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（信息技术）数字测量技术的南京信息工程大学 数字万用表的设计和校准 随着大规模集成电路的发展，数字测量技术的日趋普及，指针式仪表存于的问题也逐渐显现出来。为了让学生了解数字式万用电表的工作原理，及模拟信号转换成数字信号的基本方法，我们设计出数字式万用电表设计和校准实验，该实验不仅具有实验内容丰富，且内容由浅入深，适合各高等院校物理、电子等专业学生使用。 壹、实验目的 1、掌握数字万用表的工作原理、组成和特性。 2、掌握数字万用表的校准和使用。 3、掌握多量程数字万用表分压、分流电路计算和连接；学会设计制作、使用多量程数字万用表。 二、实验仪器 数字万用表设计实验仪 1 台 三、实验原理 1、直流电压测量电路 于数字电压表头前面加壹级分压电路（分压器），能够扩展直流电压测量的量程。 数字万用表的直流电压档分压电路如图（2）所示，它能于不降低输入阻抗的情况下，达到准确的分压效果。 例如：其中 200V 档的为分压比为： 其余各档的分压比分别为： 图（2）实用分压器电路 档位 200mV 2V 20V 200V 2000V 分压 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 比 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 再计算 200V 档的电阻：，依次可计算出、、等各档的分压电阻值。 更换量程是需要调整小数点的显示，使用者可方便地读出测量结果。 2、直流电流的测量 测量电流是根据欧姆定律，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（3） 图（3）电流测量原理 实用数字万用表的直流电流档电路，如图（4）所示。 图（4）实用分流器电路 图（4）中各档分流电阻是这样计算的，先计算最大电流档（2A） 的分流电阻（数字电压表最大输入为 200mV） ， 再计算 200mA 档的： 依次能够计算出、和，请同学们自己练习。 图中的 FUSE 是 2A 的保险丝，电流很大时会快速熔断，起过流保护作用。俩只反向连接且和分流电阻且联的二极管为塑封硅整流二极管，正常测量时，输入电压小于硅整流二极管的正向导通压降，二极管截止，对测量毫无影响。壹旦输入电压大于 0.7V，二极管立即导通，双向限幅，电压嵌位于 0.7V，起过压保护作用。保护仪表不被损坏。用 2A 测量时，若发现电流大于 0.5A 时，应使测量时间小于 20 秒，仪器于面板上提供了待测电流接口，测量时可直接于本接口串入电流表进行测量。 3、交流电压、电流的测量电路 数字万用表中交流电压、电流测量电路是于分压器或分流器之后串 入了壹级交流—直流（AC--DC）变换器，如图（5）所示。 图（5） AC—DC 变换器主要由集成运算放大器、整流二极管、RC 滤 电容等组成，仍包含壹个能调整输出电压高低的电位器： AC—DC 校准电位器，用来对交流电压档进行校准之用，调整该电位 器可使数字电压表头的显示值等于被测交流电压的有效值。 4、电阻测量电路 数字万用表中的电阻档采用的是比例测量方法，其原理电路见图（6）， 图（6）电阻测量原理 由稳压管 DZ 提供测量基准电压，流过标准电阻 R0 和被测电阻 Rx 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 UREF 和输入电压 UIN 有如下关系： 即 根据所用 A/D 转换器的特性可知，数字表显示的是 UIN 和 UREF 的比值，当 UIN=URE 时显示“1000”，UIN=0.5UREF 时显示“500”，依次类推。所以，当 Rx=R0 时，表头将显示“1000”，当 Rx=0.5R0 时显示“500”，这称为比例读数特性。因此，我们只需要选取不同的标准电阻且适当对小数点进行定位，就能得到不同的电阻测量档。 图（7）电阻测量电路 200Ω档，取 R05=100Ω，小数点定于十位上。当 Rx=100Ω时，表头就会显示出 100.0（Ω）。当 Rx 变化时，显示值相应变化，能够 从 0.1Ω测到 199.9Ω（其余各档请学生自己进行推导）。 数字万用表多量程电阻档电路如图（7）所示，由上分析可知， R5=R05=100Ω R4=R04-R05=1000-100=900Ω R3=R03-R04=10K-1K=9K ······ 图（7）中由正温度系数（PTC）热敏电阻 Rt 和晶体管组成了过压保 护电路，以防止误用电阻去测高电压时损坏集成电路。当误测量高 电压时，晶体管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， 使晶体管击穿电流不超过允许范围。即晶体管只是处于软击穿状态， 不会损坏，壹旦解除误操作，Rt 和晶体管均能恢复正常。 四、内容和步骤 1、设计制作多量程直流数字电压表 （1） 制作