数字万用表的测量理论
第二章 数字万用表的测量理论
数字万用表核心部件是A/D转换器，采用中、大规模集成芯片。数字电压表从结构上看是直流数字电压表。为扩展功能适应多种参数的测量要求，在数字电压表前部设置相应的参数变换器，如R-U变换器，I//U变换器、AC/DC变换器等。
数字式仪表的特点是精确、灵活、多功能、能很好地与计算机相连接，在自动化测试系统中占重要地位。
2.1模数转换与数字显示电路
常见的物理量都是幅值连续变化的所谓模拟量。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。若最小量化单位为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，需经过数码变换后由数码管或液晶屏显示出来。
例如，设Δ＝0.1mV，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。然后，把N变换成显示码显示出来。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。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，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。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。
2.2直流电压测量电路
在数字电压表头前面加一级分压电路，可以扩展直流电压测量的量程。如图2-1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。
由于r >> r2，所以分压比为
U0r2 （2-1） ?Ui0r1?r2扩展后的量程为
r1?r2U0 （2-2） Ui0?r25
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０～Ui0
r1 ０～U0 r２ r 数字电压表
2000V 200V 20V 2V 200mV Ui 10M 1M 99k 9k IN+ 数字电压表 IN－ 1k 图 2-1分压电路原理 图 2-2多量程分压器原理
多量程分压器原理电路见图2-2，5档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200mV、2V、20V、200V和2000V。尽管上述最高量程档的理论量程是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，多量程转换开关可以根据档位自动调整小数点的显示，可以方便地直读出测量结果。
2.3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2-3，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，欲使电流档量程为I0，则该档的取样电阻为R=U0/I0 。如U0=200mV，则I0=200mA档的分流电阻为R=1Ω。
Ii
Ui
IN+ Ii 200 μA 2mA 20mA 200mA 2A 1k 100 10 1 0.1 Ui IN+ R
数字电压表 IN－ 数字电压表 IN－ 图2-3电流测量原理 图2-4多量程分流器电路
多量程分流器原理电路见图2-4。图2-4中的分流器在实际使用中有一个缺点，就是当换档开关接触不良时，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档电路为图2-5所示。
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数字万用表的测量理论
Ii 200μA 900 SE FUSE 2mA 90 20mA 9 200mA 0.9 D1 D2 2A R1 Ui R2 IN+ 数 字 电压表 R3 IN－ R4 0.1 R5 图2-5实用分流器电路
图2-5中各档分流电阻的阻值是这样计算的： 先计算最大电流档的分流电阻R5，
R5?再计算下一档的R4，
R4?U00.2??0.1(?) （2-3）
Im52U00.2?R5??0.1?0.9(?) （2-4） Im40.2依次可计算出R3、R2和R1 分别为9?、90?、900?。
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，保护仪表不被损坏。
用2A档测量时，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。
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2.4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-直流变换器，图2-6为其原理简图。
交流电
压输入
A 交流电 压校准 直流电 压输出
图2-6 AC-DC变换器原理
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，用来对交流电压档进行校准之用。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。
同直流电压档类似，出于对耐压、安全方面的考虑，交流电压最高档的量限通常限定为750V。数字万用表交流电压、电流档适用的频率范围通常为40~400Hz，有些型号的交流档测量频率可达1000Hz。
2.5电阻测量电路
数字万用表中的电阻档采用的是比例测量法，其原理电路见图2-7。
VREF+ VREF－ IN+ IN- ZD R0 UREF A/D转换 及 数字表头 Rx UIN
图2-7电阻测量
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。
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