数字万用表原理图

数字万用表原理图

1.数字万用表工作框图

集成芯片7106B是一个集成A/D与显示驱动相关逻辑电路的大规模集成电路，可以实现直流电压表功能。而9205型数字万用表是在由7106B构成的直流数字电压表的基础上扩展而成的。直流数字电压表的简单原理如图1右部所示，主要由模—数（A/D）转换器、计数器、译码显示器和控制器等组成。在此基础上，利用交流—直流（AC—DC）转换器、电压—电流（I—V）转换器、电阻—电压（Ω—V）转换器、晶体管β值—电压（β—V）转换器、电容—电压（C—V）转换器，就可以把被测物理量转换成直流电压信号，从而实现9205型数字万用表各项功能。

A/D转换器的每个测量周期分自动调零、信号积分和反向积分三个阶段。

基本直流电压表的最大输入电压为200mV。显示屏由四个大数字、三个小数点和负号组成。当基本直流电压表输入为200mV时，四个大数字显示为2000。配以小数点和负号，可实现所需要的各种显示。

图 1 数字万用表原理框图

2.芯片简介

7106B芯片引脚图以及基本外围电路（构成数字电压表的典型接线）如图2所示，其中：正负电源：1脚V P，正电源，标称电压2 .8V；27脚V N，标称电压为－6N。

数码显示驱动，2~25脚。其中：a1~g1、a2~g2、a3~g3：分别是个位、十位、百位七段数码显示驱动信号。ab4：千位驱动信号，溢出时，千位显示，其他不显示。pol：负号显示。BP/GND：液晶显示器背面公共电极的驱动，简称“背电极”。波形均为50Hz方波。例如，根据a1与BP电平异或来决定个位顶部液晶段显示与否。

38~40脚OSC1~OSC3：时钟振荡器，振荡频率40kHz。

33脚COMMON：模拟信号公共端，简称“模拟地”。与输入信号、基准电压负端相连。

37脚V ref+：基准电压高电平，简称“基准＋”，通常采用内部基准电压。

36脚V ref-：基准电压低电平，简称“基准－”。

34、35脚C ref＋、C ref－：外界基准电容端，表现为低频小振幅方波。

32、31脚IN＋、IN－：模拟量输入端。

30脚A-Z：积分器和比较器反相输入端，接自动调零电容C AZ。

29脚BUF：缓冲放大器的输出端，接积分电阻R INT。

28脚INT：积分器输出点，接积分电容C INT。

32脚是电压信号送入端，通常可通过测量该脚信号幅度判定电路故障是基本电压表故障

还是拨盘以前的物理量转换电路故障。

图3 液晶显示驱动信号电极分布图液晶显示驱动信号电极分布如图3。

3.各功能模块原理图

1）小数点电路

小数点电路如图4。小数点电路是拨盘开关

（中心两圈，远离拨盘箭头）将3V电压送给小

数点显示驱动电极，R64接通时小数点200显示，

R50接通时小数点20显示，R52接通时小数点2

显示。

若焊接时不小心其中两点短路，或将其中一

点与电池负极短路，则会引起接通电源后若干个

小数点同时显示，或某特定小数点应该显示时由于短路而自动关机保护。图 4 小数点电路

图2 7106B引脚定义与基本外围电路图

2）直流电源电路

图 5 直流电源电压变换电路

直流电源电路如图5，它的功能是上电后约15分钟自动关闭电源。其原理可试述如下。当按下电源按钮后，人的反应时间使按钮至少将电池正极与电容C20的正极接通几十毫秒，然后断开，C20上的初始电压约为 2.8V。其后，C20经电阻R8放电，放电的时间常数为T=R8C20=470s，放电的起始电压约为2.8V，终止电压约为-6V，C20的正端与运放N3A1的正向输入端相连。另外，由R67、R69组成的分压器使运放N3A1的反向输入端约为-4.38V。所以上电后，运放N3A1输出高电平，约为2.8V。该电压使三极管V19导通，从而使三极管V18导通，整个直流电源正常供电。容易算得，约经过805s，约13.4分钟，C20上的电压降到了-4.38V，其后，运放N3A1输出低电平，约为-6V，V19截止，V18截止，直流电源被关断。所以在该万用表的说明书中称：上电后约15分钟后自动断电。

另外，在整个万用表电路中，有正电源Vp和负电源V N。该功能是由7106实现的。7106的V P相对于7106的COM端，标称电压为2.8V。若图5中V18的压降为0.2V，则负电源为－6V。实际上，7106只需要9V直流单电源供电，LM324也可用单电源供电，将直流电源分为正、负电源，且使V p为2.8V，是为了做电压比较测量。在万用表中，电阻测量就是用这个功能来实现的。

本万用表的直流功耗约为200mW。

3）直流电压测量电路

直流电压测量电路如图6。输入电压经过精密电阻R1~R5分压、低通滤波器R58、C18

图 6 直流电压测量电路

滤波后，送至7106B电压测量输入端32脚，经电压测量显示电路，显现出数据。R1电阻由

4个2.25M 电阻串接而成，确保测量高电压时不被击穿。

若200mV 档测量正确，其他档测量误差较大时，应检查是否R 1~R 5阻值不准引起的分压误差。

4） 直流电流测量电路

直流电流两电路如图7，为电流-电压转换器。电流-电压转换器由电阻R 41、R 40、R 39、R 36和锰铜丝组成。该电路的功能是让被测直流电流通过小阻值的电阻，将电流转换为电压，再测量电压。

小电流档输入端串有快速熔丝管作过流保护，并有硅二极管V 8、V 9接成双向限幅电路，作为过压保护。20A 档为电阻较小的锰铜丝制成，以便能通过较大电流。

若小电流测量档不工作，而大电流档工作正常，则可检查快速熔丝管是否熔断。 由本电路可知，当万用表用做电流表时，其内阻不是0。当选2mA 档时，其内阻为100Ω。

5） 交流电压测量电路

交流电压测量电路如图8。交流电压测量电路是非线性电路。可将其分为四部分：输入分压电路，如图8，R 1～R 5；输出稳定电路，如图8，R 11、R 12、C 5、C 3、V 1；由运放N2A2、C 2、C 4、V 2、V 3、R 10、R 13、R 16、R 17基本整流电路，如图9左侧的电路；低通滤波电路，如图9右侧的R 14、C 6。

如图9，若输入为正弦波，在正半周，V 2导通，V 3截止，等效电路如图10（a ），交流放大倍数可估计为

58.29

.13

111716131≈+++

=R R R A （1）

当输入正弦波的幅值为141.4mV 时，输出V 1P 的幅值应为 364.7mV ，仿真的结果如图11。

在负半周，V 2截止，V 3导通，等效电路如图10（b ），交流放大倍数可估计为1，输出V 1N 的幅值应为 141.4mV 仿真的结果如图11。检波器的输出为V 1=V 1P －V 1N ，为半波整流波形，幅值为223.3mV ，其中的直流分量可估计为70.7mV 。

V 1的直流分量在C 6上建立直流电压后，使检波器输出端产生正的直流电压，使图9（a ）中的V 1向上移动，移动多少与滤波器负载有关。在图9中，若将检波器输出与滤波器输入相连，则滤波器输出正好为 100mV 。

在图8所示的电路中，由于有运放，所以， V 2、V 3 的门限电压几乎为0+。

由以上分析可知，在按装好交流电压测量电路后，必须调整可变电阻R 17。调整的方法建议如下。将万用表置于交流电压200mV 档，输入有效值为100mV 的正弦波，调整R 17，

图 7 直流电流测量电路

使万用表显示尽可能为100mV。

图8交流电压测量电路

图9 检波与低通滤波电路

（a）正半周等效电路（b）负半周等效电路

图10

图11 检波电路输出

6）交流电流测量电路

把交流电压中的分压器改成电流-电压变换器，就构成了交流数字电流表，原理参见交流电压和直流电流部分。

7）200Ω～20MΩ电阻测量电路

图12 200Ω～20MΩ电阻测量电路

电阻测量电路如图12，该电路利用7106中的参考电压，实现电阻的比例测量。

由电阻R15、V5产生基准电压V RO，为二极管V5的门限电压，约为0.6V ，该电压被送入7106的V ref+端，同时加在基准电阻上。若选200Ω档，被选中的电阻是R48，这里称被选

中的电阻R 48为基准电阻；若选2k Ω档，被选中的电阻是R 48+R 5，这里称被选中的电阻R 48+R 5为基准电阻。R 42为热敏电阻，在该输入端接电阻时，其可近似为短路。正常测量时，流经基准电阻的电流，也流过被测电阻R x ，7106测量R x 上的电压为V x ，显示测量电压V x 与基准电压V RO 的比值

48

48R R

I R I R V V x x RO x =??==

比值 再配以小数点，就显示出100.0。

R 42、V 12为保护电路。若万用表置于电阻测量档，而用其测量AC220V 电压，这时V 12

发射极被反向击穿，变成稳压管，稳定电压约6V ，即V ref+与V ref-之间的电压不超过6V ，从而保护了7106。由于电流较大，使热敏电阻R 42的阻值迅速增大，限制了流过V 12的电流，保护了V 12。当外电压撤去后，V 12可恢复。

（注：此次使用的印刷电路板R 46接线与图12不一样，两端互换了。其结果是：2k Ω档测量值变大）

8） 200M Ω电阻测量电路

图13 200M Ω档电阻测量电路

当被测电阻阻值很大时，电路将引入较大共模干扰，所以，测量阻值大于20M Ω电阻的电阻使用图12所示电路。

该电路的基准电阻是固定的，为R 63。基准电压V R0也是固定的，忽略R 24，则基准电压为

P x

R V R R R V +≈

6363

0 （2）

由于R x >20M Ω，所以有R X >>R 63，（2）式中的R 63可忽略。测量输入分压器输入电压为

P IN V R R R V 62

6161

+=

（3）

由（2）、（3）式可解出

Ω==+=

M V V

R V V V V R R R R R R IN R IN R IN x 0

630061626163100100)( （4）

再配以小数点，就显示出所需要的电阻值。

200Ω～20M Ω电路在被测电阻为0时应显示0；200M Ω的电路在被测电阻为0时显示不为0，由（2）式可知V R0=V P ，代入（3）式可知，应显示1.0 。

9） 电容测量电路

电容测量电路如图14所示。它由一片LM324和电阻、电容、二极管组成，可分为四级。 第一级由C 10、C 11、R 34、R 35、R 37、R 38和一个N3A3运放组成，为文氏振荡器。由于其负反馈放大倍数A 1F =1+R 35/R 34>3，且没有自动稳幅功能，所以其输出为被限幅的“正弦波”，近似为方波。输出的基频为f=1/2πR 38C 11≈406Hz 。

第二级由R 31、R 32、R 33和一个运放N3A4组成，为可调衰减器，用于调整整个电路放大量。本级的放大量为A 2=－（R 31+R 32）/R 33≈－(0.02～0.04)。其输出近似为方波，幅值为

图 14电容测量电路

几十至一百几十 mV ，可通过调整R 31改变输出的幅值。

第三级由四个二极管V 7、V 8、V 10、V 11、五个电阻R 23、R 24 、R 25、R 26 、R 27、一个波段开关、一个被测电容插座和一个运放N3A1组成，为有源微分电路。二极管的作用是使来自第二级的电压波形进一步趋向方波。其输出

dt

dV C R V o x

n o

2

3-≈ （5） 其中，R n 为由波段开关选中的电阻，Cx 为待测电容，V o2为第二级的输出，V o3为第三级的输出，这里取等号是因为在上式中未计及四个二极管的作用。由上式可见，第三级的输出电压与被测电容的电容量成线性关系。

第四级由C 9、C 22、R 28、R 29、R 30和一个运放N3A2组成，为有源二阶带通滤波器。其传递函数为

220

22

930292829

2822930229222

283441

)

()

()(n

n n

o o s Q

s s Q

A C C R R R R R s C C R C C s s C R s V s V s A ω+ω

+ω-

=++

++-==

（6）

其中，V o3为第三级的输出，V o4为第四级的输出，通带中心频率f n =ωn /2π≈396Hz ，通带中心频率f n 处的增益A 0≈1.11，品质因数Q ≈2.09。经选频后，第四级的输出V o4近似为频率为方 400Hz 的正弦波，其最大有效值不超过200mV 。该正弦波被送到交流电压测量电路的输入端，交流电压测量电路的测量档位为200mV 档。

由于第二级中，固定电阻为200Ω，可变电阻也为200Ω，所以在安装好本级电路后，必须调整可变电阻R 31。建议用以下方方法：用专门测量电容的电桥测量一个标称容量为100nF 或1μF 的电容，记下测量值；再将该电容插入要调整的电容测量电路，调整可变电阻R 31，使显示的电容值与用专门测量电容的电桥测量到的数值一致即可。

通常， 9205这样的数字万用表测电容误差较大。若实验者有兴趣，按上述的分级逐级测量各级的输入输出波形，不难发现波形并非如上所述，可能有畸变，也可能有振荡。这是为什么？如何改进？作为思考题，留给实验者。

10） 蜂鸣器

蜂鸣器电路如图15，可分为两部分：V 14左侧的为控制电路，V 14右侧的为振荡器。 由运放N2A4等元件组成振荡器。在运放N2A3输出高电平时，二极管V4导通，运放N2A4的反向输入端被置高，振荡器停振，输出为低电平，约为-6V ，蜂鸣器两端电压几乎相等，所以蜂鸣器不响，LED 不亮。

在N2A3输出低电平时，二极管V4截止，运放N2A4的反相输入端与N2A3的输出端被断开，N2A4的反向输入端被置高，振荡器起振，输出方波，方波周期和基波频率可估计为

kHz f s R R C R T 55.4220)2

1ln(28

9

77≈μ≈+= （7）

由于该振荡器没有限幅电路，所以输出的高电平接近运放的正偏置电压，2.8V ，输出的低电平接近运放的负偏置电压，所以蜂鸣器鸣叫，LED 亮。

当红表笔悬空时，按图15可以估算，电阻R 45、R 54、 R 53、 R 57组成分压器，使运放N2A3正向输入端约为2.8V ；电阻R 21、 R 22也组成分压器，使运放N2A3反向输入端电压约为41mV ；所以运放N2A3输出高电平，约为3V 。这使得二极管V4导通，运放N2A4的反相输入端被置高，由N2A4组成的振荡器停振。与此同时，电阻R 45、R 54、 R 53、 R 57组成分压器，使7106的PIN32的电压接近300mV ，基本电压表输入过载，显示屏显示1。

当红表笔接地时，按图15可以估算，运放N2A3正向输入端约为0V ；电阻R 21、 R 22

组成分压器，仍使运放N2A3反向输入端电压约为41mV ，该电压远远超过了运放输入端可能出现的直流输入失调电压；所以运放N2A3输出低电平，约为-6V 。这使得二极管V4截止，由N2A4组成的振荡器振荡，蜂鸣器鸣叫，LED 亮。与此同时，电阻R 45、R 54、 R 53、 R 57组成分压器，使7106的PIN32的电压为0，基本电压表输入为0，显示屏显示0。

11） 晶体管β值测量电路

以NPN 档为例，电路如图 16 所示。采用共发射极接法，固定偏置电阻为R 19，基极电流I B 可估计为

A k

V

V R V V I BE P B μ=-≈-=

102206.08.219 （8）

h FE 的计算公式为

B C FE I I h /= （9）

图中的R 18是取样电阻，起到I-V 转换器的作用，把发射极电流I E 转变成仪表的输入电压V IN 。

I E ≈I C ，所以

181818R I h R I R I V B FE C E IN =≈= （10）

将（8）式、R 18=10Ω代入得

)(1.0)(100mV h V h V FE FE IN =μ= (11)

在数值上

IN FE V h 10= (12)

V IN 的单位取mV 。因此可以利用200mV 量程测h FE ， 但应去掉小数点，即可显示出被测三极管的h FE ，量 程为0~1000。去掉小数点后，V IN 的单位是0.1mV ， 公式变成

IN FE V h (13)

对于PNP 档，只需改变电源电压的极性，并将取样电阻R 移到集电极上即可。

记号的R17、R31、R47是电位器。1/8W 和1/2W 表示功率，没有标注的为1/4W 。

* 电容选取注意电容类型。

*二极管使用前注意测量极性。

5.

6.焊接要点

●清洁处理

凡需要焊接的部位都需要清洁处理，去掉氧化层，露出新的表面，随即涂上焊剂和沾上锡。它是焊接质量的基本保证。如清洁工作不彻底，即使勉强把焊锡“糊”上，而结果将形成虚焊。

凡是铜质物的表面可用刀刮或砂纸擦净。对很细的导线，可将其用沾锡烙铁按在有松香的木板上，边烫边轻压，直至导线吃上锡。

大多数晶体管和集成电路的管脚镀有金、锡等薄层，以便焊接，但存放时间过长，也要清洁处理。因管脚一般是铁镍鉻合金，与管脚面材料的热胀系数相同，本身不易焊接，清洁处理时不能将镀层刮去，否则难焊或易造成虚焊。清洁处理可用橡皮擦亮，无效时适当使用焊膏。

●掌握焊接温度

烙铁温度偏低，焊锡流动性差，易凝固，焊锡不能充分熔化，焊剂作用不能充分发挥，焊点不光洁、不牢固，易成虚焊。温度过高，焊锡容易淌滴，焊点上存不住锡，还可能将焊锡附着临近导体引起短路。所以，应根据元器件大小选用功率合适的电烙铁，适当调节烙铁头的长度，掌握烙铁加热时间，使温度合适，能很快将锡熔化。

●控制焊接时间

把带有焊锡的烙铁头轻轻压在焊接处，使被焊物加热，适当停留一会儿，当看到被焊处的焊锡全部熔化，或焊锡从烙铁头上自动流到被焊物上时，即可移开烙铁头，留下一个光亮圆滑的焊点。若移开烙铁后，被焊处沾不上焊锡或沾上很少，则说明加热时间太短，或被焊物清洁处理不好。若移开烙铁前焊锡下淌，则为焊接时间过长。

焊接时烙铁头和被焊处要有一定接触面积，切勿成点接触，不易传热。可先将烙铁头沾些松香再置于焊点处。

焊接时间过长，易烫坏元器件或使印刷电路板的铜箔跷起。一次未焊好，应稍停片刻再焊。

焊接时不可将烙铁头来回移动，不要过分用力下压，更不要像涂浆糊似的多次涂焊。

●上锡适量

根据焊点的大小来决定烙铁蘸取的锡量，使焊锡能正好包住被焊物，形成一个引线轮廓隐约可见的圆滑焊点。焊锡量不宜过少，以免焊接不牢或容易脱开，如果一次上锡量不够，可再补焊，但须待前次上的锡一同被熔化之后才移开烙铁。初学者会像堆沙堆一样往上加焊锡，结果焊锡用了很多，焊接质量极差，有的虚焊，有的还焊不上。

●防止抖动

焊接时，被焊物应扶稳夹牢，尤其在移开烙铁后的焊锡凝固期不可抖动，否则焊点成豆腐渣一样，容易形成虚焊。

●先热后焊法

常用的焊接次序是先让烙铁头蘸锡，再蘸上松香，然后迅速进行焊接。而对于已固定的元器件，特别是集成电路及其插座，可先将烙铁头置于焊接处，经1-2秒钟后，即把低熔点焊锡丝紧靠烙铁头，使适量焊锡熔化到被焊物上，立即移开焊锡丝和烙铁。

●焊后检查

焊后从外观检查焊点是否光滑美观，焊点不能呈凹陷状。

焊接时切忌将引线弯成90°以后焊接，因为即使虚焊也难以检查。

检查时可用手或镊子夹住元器件引线，稍用一点力拉动，由手感是否松动或拉脱来判断，但应注意切勿用力过大过猛。

●电路焊接次序

初学电路焊接，为防止错焊和漏焊，应从电路输入到输出，或相反方向逐级进行。对同级电路，先焊小型元件和细导线，后焊大型元件和晶体管。这样可避免小型元件固定困难和焊接不便，又不会烫到大型元件和晶体管。有特殊要求的，根据其具体特点，确定焊接时间，比如蜂鸣器发光二级管的焊接，要考虑到高度定位。通常在最后焊接。

●安全操作

实验室内仪器甚多，电源线和联接线更多，应防止烙铁烫坏各类物品，特别是220V电源线，以免造成事故。烙铁应置于烙铁筒内，切勿直接置于桌面上，特别是暂时不焊时更应如此。离开工作场所，拔下烙铁电源插头，待其冷却后收藏。

不要任意甩烙铁上的焊锡，以免烫伤或损坏衣物，尤其是内热式烙铁头，没有专用紧固件，容易脱落，更不能任意甩锡。

烙铁电源线和外壳间绝缘电阻应超过100兆欧，使用接地的三脚电源插头则更安全。

7.机械装配

拨盘装配如图17所示，安装顺序如下：

需先将V形的59V簧依照1、3、4、6、9的顺序装入波浪转盘的簧槽，59V簧在安装好后的作用是让转盘下的PCB板上的铜膜圈按照指定的目的连通，比如1位簧是用来选择量程档的，6位簧是选择显示小数点的；59V簧安装不正确会引起不测量或测量不正确，严

重时会引起电源短路。

再将波浪转盘套入拨盘固定架，安装旋转簧和旋转弹珠，弹簧将旋转弹珠压入转盘的波浪槽，确保拨盘转动时能够拨档选择。安装旋转簧和旋转弹珠时要小心，避免旋转簧和旋转弹珠弹飞。

安装定位钉时，定位钉圆平面贴近旋转弹簧，钉尖插入PCB板上的固定架定位孔。固定架安装到PCB板的时候注意握住固定架，而不是波浪转盘，以免转盘和固定架分离、弹簧与弹珠掉出。

螺栓从PCB板背面定位孔插入，定位架上有四个内六角孔，放入六角螺母，拧紧螺栓，六角螺帽放入内六角孔便于装卸。

59V的安装没有方向性，安装拨盘手柄时，注意拨盘手柄安装方向即可。

屏幕安装可以分为三个部分，一是液晶屏显示头的安装，二是PCB板上的扁平塑料电缆的安装，三是液晶屏显示头的固定（图18）。具体安装要求如下：

有机玻璃面板边缘有台阶，注意面板安装的方向。

液晶屏侧面有一个耳凸起，该耳凸和液晶显示的符号位相邻，安装时，屏朝下，耳凸在右。

压条安装先于导电橡胶，注意方向，压条可以保证液晶屏和导电橡胶的定位。

导电橡胶黑色为导电材料，一面接液晶片边缘信号输入面，一面接扁平塑料电缆，仔细观察可以看到黑色导电物质成片状。屏幕使用导电橡胶宽度3毫米。

扁平塑料电缆由三层塑料构成，一层是保护层，另两层涂有黑色线状导电物质，黑色导电物质涂层除了与导电橡胶相接触的位置以外，其他部位均有保护涂层。中间孔是液晶屏显示头的螺丝孔，靠边的孔是连接PCB板的螺丝孔。

液晶片信号输入面、导电橡胶、扁平塑料电缆要对齐，不对齐，会导致显示不正常。

后盖板安装时，要注意导电橡胶不倒伏，自攻螺丝要拧紧，安装过松，可能会有部分笔画不显示或显示乱跳。

导电橡胶槽片光滑面面向扁平塑料电缆。

PCB板的扁平电缆接口导电橡胶宽度4.5毫米。

导电橡胶压片光滑面面向扁平塑料电缆。

螺栓从PCB板底部送入，六角螺帽放入导电橡胶压片上内六角孔，便于装卸。螺栓螺母要拧紧。安装过松，可能会有部分笔画不显示或显示乱跳。

安装全过程要注意清洁，不仅包括避免污迹影响美观，尤其是液晶屏的信号输入面、导电橡胶的导电接触面、扁平电缆等。

第三步骤摇头定位的安装，建议在万用表功能调试完成后进行。

将2个支架插入PCB板，摇头轴相对，旋上自攻螺丝，自攻螺丝不可拧紧。

将摇头步进齿板两端的椽凸插入支架上的齿板定位孔，摇头簧在支架平台上。

将支架上摇头轴插入显示屏的摇头轴孔，夹紧，支架定位钉入位，拧紧自攻螺丝。

PCB 板

波浪转盘

拨盘固定架PCB 板

固定架定位孔4个螺栓孔

拨盘手柄

定位钉

旋转弹珠

旋转簧拨盘固定架

59V 簧×5

图 17 拨盘装配图

1 屏幕部分

2 PCB 板部分

3 摇头定位

图18 显示屏的机械安装图

（编写：郑江，陈孝桢）