数字万用表设计性实验
[概 述] 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，我厂对“指针式改装电表实验”进行了改进，现采用了“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了深入的理解和应用，深得广大院校师生的好评。
一、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方法和使用方法
3.掌握分压及分流电路的连接和计算
4.了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用
二、 实验仪器
1.DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪 一台
2.三位半或四位半数字万用表 一台（另配）
三、实验原理
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：
⑴ 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0.1Ω，远高于一般的指针式万用表。
⑵ 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。
⑶ 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。
⑷ 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，使用起来格外方便。
⑸ 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。
⑹ 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。
⑺ 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，数字万用表也有一些弱点，如：
⑴ 测量时不象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。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。
⑵ 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。
⑶ 一般数字万用表的V/Ω挡公用一个表笔插孔，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
图（1） 数字万用表的基本组成
除了图（1）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DT830A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。就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值。就象人站在楼梯上时，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。
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≥１000即可满足测量精度要求（量化误差≤１/1000=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1234倍，即N=1234，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。
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、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转换及数字显示已是很成熟的电子技术，且已经制成大规模集成电路，一般的仪器仪表生产者、使用者只要知道该类集成电路的管脚及特性，就能使用了。
本实验使用的DM-I型数字万用表设计性实验仪，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。
4.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，U0为数字电压表头的量程（如200mV），r为其内阻（如10MΩ），r1、r2为分压电阻，Ui0为扩展后的量程。
图（２）分压电路原理 图（３）多量程分压器原理
由于r >> r2，所以分压比为
扩展后的量程为
多量程分压器原理电路见图（３），５挡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200m V、2V、20V、200V和2000V。
采用图３的分压电路虽然可以扩展电压表的量程，但在小量程挡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挡电路为图（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。
例如：其中200V挡的分压比为
其余各挡的分压比可同样算出，请同学们自己计算。 图（４） 实用分压器电路
实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定
R总＝R1+R2+R3+R4+R5=10M
再计算2000V挡的电阻
R5=0.0001R总=1k
再逐挡计算R4、R3、R2、R1(详见数据处理部分)。
尽管上述最高量程挡的理论量程是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挡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。
5.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>>R，取样电阻R上的电压降为
Ui=RIi
即被测电流 Ii=Ui/R
若数字表头的电压量程为U0，欲使电流挡量程为I0，则该挡的取样电阻（也称分流电阻）为
R=U0/I0
如U0=200mV，则I0=200mA挡的分流电阻为R=1Ω。
图（５） 电流测量原理 图（６） 多量程分流器电路
多量程分流器原理电路见图（６）。万用表测交流电流
图（６）中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换挡开关接触不良时，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挡电路为图７所示。
图（７）中各挡分流电阻的阻值是这样计算的：
先计算最大电流挡的分流电阻R5
再计算下一挡的R4
依次可计算出R3、R2和R1，请同学们自己练习。
图（７） 实用分流器电路
图中的FUSE是2A保险丝管，电流过大时会快速熔断，起过流保护得作用。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挡测量时，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，甚至损坏仪表。
6.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。
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，用来对交流电压挡进行校准之用。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。
同直流电压挡类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电
压最高挡的量限通常限定为750V（有效值）。
数字万用表交流电压、电流挡适用的频率范围通常为40~400Hz（如DT830A、M3900等型号），有些型号的交流挡测量频率可达1000Hz（如M3800、PF72等）。
7．电阻测量电路
数字万用表中的电阻挡采用的是比例测量法，其原理电路见图９。
由稳压管ZD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）。
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