特型电路的工作原理说明

特型电路是指在数字式万用表中部分表具备的工作电路，如保护电路、自动关机电路等。电路虽小，但功能强大。

自动关机电路

当仪表停止使用的时间超过15min时，它能自动切断电源，使仪表进入“休眠”状态，整机静态工作电流降至7μA左右，功率约为60mW。

重新开启电源时，只需按动两次电源按钮开关，即可恢复正常测量。数字式万用表的自动关机电路如下图所示：

电路由9V叠层电池、电源开关S、电解电容器C₁、电压比较器（单运算放大器TL061，简称运放）、NPN型晶体管VT₁、PNP型晶体管VT₂和电阻R₁等组成。

当S拨至“OFF”（关）位置时

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当S拨至“OFF”（关）位置时

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数字式万用表内部的9V叠层电池向C₁充电，使U_C1=E

当S拨至“ON”（通）位置时

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当S拨至“ON”（通）位置时

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C₁的正极经过C点接TL061的第③脚

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电池的正极则经过V点加至VT₂的发射极上，TL061的第③脚与第②脚的端电压分别为U_A和UB

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初始状态下，U_A=E=9V，U_B=ER₃/（R₂+R₃）=9V×200kΩ/（1MΩ+200kΩ）=1.5V。

由于U_A＞U_B，因此TL061输出为高电平，使得VT₁、VT₂均导通。

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VT₂导通之后就将A-D转换器等芯片的电源V₊接通

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随着C₁不断向R₁（10MΩ）放电，致使U_A逐渐降低

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当U_A＜1.5V时，比较器翻转，输出呈低电平

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强迫VT₁、VT₂截止，V+的线路被切断，仪表即停止工作

设自动关机电路的供电时间为t，有公式：

即

将R₁=10MΩ，E=9V，U_C1（t）=U_B=1.5V一并代入上式中得到 t=17.92×10⁶C1

若C₁的单位取μF，则

t=17.92C₁≈18C₁

当C₁=47μF时，由上式计算出供电时间t=842s≈14min。供电时间t与C₁电容量的对应关系见下表：

需要指出，自动关机之后仪表的电流甚微，因为电池的负载只有R₂和R₃，所以泄漏电流I₀由下式确定：

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典型情况下E=9V，根据R₂=1MΩ，R₃=200kΩ

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很容易计算出I₀=7.5μA

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在临近自动关机时，液晶屏上的读数会出现闪烁并迅速消失

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若数字式万用表具有低电压指示功能，应首先出现低电压指示符（“LOW BATT”等标记），然后读数才开始闪烁

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此现象可作为自动关机动作的预警信号，提醒操作人员注意

上述闪烁现象是由于V₊已降到ICL7106（或ICL7129）的临界电压（约为6V），芯片处于间断工作状态所致。这段时间很短，一般为几秒钟。

保护电路

数字式万用表具有比较完善的保护功能，过载能力比较强。接下来以常用的保护电路为例介绍其工作原理。

电流档的保护电路

保护电路接在分流器之前，电流档的保护电路如下图所示：

二极管VD₁和VD₂可选用1N4004（1A/400V）塑料封装硅整流二极管。

VD₁、VD₂反极性并联后组成双向限幅过压保护电路。

一旦误用电流档去测电压，可将仪表输入电压限制在0.7V之内。

电压档的保护电路

数字式万用表的DCV、ACV档通常采用火花放电器或压敏电阻器作过电压保护。

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火花放电器具有两个相互绝缘的电极，当冲击电压超过其击穿电压时

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在两极之间迅速发生火花放电，之后能自行恢复至绝缘状态，由火花放电器构成的电压档保护电路如下图所示

压敏电阻器的工作电压范围很宽（6～3000V，有多种规格）

对过电压脉冲响应快（响应时间仅为几至几十纳秒）

耐冲击电流能力强，通流量（通流量表示在规定时间8/20μs之内，允许通过脉冲电流的最大值，其中，脉冲电流从90%U_P到U_P的时间为8μs，峰值持续时间为20μs）指标可达100A～20kA，漏电(www.xing528.com)

流小（为几至几十微安），工作稳定可靠压敏电阻器的电阻温度系数小于0.05%/℃，其伏安特性如下图所示：

常见压敏电阻器的标称电压有6V、18V、22V、24V、27V、33V、39V、47V、56V、82V、100V、120V、150V、200V、216V、240V、250V、273V、283V、360V、470V、850V、900V、1100V、1500V、1800V和3000V等规格。

用压敏电阻器构成的电压档过电压保护电路如下图所示：

电阻档的保护电路

数字式万用表的电阻档通常采用正温度系数的热敏电阻器作为保护元件，并与晶体管过电压保护器配套使用，构成过电压、限电流保护电路。常见PTC元件的实物及电路符号如下图所示：

正温度系数热敏电阻简称PTC（Positive Temperature Coeffi cient），它的特点是在工作温度范围之内具有正的电阻温度系数。

常见PTC元件的电阻率-温度特性如下图所示：

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PTC在室温下的电阻率为10～10³Ω•cm

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当温度低于温度T_C（一般为120～165℃）时

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PTC略呈负阻特性，但电阻值基本不变

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当温度达到并超过T_C时

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电阻率发生突变，可急剧增大3～4个数量级，达到10⁶～10⁷Ω·cm

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此时呈现高达+（10～60）%/℃的正温度系数。这种PTC具有开关特性

六量程电阻档的保护电路如下图所示：

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现将VT（5E9013）的集电结短接，利用其发射结反向击穿电压来代替稳压管作过电压保护

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一旦误用电阻档去测量市电

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220V交流电压便经过PTC→VT→COM

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把VT的发射结反向击穿

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电压在6V左右，可保护ICL7106型单片A-D转换器不受损坏

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PTC阻值急剧增大，限制VT的反向击穿电流，使之不超过允许范围

需要指出，上述击穿属于软击穿，一旦撤去220V输入电压，VT又恢复正常状态。

二极管档的保护电路

由VD₁、VD₂和R₁组成，VD为被测二极管。二极管档的保护电路如下图所示：

使用中，如果误用此档测量220V交流电压。

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在正半周时VD₁、VD₂均截止

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电路不通

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负半周时VD₁与VD₂导通

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电流途经：COM→VD₂→VD₁→R₁泄放

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使仪表免受损坏

VD₁和VD₂应选1N4004型硅整流管。R₁起限流作用，需采用2kΩ/2W的氧化膜电阻。

电容档的保护电路

使用数字式万用表电容档时，如果误测带电的电容器，很容易将仪表损坏。对于采用容抗法的电容档，通常在电容输入插座（CAP）两侧各增加一套双向限幅过电压保护电路，如下图所示：

VD₁～VD₄采用4只1N4004型硅整流二极管，它们可为带电的电容器提供放电回路，对文氏桥振荡器、缓冲器及电压放大器起到保护作用。

频率档的保护电路

频率档的保护电路如下图所示：

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使用时，若不慎将频率档引入220V电压

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在正半周，U（f）经f插孔→R→VD₁→COM

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负半周时，U（f）经COM→VD₂→R→f插孔

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使高压不能直接加到f-V转换器上，从而起到了保护作用