实验3 数字万用表的设计

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1、35第4章基础实验实验4.3数字万用表的设计随着数字测量技术的日趋普及，指针式仪表已经逐渐被淘汰,“数字万用表设计性实验”使学生对数字电表的原理和使用方法有深入的理解和应用。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）0.1μA、电阻0

2、.1Ω，远高于一般的指针式万用表。（2）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10MΩ，四位半的则大于100MΩ。而指针式万用表电压挡输入阻抗的典型值是20～100kΩ/V。（3）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2～4次，高的可达每秒几十次。（4）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，极易损坏。而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性，使用

3、起来格外方便。（5）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，也不能对所有挡位进行直接读数，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。（6）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。（7）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，数字万用表也有以下一些弱点。（1）测量时不像指针式仪表那样

4、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。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。（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，导致用旧以后换挡不可靠。一般数字万用表的V/Ω挡35第4章基础实验公用一个表笔插孔，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除了图4-2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、三极管hFE测量电路、低电压指示电路等（如DT

5、830A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．模数（A/D）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

6、。就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值。就像人站在楼梯上时，人站的高度只能是某些分立的数值一样。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位（量化台阶）为Δ，则数字信号的大小一定是Δ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。图4-2数字万用表的基本组成例如，设Δ = 0.1mV，我们把被测电压U与Δ比较，看U是Δ的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N（二进制）。然后，把N变换为十进制七段显示码显示出来。能准确得到并被显示出来的N是有限的，一般情况下，N≥1 000即可满足测

7、量精度要求（量化误差≤1/1 000 = 0.1%）。所以，最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半数字表。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Δ（0.1mV）的1 234倍，即N = 1 234，显示结果为123.4（mV）。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。35第4章基础实验由上可见，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。有关A/D转换、编码

8、、译码的详尽理论超出了本实验所要求的范围，感兴趣的同学可参阅有关专业教材。以上所述的A/D转换