数字式万用表的基本原理解析

数字式万用表目前已成为万用表的主流,与模拟式万用表相比,数字式万用表具有使用简单、功能齐全、灵敏度高、准确度高、显示清晰、过载能力强、体积小、重量轻、便于携带等优势。一般普通数字式万用表具有电阻测量、通断声响检测、二极管正向导通电压测量、交直流电压电流测量、晶体管放大倍数及性能测量等功能,有些数字式万用表还增加了电容容量测量、频率测量、温度测量、数据记忆及语音报数等功能,给实际检测工作带来很大的方便。可以说数字式万用表是现代化的一种多用途电子测量仪器。

数字式万用表测量电压、电流和电阻功能是通过转换电路实现的,电流、电阻的测量都是基于电压的测量。也就是说数字式万用表是在数字直流电压表的基础上扩展而成的。转换器将随时间连续变化的模拟电压量变换成数字量,再由电子计数器对数字量进行计数得到测量结果,最后由译码显示电路将测量结果显示出来。逻辑控制电路控制电路的协调工作,在时钟的作用下按顺序完成整个测量过程。

下面以袖珍式DT830数字式万用表为例,有选择地介绍数字式万用表的测量原理。DT830属于袖珍式数字式万用表,采用9V积层电池供电,整机功耗约20 m W;采用LCD液晶显示数字,最大显示数字为±1999,因而属于3位万用表。

同其他数字式万用表一样,DT830型数字式万用表的核心是直流数字电压表DVM,也称基本表。再加上外围电路、双积分A/D转换器及显示器组成。其中A/D转换、计数、译码等电路都是由大规模集成电路芯片ICL7106构成。

1.数字式万用表测量直流电压原理

图2.1.1为数字式万用表直流电压测量原理图,该电路由基本表和电阻分压器所组成的外围电路构成,把200m V基本量程扩展为五量程的直流电压挡。图中斜线区是导电橡胶,起连接作用。

图2.1.1　数字式万用表直流电压测量电路原理图

2.数字式万用表测量直流电流原理

图2.1.2为数字式万用表直流电流测量电路原理图。图中VD1、VD2为保护二极管,当基本表IN+、IN-两端电压大于200m V时VD1导通,当被测量电位端接入IN-时VD2导通,从而保护了基本表的正常工作,起到“守门”的作用。R2～R5、RCu分别为各挡的取样电阻,它们共同组成了电流—电压转换器。测量时,被测电流在取样电阻上产生电压,该电压输入至IN+、IN-两端,从而得到了被测电流的量值。若合理地选配各电流量程的取样电阻,就能使基本表直接显示被测电流量的大小。

图2.1.2　数字式万用表直流电流测量电路原理图

3.数字式万用表测量直流电阻原理

图2.1.3为数字式万用表测量直流电阻原理图。图中标准电阻R o与待测电阻R x串联后接在基本表的V+和COM之间。V+和VREF+、VREF-和IN+、IN-和COM两两接通,用基本表的2.8V基准电压向R o和R x供电。其中VREF为基准电压,VRX为输入电压。根据设计,当R x=R o时显示读数为1 000;当R x=2R o时溢出显示“OL”,因为2 000超出其最大显示数字“1999”。一般情况下有:

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因此,只要固定若干个标准电阻R o,就可实现多量程电阻测量。图2.1.4为实际电阻测量电路,其中R7～R12均为标准电阻,且与交流电压挡分压电阻共用。

图2.1.3　数字式万用表测量直流电阻原理

图2.1.4　数字式万用表测量直流电阻电路

4.数字式万用表保护电路

(1)电流挡保护

一般数字式万用表都会在毫安挡串上一个200 m A/250 V的保险管,当输入电流大于200 m A的时,保险管熔断保护后级电路。同时,还利用两只1N4001硅整流二极管并联构成双向限幅电路,接在电流挡分流器前面,防止错用电流挡测量电压而烧毁分流电阻,从而保护分流器。

(2)电压挡保护

一般电压挡保护使用的是SG也就是火花放电器,其击穿电压为1 200 V。火花放电器的作用是防止在测量信号的时候转换开关产生电打火而烧坏转换开关。另外,电压、欧姆挡一般会设计压敏电阻或热敏电阻用作自恢复保险保护元件,当输入电压超过了压敏电阻所能承受的最大值以后,压敏电阻呈开路状态;当电压信号逐渐下降,压敏电阻的阻值也从无穷大慢慢恢复。

(3)电容挡保护

与电流挡保护设计相同,电容挡保护也是使用双向限幅二极管。

(4)电阻挡保护

电阻挡保护电路设计有的是使用保险管做电阻挡保护,也可以使用限流电阻或保险电阻做电阻挡保护电路。