数字万用表设计性实验仪

数字万用表设计性实验

一、实验内容：

1）制作量程200mA的微安表（表头）； 2）设计制作多量程直流电压表； 3）设计制作多量程直流电流表；

二、实验仪器：

WS-I数字万用表设计性实验仪 三位半数字万用表

三、实验原理

1.数字万用表的组成

数字万用表的组成见图1。

过压过流保护 分压器 交流直流变换器 被测量输入 电流 电阻 电压 直流 分流器 交流 过压过流保护 分档电阻 基准电压 模/数转换，译码驱动 小数点驱动 数字显示屏（LED或液晶）

图1 数字万用表的组成

数字万用表其核心是一个三位半数字表头，它由数字表专用A/D转换译码驱动集成电路和外围元件、LED数码管构成。该表头有7个输入端，包括2个测量电压输入端(IN+、IN-)、2个基准电压输入端(VREF+、VREF-)和3个小数点驱动输入端。

2.直流数字电压表头

“三位半数字表头”电路单元的功能:将输入的两个模拟电压转换成数字，并将两数字进行比较，将结果在显示屏上显示出来。利用这个功能，将其中的一个电压输入作为公认的基准，另一个作为待测量电压，这样就和所有量具或仪器的测量原理一样，能够对电压进行测量了。见图2。

标准表 三位半数字表头 IN+ IN- dp1 dp2 dp3 VREF+ VREF- 接动片1 直流电 压校准 1K 9K 分压器 直流电压 图1 200mV(199.9mV)直流数字电压表头及校准电路

3.多量程直流数字电压表

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3所示，U0为电压表头的量程(如200mV)，r为其内阻(如10MΩ)，r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。

0～Ui0

r2 r1

0～U0 IN+ 数字电压表 r IN-

Ui 1K 9K 1IN+ 数字电压表头 IN- 图3 分压电路原理 图4多量程分压器原理电路

多量程分压器原理电路见图4。

图5 实用分压器电路

Ui R1 R2 R3 R4 R5 1M 900K 909K 1K IN+ 数字电压表头

IN-

动 片 2

采用图4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档电路为图5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。 4. 多量程直流数字电流表

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6。由于r>>R，取样电阻R上的电压降为Ui?RIi 即被测电流为 Ii?Ui/R，多量程分流器电路原理见图7。

图6 电流测量原理 图7 多量程分流器电路 Ii IN+ R 数字电压表 r IN- 0.1 Ui

Ii IN+ 1K 数字电压表IN- 图7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8所示。 图中的BX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0.7V，二极管立即导通，两端电压被限制住(小于0.7V)，保护仪表不被损坏。

用2A档测量时，若发现电流大于1A时，应不使测量时间超过20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。

图8实用分压器电路

D1 D2 BX 动 片 2 R1 R2 R3 R4 R5 900 90 9 0.9 0.1 Ui IN+ 数字电压表头 IN- 四、实验步骤

1. 制作200mV(199.9mV)直流数字电压表头并校准

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。 按图2接线，参考电压VREF输入端接直流电压校准电位器，左数第三位小数点dp3接到多量程直流数字电压表的小数点控制电路量程转换单元的“动片1”插孔以获得一位小数显示。利用待测直流电压源和分压电阻获得150mV左右的校准电压，把一只成品数字万用表(称为标准表)置于直流电压200mV档与表头输入端并联，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)。然后保留虚线框内的线路，拆去其余部分即可。

2. 制作多量程直流数字电压表

（1）扩展电压表头成为多量程直流电压表。

按图5接线，“动片2”作为量程转换开关，“动片1”作为控制小数点显示的开关。 （2）用自制电压表测直流电压

测量WS-1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U改装的大小和极性，分别测出对应的标准电压U标准，数据填入记录表格。 3. 制作多量程直流数字电流表 （1）制成多量程直流数字电流表

使用电路单元：三位半数字表头，直流电压校准，分流器1或分流器2，电流档保护电

路，量程转换与测量输入。按图8接线，“动片2”作为量程转换开关，“动片1”作为控制小数点显示的开关。

（2）用自制电流表测直流电流

测LED的电流：将自制电流表和标准电流表串接在待测直流电流Ⅰ电路中，调节电位器可观察到电流I改装的大小、极性的变化以及LED发光情况的相应变化，改变I改装(从-5.00mA到+5.00mA，每隔1.00mA测一次)，分别测出I标准。数据填入表格。

五、数据记录及数据处理

1. 测直流电压 U改 U标 ΔU 以U改为横轴，ΔU＝U改－U标为纵轴，在坐标纸上作校正曲线(注意：校正曲线为折线，即将相邻两点用直线连接)。

2. 测直流电流

I改 I标 ΔI 以I改为横轴，ΔI=I改－I标为纵轴，在坐标纸上作校正曲线。

六、注意事项

1. 实验时应当“先接线，再加电；先断电，再拆线”，加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档或电阻档测量电压，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档或减小(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。 5. 特别要注意低电位的接地。

七、思考题：

1） 直流数字电压表头如何制作？

提示：见教材

2） 试述实用分流电路中BX、D1、D2的作用。

提示：见教材

3） 本实验中dp1、dp2、dp3的选择对实际电压或者电流是否有影响？

提示：无影响。dp1、dp2、dp3的选择只是用来配合量程获取小数点的位置。

4） 制作多量程直流电压表，需用到哪些电路单元？

提示：见教材

5） 制作多量程直流电流表，需用到哪些电路单元？

提示：见教材

6）以电流表的改装为例说明校正曲线的物理意义。

提示：在改装电流表的校正试验中，不可能不间断地测量连续的点，而只能进行有限个点的测量，相邻的两点之间近似认为按线性变化，因此校正曲线是一条折线。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gky2.html