数字式万用表：组成和工作原理解析

数字式万用表的组成

常见的数字式万用表外观如下图所示：

显示屏

电源开关

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将开关置于“ON”位置时，电源接通

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不用时，置于“OFF”位置若长期不用，则应取出电池。

量程转换开关

所有测量项目和量程都由此转换开关来设定。应根据不同被测信号的要求，首先确定该转换开关的档位。

为方便操作，开关周围用分界线标出各种不同的测量种类和量程。

输入插孔

输入插孔共有“10A”“mA”“COM”和“V/Ω”四个插孔。在使用时，黑表笔始终插在“COM”插孔中，红表笔则根据具体测量对象插入不同插孔。

h _FE 插孔

根据被测晶体管的种类、型号，将晶体管的E、B、C三个极分别插入对应的插孔内。

常见的数字式万用表内部组成框图如下图所示：

＞＞特殊提示

在使用各电阻档、二极管档、通断档时，红表笔插入“V/Ω”插孔（表笔带正电），黑表笔插入“COM”插孔。这与指针式万用表在各电阻档时的表笔带电极性恰好相反，使用时应特别注意。

数字式万用表主要包括输入控制电路、液晶屏显示单元、控制处理单元（MPU）、A-D转换电路等。

输入控制电路

数字式万用表一般通过一对红、黑表笔引入外部输入信号。

对于两端元器件的测量也是通过表笔输入的

对于像晶体管这样的三端元器件，一般由独立的测试座输入

针对输入信号幅值的不同，输入控制电路设有不同的衰减器，当测量值超出范围时，系统能给出溢出提示，部分数字式万用表设有语音提示功能，会及时给出操作有误的信息。

显示单元

绝大多数数字式万用表选用液晶屏作为显示终端。

液晶屏由许多个由液晶材料构成的显像单元（像素）组成，典型的有字符型和点阵式等。

控制处理单元

数字式万用表由逻辑控制单元或微处理器构成控制单元，特别是单片机在数字式万用表中构成控制器（MPU），管理测量操作过程和处理测量结果。

在一定程度上可以以软件功能代替或简化硬件功能，如自动量程转换、自动误差校正、抑制干扰等

MPU的使用在很大程度上降低了系统成本，提高了仪表的智能化程度和操作的便利性

转换电路

数字式万用表的转换电路包括两类：

数字式万用表的工作原理

数字式万用表通过量程转换开关的转换，即可构成电压表、电流表、欧姆表、电容表等基本形态。

直流电压表

测量直流电压时，通过量程转换开关的转换，电路构成直流电压表，如下图所示：

数字表头（200mV电压表）仅测量取样电阻上的电压，取样电阻可以是分压器的一部分，也可以是分压器的全部。改变取样比，即可改变量程。

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当数字表头输入端IN接①端时，整个分压器都是取样电阻，取样电压U_IN=U

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当数字表头输入端IN接②端时，取样电阻为R+9R，取样电压U_IN=U/10，量程扩大为10倍

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当数字表头输入端IN接③端时，取样电阻为R，取样电压U_IN=U/100，量程扩大为100倍

由于取样电压的变化倍率为10的整数倍，因此只需相应移动液晶屏中显示数字的小数点位置，即可直观地显示出被测电压的实际数值。取样比的改变和小数点位置的移动由量程转换开关根据量程同步控制。

直流电流表

测量直流电流时，通过量程转换开关的转换，电路构成直流电流表，如下图所示：

取样电阻由3个电阻构成，如下图所示：

1(www.xing528.com)

当被测电流输入端A和数字表头输入端IN接①端时，取样电阻R₁=90R+9R+R=100R

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当被测电流输入端A和数字表头输入端IN接②端时，取样电阻R₂=9R+R=10R，缩小为R₁的1/10，要获得相同的电压降，电流必须增大10倍，即量程扩大10倍

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当被测电流输入端A和数字表头输入端IN接③端时，取样电阻R₃=R，缩小为R₁的1/100，量程扩大100倍

取样电阻的变化倍率为10的整数倍，因此只需相应移动液晶屏中显示数字的小数点位置，即可直观地显示出被测电流的实际数值。

取样电阻的改变和小数点位置的移动由量程转换开关根据量程同步控制。

交流电压表

测量交流电压时，通过量程转换开关的转换，电路构成交流电压表，如下图所示：

交流电压档与直流电压档共用一个分压器，所不同的是在测量交流电压时：

交流-直流转换器同时能够将交流电压的峰值校正为有效值，因此液晶屏显示的读数为被测交流电压的有效值。

交流电流表

测量交流电流时，通过量程转换开关的转换，电路构成交流电流表，如下图所示：

与直流电流表电路相比可见，交流电流表只是在直流电流表电路的基础上增加了一个交流-直流转换器，将被测交流电流I在取样电阻上的交流电压降转换为直流电压降再送入数字表头显示。同样因为交流-直流转换器的校正作用，液晶屏显示的读数为被测交流电流的有效值。

欧姆表

测量电阻时，通过量程转换开关的转换，电路构成欧姆表，如下图所示：

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根据数字表头中集成电路IC7106的特性

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当R_x=R₀时，显示读数为1000

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合理设计R₀的取值，便可使液晶屏直接显示被测电阻的阻值，改变R₀即可改变量程

标准电阻R₀由3个电阻组成，如下图所示：

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当标准电压U接③端时，R₀=R

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当标准电压U接②端时，R₀=R+9R=10R，量程扩大10倍

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当标准电压U接①端时，R₀=R+9R+90R=100R，量程扩大100倍

如前文可知，标准电阻的变化倍率为10的整数倍，因此只需相应移动液晶屏中显示数字的小数点位置，即可直观地显示出被测电阻的阻值。

标准电阻的改变和小数点位置的移动由量程转换开关根据量程同步控制。

电容表

测量电容时，通过量程转换开关的转换，电路构成电容表，如下图所示：

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电容-电压转换器将被测电容C_x转换为相应的交流电压

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再由交流-直流转换器将交流电压转换为直流电压送入数字表头显示，电容-电压转换器电路原理如下图所示

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上图中测量信号源为400Hz正弦波信号

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通过被测电容C_x耦合至放大器进行放大

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U_O为放大后的输出信号

放大器的放大倍数A为反馈电阻R_f与被测电容C_x的容抗之比，即

由于400Hz正弦波信号源的频率和振幅均恒定，因此输出信号U_O的大小即反映了被测电容C_x的容量大小。数字电容表量程转换原理如下图所示：

放大器的反馈电阻R_f包括3个电阻。

如前所知，反馈电阻R_f的变化倍率为10的整数倍，因此只需相应移动液晶屏中显示数字的小数点位置，即可直观地显示出被测电容的容量。反馈电阻R_f的改变和小数点位置的移动由量程转换开关根据量程同步控制。