413数字电表原理及万用表设计与组装实验.docx

4. 13数字电表原理及万用表设计与组装实验本文档由【中文word文档库】提供,转载分发敬请保留本信息；中文word文档库免费提供海量范文、教育、学习、政策、报告和经济类word文档电表是常用的电学测量仪器按用途可分为直流电流表、交流电流表、直流电压表、交流电压表、 欧姆表、万用表等；这些电表都可通过表头改装而成表头是基本的电学测量工具，它可分为数字表、 指针表等任何一件仪器（尤其是自行组装的仪器）在使用前都应该进行校准，特别是在进行精密测量 之前，校准是必不可少的因此校准是实验技术中一项非常重要的技术本实验通过学习电表的基础知 识掌握如何进行电表的改装和校准，并学习焊接及组装技术本实验是利用数字表的工作原理，通过给定的外围线路，让学生设计出直流数字电压表、直流数字 电流表、交流数字电压表、交流数字电流表和欧姆表让学生了解数字万用表的工作原理、组成和特性 等，掌握分压分流、整流滤波、过压过流保护等电路的原理实验目的】1. 了解数字电表的基本原理及常用双积分模数转换芯片外围参数的选取原则、电表的校准原则以及 测量误差来源2. 了解万用表的特性、组成和工作原理3. 掌握分压、分流电路的原理以及设计对电压、电流和电阻的多量程测量。

4. 了解交流电压、三极管和二极管相关参数的测量5. 通过数字电表原理的学习，能够在传感器设计中灵活应用数字电表实验仪器】1. DH6505数字电表原理及万用表设计实验仪2. 四位半通用数字万用表3. 示波器实验原理】一、数字电表原理常见的物理量都是幅值大小连续变化的所谓模拟量，指针式仪表可以直接对模拟电压和电流进行显 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 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，所 以需要进行量化处理若最小量化单位为△,则数字信号的大小是△的整数倍，该整数可以用二进制 码表示设A =0. 1 mV ,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，NN1000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（3 1/2）数字表如：U是白（0. 1 mV ）的1861倍, 即N =1861,显示结果为186. 1（秫7）这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路和小数点选择位，就可以测量显示-199. 9~199. 9mV的电压，显示精度为0. 1 mV。

1.双积分模数转换器（ICL7107）的基本工作原理双积分模数转换电路的原理比较简单，当输入电压为Vx时，在一定时间T1内对电量为零的电容器 C进行恒流（电流大小与待测电压Vx成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加， 当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q与被测电压Vx成正比；然后让电容器恒流放电（电流大小 与参考电压Vref成正比），这样电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零所以，可 以得出T2也与Vx成正比如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得 到计数值N2,则N2与Vx成正比双积分AD的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比构成 的现在我们以实验中所用到的3位半模数转换器ICL7107为例来讲述它的整个工作过程ICL7107双 积分式A/D转换器的基本组成如图1所示，它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数 器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所组成下面主要讲一下它的转换电路，大致分为三个 阶段：第一阶段，首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器C上积累的电量，然后参考电 容Cref充电到参考电压值Vref,同时反馈环给自动调零电容如以补偿缓冲放大器、积分器和比较器 的偏置电压。

这个阶段称为自动校零阶段第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），在此阶段Vs接到Vx上使之与积分器相连，这样电容器C 将被以恒定电流Vx/R充电，与此同时计数器开始计数，当计到某一特定值N1 （对于三位半模数转换器,Nl=1000）时逻辑控制电路使充电过程结束，这样采样时间T1是一定的，假设时钟脉冲为Tcp,则 T1=N1*Tcpo在此阶段积分器输出电压Vo=-Qo/C（因为Vo与Vx极性相反），Qo为T1时间内恒流（Vx/R） 给电容器C充电得到的电量，所以存在下式：= W （1）（）R RV°=_ 立一竺 71 （2）C RC图1双积分AD内部结构图A T第三阶段为反积分阶段(测量阶段)，在此阶段，逻辑控制电路把己经充电至V由的参考电容按 与Vx极性相反的方式经缓冲器接到积分电路，这样电容器c将以恒定电流VKf/R放电，与此同时计 数器开始计数，电容器C上的电量线性减小，当经过时间T2后，电容器电压减小到0,由零值比较器 输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计数结果此阶段存在如下关系：把(2)式代入上式，得：T2=^-Vx (4)Vref从(4)式可以看出，由于T1和Vref均为常数，所以T2与Vx成正比，从图2可以看出。

若时钟最小脉冲单元为Tcp，则Tl = Nl*Tcp , T2 = N2fp，代入(4),即有：= x ⑸V ref可以得出测量的计数值N2与被测电压Vx成正比对于ICL7107，信号积分阶段时间固定为1000个，即N1的值为1000不变而N2的计数随Vx的不同范围为0〜1999,同时自动校零的计数范围为2999〜1000,也就是测量周期总保持4000个给不 变即满量程时N2max=2000=2*Nl,所以Vxmax=2Vref,这样若取参考电压为100mV，则最大输入电压为 200mV；若参考电压为IV,则最大输入电压为2V对于ICL7107的工作原理这里我们不再多说，以下我们主要讲讲它的引脚功能和外围元件参数的选 择，让同学们学会使用该芯片2. ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择图3 ICL7107芯片引脚图图4 ICL7107和外围器件连接图ICL7107芯片的引脚图如图3所示，它与外围器件的连接图如4所示图4中它和数码管相连的 脚以及电源脚是固定的，所以不加详述芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第36脚Vr+和35 脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端；Cint和Rint分别为 积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，用示波器接在第27脚 可以观测到前面所述的电容充放电过程，该脚对应实验仪上示波器接口 Vint；电阻R1和C1与芯片内 部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器 接口 CLK,时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间(因为测量周期总保持4000个Tcp不变)以及测量 的精度。

下面我们来分析一下这些参数的具体作用：Rint为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来 定义的，对于ICL7107,充电电流的常规值为Iint=4uA,则Rint=满量程/4uA所以在满量程为200mV, 即参考电压Vref=0. IV时，Rint=50K,实际选择47K电阻；在满量程为2V,即参考电压Vref=lV时， Rint=500K,实际选择470K电阻Cint=Tl*Iint/Vint, 一般为了减小测量时工频50HZ干扰，T1时间通 常选为0. 1S ,具体下面再分析，这样又由于积分电压的最大值Vint=2V,所以：Cint=0.2uF,实际应用 中选取0. 22uFo对于ICL7107, 38脚输入的振荡频率为：f0=l/(2. 2*R1*C1),而模数转换的计数脉冲 频率是f0的4倍，即Tcp=l/(4*f0),所以测量周期T=4000*Tcp=1000/f0,积分时间(采样时间) Tl=1000*Tcp=250/fo所以fo的大小直接影响转换时间的快慢频率过快或过慢都会影响测量精度和 线性度，同学们可以在实验过程中通过改变R1的值同时观察芯片第40脚的波形和数码管上显示的值来 分析。

一般情况下，为了提高在测量过程中抗50HZ工频干扰的能力，应使A/D转换的积分时间选择为 50HZ工频周期的整数倍，即Tl=n*20ms,考虑到线性度和测试效果，我们取Tl=0. lm(n=5),这样T=0. 4S, f0=40kHZ, A/D 转换速度为 2. 5 次/秒由 T 1=0. l=250/f0,若取 Cl=100pF,则 RZ12. 5KQ« 实验中 为了让同学们更好的理解时钟频率对A/D转换的影响，我们让R1可以调节，该调节电位器就是实验仪 中的电位器RWC3.用ICL7107A/D转换器进行常见物理参量的测量(1) 直流电压测量的实现(直流电压表)I :当参考电压Vref=100mV时，Rint=47KQ此时采用分压法实现测量0〜2V的直流电压，电路 图见图5oII:直接使参考电压Vref=lV, Rint=470KQ来测量0〜2V的直流电压，电路图如图62) 直流电流测量的实现(直流电流表)直流电流的测量通常有两种方法，第一种为欧姆压降法，如图7所示，即让被测电流流过一定值电 阻Ri,然后用200mV的电压表测量此定值电阻上的压降Ri*Is (在Vref=100mV时，保证Ri*IsW200mV 就行)，由于对被测电路接入了电阻，因而此测量方法会对原电路有影响，测量电流变成 Is' =R0*Is/(R0+Ri),所以被测电路的内阻越大，误差将越小。

第二种方法是由运算放大器组成的I-V 变换电路来进行电流的测量，此电路对被测电路的无影响，但是由于运放自身参数的限制，因此只能够 用在对小电流的测量电路中，所以在这里就不再详述3) 电阻值测量的实现(欧姆表)I ：当参考电压选择在lOOmV时，此时选择Rint=47KQ,测试的接线图如图8所示，图中Dw是提 供测试基准电压，而Rt是正温度系数(PTC)热敏电阻，既可以使参考电压低于lOOmV,同时也可以防 止误测高电压时损坏转换芯片，所以必需满足Rx=O时，VrWlOOmV由前面所讲述的7107的工作原理, 存在：Vr=(Vr+) - (Vr-)=Vd*Rs/(Rs+Rx+Rt) (6)IN=(IN+) - (IN-)=Vd*Rx/(Rs+Rx+Rt) (7)由前述理论N2/N1=IN/Vr有：Rx= (N2/N1) *Rs (8)所以从上式可以得出电阻的测量范围始终是0〜2*Rs QII :当参考电压选择在IV时，此时选择Rint=470KQ,测试电路可以用图9实现，此电路仅供有 兴趣的同学参考，因为它不带保护电路，所以必需保证VrWIV在进行多量程实验时(万用表设计实验)， 为了设计方便，我们的参考电压都将选择为lOOmV,除了比例法测量电阻我们使Rint=470KQ和在进行 二极管正向导通压降测量时也使Rint=470KQ并且加上IV的参考电压。

二、数字万用表设计万用表可以对交直流电压、交直流电流、电阻、三极管和二极管正向压降等参数的测量，图10为万用表测量基本原理图下面我们主要讲讲提到的几种参数的测量:图8图10数字万用表的组成实验使用的DH6505型数字电表原理及万用表设计实验仪，它的核心是由双积分式模数A/D转换译 码驱动集成芯片ICL7107和外围元件、LED数码管构成为了同学们能更好的理解其工作原理。