数字万用表的基本原理

数字万用表的基本原理

摘要：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。

万用表又叫多用表、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、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电流、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。

本文通过对胜利9806+型号万用表的学习，了解了胜利9806+万用表的特性、组成以及工作原理。掌握了分压分流电路的计算和连接。

关键词：数字万用表、工作原理、分压分流

0引言

数字万用表亦称数字多用表，简称DMM(Digtial Multimeter)。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。

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：

(1)高准确度和高分辨力

(2)测电压时具有高的输入阻抗

(3)测量速率快

(4)自动判别极性

(5)全部测量实现数字直读

(6)自动调零

(7)抗过载能力强

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。

(2)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，导致用旧以后换档不可靠。

(3)一般万用表的V/Ω档公用一个表笔插孔，而A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误或仪表损坏。2数字万用表的基本组成

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，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,它将A/D 转换器与能够直接驱动显示器的显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,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。数字电压表是数字万用表的核心，A/D转换器是数字电压表的核心，不同的A/D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、交直流电流以及测量电阻，其基本组成如下图1

所示。

图1数字万用表的基本组成2.1模数模数(A/D)(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(大小)连续变化的所谓模拟量(模拟信号)。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(通常是电压信号)转换成数字信号，再进行显示和处理(如存储、传输、打印、运算等)。

数字信号与模拟信号不同，其幅值(大小)是不连续的。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位(量化台阶)为?，则数字信号的大小一定是?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，需经过数码变换(译码)后由数码管或液晶屏显示出来。

例如，设?=0.1mV ，我们把被测电压U 与?比较，看U 是?的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N (二进制)。一般情况下，N ≥1000即可满足测量精度要求(量化误差≤1/1000=0.1%)。最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半(3_1/2)数字表。

对上述情况，我们把小数点定在最末位之前，显示出来的就是以mV 为单位的被测电压U 的大小。如：U 是?(0.1mV)的1234倍，即N=1234，显示结果为123.4mV 。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-199.9～199.9mV 的电压，显示精度为0.1mV 。

由上可见，数字测量仪表的核心是模数(A/D)转换、译码显示电路。A/D 转换一般又可分为量化、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A/D 转换译码驱动集成电路和外围元件、LCD 数码管构成。主要芯片为ICL7129。

运用ICL7129制作LCD 液晶显示4_1/2数字电压表头如图2

所示，具有非常高性能。

图24_1/2数字电压表头

ICL7129的主要特点：

(1)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LCD 显示器(芯片带小数点驱动端)，最大显示值为土19999。其性能优于国内普遍使用的ICL7135型4_1/2位A/D 转换器，外围电路亦比ICL7135大为简化，适于制作高准确度4_1/2位数字电压表及数字多用表。

(2)ICL7129在积分电路上作了重大改进，采用了逐次(多重)积分、数字调零等先进技术，使其准确度达土0.005%(对应于满量程时的土4个字)，共模抑制比CMRR 亦提高到11dB 。

(3)专门设有10:1量程输入端，基本量程可选挥±200mV 或±2V ，最高分辨力达10uV ，比ICL7135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、标志符驱动等多种信号。

(5)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1:6次/S ，通常取2次/S 左右。

(6)采用单电源供电，微功耗。电源电压允许范围是6~12V(极限值为15V)。通常选9V 叠层电池供电，工作电流为1mA ．典型功耗约9mW 。工作温度范围是0～70℃。

2.2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2所示，U 0为电压表头的量程(为200mV)，r 为其内阻(如10m Ω)，1r 、2r 为分压电阻，U 10

为扩展后的量程。

图2

分压电路原理

图3多量程分压器原理

由于r 1>>r 2，所以分压比为

2

12

00r r r

U U i +=扩展后的量程为

02

2

10U r r r U i +=

多量程分压器原理电路见图3，5档量程的分压比分别为1、0.1、0.01、0.001和0.0001，对应的量程分别为2000V 、200V 、20V 、2V 和200mV 。

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。

图4实用分压器电路

例如：其中200V 档的分压比为

001

.010*********==+++++M

k

R R R R R R R 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

M

R R R R R R 1054321=++++＝总再计算2000V 档的电阻

K

R R 10001.05＝总=再逐档计算4R 、5R 、2R 、1R 。

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，使用者可方便地直读出测量结果。

2.3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压，再进行测量。如图5，由于r<

i i U I R =即被测电流i

i U I R

=

。

图5

电流测量原理

图6多量程分流器电路

若数字表头的电压量程为U 0，欲使电流档量程为I 0，则该档的取样电阻(也称分流电阻)为

U R I =

如U 0=200mV ，则I 0=200mA 档的分流电阻为1R =?。

多量程分流器原理电路见图6。图6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7所示。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R 5

)(1.02

2

.050?===

m s I U R 再计算下一档的R 4

)(9.01.02

.02.05404?=?=?=

R I U R m 依次可计算出R 5、R 2和R 1

。

图7实用分流器电路

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D 1、D 2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。2.4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8

为其原理简图。

图8AC-DC 变换器原理简图

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。

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700V(有效值)。

2.5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9

。

图9电阻测量原理

由稳压管ZD 提供测量基准电压，流过标准电阻R 0和被测电阻R x 的电流基本相等(数字表头的输入阻抗很高，其取用的电流可忽略不计)。所以A/D 转换器的参考电压U REF 和输入电压U IN 有如下关系：

x

IN REF R R U U 0

=即

R U U

R REF

IN x =根据所用A/D 转换器的特性可知，数字表显示的是U IN 与U REF 的比值，当U IN =U REF 时显示“1000”，U IN =0.5U REF 时显示“500”，以此类推。所以，当R x =R 0时，表头将显示“1000”，当R x =0.5R 0时显示“500”，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。

如对200?档，取R 01=1000Ω，小数点定在十位上。当R x =100?时，表头就会显示出100.0Ω。当R x 变化时，显示值相应变化，可以从0.1Ω测到199.9Ω。

又如对2k Ω档，取R 02=1k Ω，小数点定在千位上。当R x 变化时，显示值相应变化，可以从0.001k Ω测到1.999k Ω。

其余各档道理相同。

数字万用表多量程电阻档电路见图10

。

图10电阻测量电路

由上分析可知，

101202013030210010001009001019R R R R R R R R k k k

==?

=?=?=Β?=?=?=……

图10中由正温度系数(PTC)热敏电阻Rt 与晶体管T 组成了过压保护电路，以防误用电阻档去测高电压时损坏集成电路。当误测高电压时，晶体管T 发射极将击穿从而限制了输入电压的升高。同时Rt 随着电流的增加而发热，其阻值迅速增大，从而限制了电流的增加，使T 的击穿电流不超过允许范围。即T 只是处于软击穿状态，不会损坏，一旦解除误操作，Rt 和T 都能恢复正常。3结论

数字式万用表内部采用了多种振荡，放大，分频，保护等电路，所以功能较多，比如可以测量频率(在一个较低的范围)，电容,电感.或做信号发生器等等。由于内部结构多用集成电路所以过载能力较差.(不过现在有些已能自动换档.自动保护等.但使用较复杂).损坏后一般也不易修复。数字式万用表输出电压较低(通常不超过1V).对于一些电压特性特殊的元件的测试不便(如,可控硅,发光二极管等)，由于数字万用表的测量范围很大，广泛应用于工业

领域。

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