表的结构在数字万用表结构中，其核心电 路是由A/D转换器及液晶显示电路等组 成的基本量程数字电压表。转换器的 功能是将被测信号转换成直流电压后 再进行测量。功能选择一般通过拨档 开关来实现，有的表可通过电路自动 切换来完成。 图1-1 模拟式万用表的结构 输入功 能 选 择 电 流 表 R / I 转换 V / I 转换 V / I 转换量 程 选 择 图1-2袖珍式数字万用表的结
4、构 输入功 能 选 择 量 程 选 择 R / V 转换 V / V 转换 I / V 转换基本量 程数字 电压表第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.3 数字电压表的电路原理框图数字电压表由两部分电路构成： 即模拟电路部分和数字电路部分。在 模拟电路部分主要由滤波器、模拟开 关、缓冲器、积分器和比较器构成。 在数字电路部分主要由振荡器、分频 器、逻辑控制器、计数器、锁存器、 译码器、相位驱动器和液晶显示器构 成。第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.3 数字电压表的电路原理框图 逻辑控制器 RC RC RC RC振荡器 分频器 分频器
5、F 0 40KHz T CP =0.1ms LCD LCD LCD LCD显示器 相位驱动器 七段译码器 锁存器 计数器 Fcp 10KHz 数字电路 图13 数字电压表原理框图 模拟开关 RC RC RC RC滤波器 缓冲器 积分器与 比较器 Vin CREF VREF VREF + 模拟电路第三章 万用表的电路原理及装配 逻辑控制器 RC RC RC RC振荡器 分频器 分频器 F 0 40KHz T CP =0.1ms LCD LCD LCD LCD显示器 相位驱动器 七段译码器 锁存器 计数器 Fcp 10KHz 数字电路 图13 数字电压表原理框图 模拟开关 RC RC RC RC滤
6、波器 缓冲器 积分器与 比较器 Vin CREF VREF VREF + 模拟电路第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.3 数字电压表的电路原理框图模拟电路与数字电路相辅相成， 互相制约，共同完成数字万用表所具 有的功能。模拟电路控制数字电路的 工作状态与显示结果。而数字电路控 制模拟电路中模拟开关的“接通”与 “断开”。模拟电路和数字电路都集成在一 块大规模集成电路7106芯片上。第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.4 液晶显示概述数字万用表的液晶显示器是采用段电极显 示的方式来实现的，也就是液晶显示器的前部 电极被分割成a,b,c,
7、d,e,f,g七段，各段电极 a,b,c,d,e,f,g与“7106”集成电路芯片中的 “BP”引脚，也叫背电极。背电极也是前部电 极的共用电极。若是各段前部电极与背电极之 间电位相等时，则液晶不显示。若某一段或几 段前部电极与背电极存在电位差时，则液晶显 示。这样就可以根据被测参数的实际情况分别 显示十进制中的1，2，3，4，5，6，7，8， 9，0这十个数。 图14 七段LCD显示器字段 a a a a b b b b c c c c d d d d e e e e f f f f g g g g第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.5 大规模集成电路7106芯
8、片简介 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1B1 D1 OSC1 HOLD TEST DEENC1 V + OSC2 OSC3 INTEN 7 1 0 6 7 1 0 6 7 1 0 6 7 1 0 6 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 V REF+ V REF- C REF+ C REF- COM INHI INLO A/Z BUF INT V- A1 G1 D2 B2 F2 D3 F1 E1 C2 A2 E2 22 21 20 19 18 17 15 14 13 12 16 图2-1 44脚7106管脚排列 B3 E3 POL G3 C3 LB 2
9、3 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33F3 AB4 BP A3 G2第三章 万用表的电路原理及装配 3.1万用表的基本结构： 3.1.5 大规已模集成电路7106芯 片简介7106芯片是数字万用表的核心部 件，它已封装在每块印制电路板的上 端。采用单电源供电，电压范围宽， 一般规定为715V，常选用9V叠层电 池，消耗电流仅为1.8mA，功耗仅为 16mW。7106芯片有很高的输入阻抗，典 型值为10 10 ，对输入信号无衰减作用。 并且，外围电路简单，可直接驱动LCD 显示器。7106芯片目前有40个管脚和44个 管脚两种，其管脚功能基本相似。 11 10 9 8 7
10、 6 5 4 3 2 1B1 D1 OSC1 HOLD TEST DEEN 00C1 V + OSC2 OSC3 INTEN 7 1 0 6 7 1 0 6 7 1 0 6 7 1 0 6 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 V REF+ V REF- C REF+ C REF- COM INHI INLO A/Z BUF INT V- A1 G1 D2 B2 F2 D3 F1 E1 C2 A2 E2 22 21 20 19 18 17 15 14 13 12 16 图2-1 44脚7106管脚排列 B3 E3 POL G3 C3 LB 23 24 25 26 2
11、7 28 29 30 31 32 33F3 AB4 BP A3 G2第三章 万用表的电路原理及装配 3.2双积分A/D转换器的工作原理 图 2-1 40脚7106A/D转换器模拟电路框图第三章 万用表的电路原理及装配 3.2双积分A/D转换器的工作 原理A/D转换器模拟电路主要由积分器 缓冲器比较器模拟开关和基准 电压源组成。1.基准电压源由稳压二极管硅二 极管和电阻构成，它的作用是维持V+ 与公共端COM间的电压在2.82.9V， 而不受外电源变化的影响，以确保芯 片的正常工作。2.基准电压源又隔开了缓冲器与积 分器，用以提高7106芯片的输入阻抗 ，这样增大了带负载能力。图 2-1 44脚
12、7106A/D转换器模拟电路框图第三章 万用表的电路原理及装配 3.2双积分A/D转换器的工作 原理3.公共端COM的电位高于电源负 极46V，它与基准电压源之和即是外 电源的电压值。因此，外电源电压一 般不应低于7V，以确保万用表的正常 工作。4.万用表在进行测试的过程中， A/D转换器对每一次的测量都能自动 进行这样一个循环过程： 自动调零 信号计分（正向积分） 反向积分 图 2-1 44脚7106A/D转换器模拟电路框图第三章 万用表的电路原理及装配 3.2双积分A/D转换器的工作原理 3.2.1 A/D转换器循环过程： 1)自动调零 2)信号积分 3)反向积分 图 2-1 44脚710
13、6A/D转换器模拟电路框图第三章 万用表的电路原理及装配 3.2双积分A/D转换器的工作原理 3.2.1 A/D转换器循环过程： 1.自动调零缓冲器A1积分器A2比较器A3均为 集成运算放大器，不可避免地存在失 调电压，使测量结果产生误差。而在 自动调零阶段模拟开关S AZ 闭合（即积 分器不工作），其余的开关断开，意 味着测试信号没有进入，这时由失调 电压对自动调零电容C AZ 充电，当自动 调零阶段结束时，C AZ 上保持的电压与 总失调电压大小相等方向相反。也就 是在A/D转换运作之前互相抵消。即V in= 0时，数字万用表显示为0。同时，在这一阶段，基准电压源 还对基准电容C REF
14、进行反向充电，为 反向积分做准备。 图 2-1 44脚7106A/D转换器模拟电路框图第三章 万用表的电路原理及装配 3.2双积分A/D转换器的工作原理 3.2.1 A/D转换器循环过程： 2.信号积分自动调零阶段结束时，受逻辑电 路控制模拟开关S AZ 打开，S INT 闭合，也 就是积分器、比较器开始正常工作， 被测信号V in 通过缓冲器加到积分器的 输入端，在确定的时间T1内对V in 进行 正向积分（即定时积分）。被测电压V in 送至积分器在固定时 间T1内A/D转换器以 的斜率对Vin进行正向积分，表达式为） Cint int ( R 图 2-1 44脚7106A/D转换器模拟电
15、路框图 int) int /( C R V i n = = 1 2 1 0 int int int int T C R K V i n d t t t C R K V i n V 第三章 万用表的电路原理及装配 3.2双积分A/D转换器的工作 原理 3.2.1 A/D转换器循环过程： 3.反向积分正向积分结束时逻辑控制电路断 开K in 开关，并根据比较器输出电压的 极性作出判定后，将在自动调零阶段 已经对基准电容C REF 充好的基准电压 极性相反地送入积分器，进行反向积 分，经过时间T2积分器的输出又回到 零，反向积分结束。 其表达式为： 上式中R int ,C int ,V REF 都为
16、常数。 图2-2 双积分输出电压示意图 T 1 T 2 t 1 t 3 V INT 积分时间t t 2 积分电压 = = 0 int int int int 2 0 3 2 0 T C R K V V dt t t C R K V V R E F R E F 第三章 万用表的电路原理及装配 = R E F V V i n T T 1 2 = C P T N T 2 = V i n V T T N R E F C P 1第三章 万用表的电路原理及装配结论：等式左端的脉冲计数值N 与被测电压V in 成正比，并且通过正反 两次积分后实现了模拟量转换成数字 量。然后通过液晶显示器读出被测参 数值。第
17、三章 万用表的电路原理及装配当反向积分一结束，A/D转换器又 从自动校零阶段准备开始下一个转换 周期。也就是准备下一个参数的测量。7106芯片的每个测量周期规定为 4000个时钟周期。也就是由4000个计 数脉冲完成。那么每个测量周期也就 是从 这样一个循环是如何分配这4000 个时钟周期的？ 反向积分 自动调零 正向积分 T2 积分器输入 t T1 T2 积分器输出 t 定时器/计数器脉冲 N1 N2 N2 t 图23 双积分A/D转换器的信号波形图第三章 万用表的电路原理及装配首先，要确定的是正向积分的时间 T1是固定不变的，它需要1000个时钟 周期来完成。其次是反向积分的时间 T2是变
18、化的，它是根据被测参数的大 小而变化的。如果被测参数值大，那 么T2所需的计数脉冲就多，如果被测 参数值小，那么T2所分配的计数脉冲 就少。所以，反向积分所需计数脉冲 是在02000个计数脉冲之间变化。因 此，对于3 1 / 2 数字万用表液晶显示的 最大值是1999，而2000所对应的是满 量程值，显示为过载符号“1”。最后是自动调零时间，它是随反 向积分时间T2变化而变化。所以它需 要1033000个时钟周期，并且它必须 等上一次反向积分结束才能开始。 反向积分阶段 自动校 零阶段 正向积分阶段 1000计数 T1 T2 T2 02000个计数脉冲 1 2 3 1000计数脉冲 10003
19、000个 计数脉冲 7106芯片工作时钟周期分配示意图第三章 万用表的电路原理及装配 反向积分阶段 自动校 零阶段 正向积分阶段 1000计数 T1 T2 T2 02000个计数脉冲 1 2 3 1000计数脉冲 10003000个 计数脉冲 7106芯片工作时钟周期分配示意图第三章 万用表的电路原理及装配 3.3 万用表功能的扩展 3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 多量程的数字电压表 3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 多量程的数字电流表 3.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 多量程的数字欧姆表 3.3.4 3.3.4 3.3.4 3.3.4 二极管的测量
20、 3.3.5 3.3.5 3.3.5 3.3.5 三极管的测量第三章 万用表的电路原理及装配 3.3 万用表功能的扩展 3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 多量程的数字电压表在图3-1中，我们在基本表200mV电压表的基础上，利用电阻串联构成分压 原理，将输入端的被测电压 V in 通过串联电阻形成五个量程的数字电压表，由于 这五个量程所串联的电阻值不一样，而形成了五个档次的分压比，也叫衰减比， 他们分别是1， ，所对应的五个量程电压档分别是200mV， 2V，20V，200V，1000V 10000 1 1000 1 100 1 10 1 , , ,第三章 万用表的电路原理及装配
21、如果被测电压为交流电压时，要利用二极管整流器，先将交流换成直流然后 通过分压电阻在进行测量。同时分压器根据二极管办波整流后得到的平均值是有 效值的0.45倍来设计，所以液晶屏显示的读数是有效值。数字万用表的交流电压 有二个量程，就是200档和750档。3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 多量程的数字电流表在图3-2中，我们必须首先将测电流I in 流过电阻产生电压降，以此作为基本表 的输入电压，从而实现了将电流变量转换成电压变量，这样就可以显示被测电流 的大小。电流表有200A，2mA，20mA，200mA，10A五个量程。根据这五个满 量程时在电阻上的电压降，而分别得到各档的分流
22、电阻依次为： 1K、100、 10 、1和0.01。 第三章 万用表的电路原理及装配 图3-2 多量程直流电流测量电路 200 200 200 200 A A A A 2mA 2mA 2mA 2mA 20mA 20mA 20mA 20mA 200mA 200mA 200mA 200mA 10A 10A 10A 10A 200 200 200 200 A A A A 2mA 2mA 2mA 2mA 20mA 20mA 20mA 20mA 200mA 200mA 200mA 200mA 10A 10A 10A 10A 图3-2 多量程直流电流测量电路 200 200 200 200 A A A A
23、 2mA 2mA 2mA 2mA 20mA 20mA 20mA 20mA 200mA 200mA 200mA 200mA 10A 10A 10A 10A 图3-2 多量程直流电流测量电路 200 200 200 200 A A A A 2mA 2mA 2mA 2mA 20mA 20mA 20mA 20mA 200mA 200mA 200mA 200mA 10A 10A 10A 10A第三章 万用表的电路原理及装配 3.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 多量程的数字欧姆表在图3-3所示电路中，要实现对 被测电阻R X 的测量，在数字表中采用 比例法原理，利用7106芯片所必须 有的基准
24、电压源E 0 （一般2.82.9V） 对设定好的基准电阻R 0 （也就是R 1 、 R 2 、R 3 、R 4 、R 5 ）上产生的电压降V R0 作为基准电压，而在被测电阻R X 上产 生的电压降V in 作为输入电压，这两 个电压之比为： 在这个比例式中，因为电流相同， 所以输入电压与基准电压之比也就 是被测电阻R X 与基准电阻R 0 之比。 0 0 0 . . R R R I R I V V X X R I N = =第三章 万用表的电路原理及装配如果R X= R 0 则3 1 / 2 数字表的 显示值为1000，如果R X=2 R 0 ， 按理应该显示2000，但这是3 1 / 2
25、数字表的满量程值，所以在千 位上只能显示“1”，也就是超 出了测量范围。因此3 1 / 2 数字表 的最大显示值是：1999。我们 通过转换开关来改变基准电阻R 0 就构成了多量程的数字欧姆 表。第三章 万用表的电路原理及装配 3.3.4 3.3.4 3.3.4 3.3.4 二极管的测量数字万用表对二极管的测量必须将 开关置于二极管符号这一档，它所测 量的是二极管的正向压降。由于二极 管是由一个“PN”结构成，而“PN”存在” 结电阻“，所以它测量电路的原理同电 阻测量相同。就不在此重复。一般硅 二极管的正向压降在0.6V左右，锗二 极管的正向压降在0.3V左右。第三章 万用表的电路原理及装配
26、 3.3.5 3.3.5 3.3.5 3.3.5 三极管的测量数字万用表对三极管的测量 须将开关置于“h FE “符号这一 档，它所测量 的是二极管的电流 放大参数值,同时应当认真区分 是”NPN”硅管还是“PNP”锗 管。并且三极管三个引脚的极性 “发射极、基极、集电极即e、 b、c”一定要分清楚。第三章 万用表的电路原理及装配在图3-6中对被测三极管的测量。 是采用共发射极电路的接法，充分利 用三极管的特性来达到测量的目的， 根据三极管“h FE ”的计算方式： 我们调整基极电阻使Ib=10A，并且 将发射机电流流经7106芯片输入端 的取样电阻R0（R0设定为10）这 样就把发射机电流Ie转变成了基本表 所需要的电压变量Vin 。因三极管的 发射极电流Ie=Ic+Ib 而基极电流Ib又 远远小于集电电流Ic，为方便分析估 算，我们可以忽略基极电流不计。 (uA) b (uA) C I I h = F E第三章 万用表的电路原理及装配 0 0 0 R I h R I c R I e V b f e i n = = ) ( 1 . 0 ) ( 100 m V e h V e h V f f i n = =
