数字万用表的原理、使用及选购

数字万用表的原理、使用及选购 F0821101 王剑峰 5080209053 授课教师 张峰 摘要：数字万用表是电路实验和其他电工电子应用中最常使用的实验器具之一， 它的功能有测量直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、直流电阻等。本文 件要介绍了以上几项功能的原理，以及使用万用表测量数据的方法和注意事项。 数字万用表的类型多达上百种，但测量原理基本相同。核心是直流数字电压表DVM （基本表）。在本文的结尾，还提供了选购万用表应考虑的内容。 关键词：保护二极管，取样电阻，运算放大器 编写目的： 通过对于数字万用表原理的简要分析，更好地掌握数字万用表的相关初步 知识，同时和书本学习的内容相结合，巩固书本知识。 定义: 数字电压表：采用微处理器进行控制运算，配合不同的互感器可满足可各种测量量程的 要 求，可对电压进行高精度的显示、控制及变送输出。 二极管：它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子 的 器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。 取样电阻：一个阻值较小的电阻，串联在电路中用于把电流转换为电压信号进行测量。 常用在反馈电路里。 运算放大器：具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同 组成某种功能模块。 1 绪言 数字万用表有用于基本故障诊断的便携式装置，也有放置在工作台的装置，有的分辨率 可以达到七、八位数；这样的设备，在实验室很常见，一般被用作电压或电阻的基准，或用 来调校多功能标准器的性能。 数字万用表是经过历史慢慢发展来的。早期的万用表，使用磁石偏转指针的表盘，与经 典的电流计相同；现代则采用 LCD 或 VFD（真空萤光显示器，Vacuum fluorescent display） 提供的数字显示。 模拟万用表在二手市场上不难找到，但它不太精确，这是因为调零和从仪表面板上准确 的读数都容易产生偏差。 有的模拟万用表，使用真空管来放大输入的信号，这种设计的万用表也被称为真空管伏 特计（VTVM，Vacuum Tube Volt Meters）或真空管万用表（VTMM，Vacuum Tube Multimeters）。 现代万用表已全部数字化，并被专称为数字万用表（DMM，Digital MultiMeter）。在这 种设备中，被测量信号被转换成数字电压并被数字的前置放大器放大，然后由数字显示屏直 接显示该值；这样就避免了在读数时视差带来的偏差。 同样，更好的电路系统和电子学，也提高了测量精度。旧的模拟仪表的基本精度在 5% 到 10%之间，现代便携数字万用表则可以达到±0.025%，而工作台设备更高达百万分之一的 精度。 2 2 数字万用表的基本测量原理 数字万用表的类型多达上百种，按照量程转换方式来分类，可划分成 3 种类型：手动量程， 自动量程，自动／手动量程；根据功能、用途及价格的不同，数字万用表大致可分成 9 大类： 低档数字万用表(亦称普及型数字万用表)，中档数字万用表，中、高档智能数字万用表，数字／ 模拟混合式仪表，数字／模拟条图双显示仪表，多重显示仪表，专用数字仪表，由特制集成电路 (ASIC)构成的仪表，万用示波表(将数字万用表、数字存储示波器、函数发生器集于一身)。 DT830 DT9205AX 数字万用表的类型虽多，但测量原理基本相同。 数字万用表的核心是直流数字电压表 DVM（基本表）。它主要由外围电路、双积分 A／D 转换器及显示器组成。 1) 直流电压测量 直流电压测量电路图 1 为数字万用表直流电压测量电路的原理图，该电路由电阻分压 器所组成的外围电路和基本表构成。把基本量程为 200mV 的量程扩展为五档量程的直流电 压挡。图中斜线区是导电橡胶，起到连接作用。 9R 10R 11R 8R 1R 0R 31R 10C K1 COM V ⋅Ω 9M 900K 90K 9K 1K 200mV 2+W 170K 2V 20V 200V 1000V 170K 0.022μ IN+ ICL7106 IN- COM LC D 图 1数字万用表直流电压测量电路原理图 2) 直流电流测量 图 2 是数字万用表直流电流测量电路原理图，其中 VD1、VD2 为保护二极管，当基本 表 IN＋、IN 一两端电压大于 200mV 时，VD1 导通，当被测量电位端接入 IN 一时，VD2 导通，从而保护基本表的正常工作。R2～R5、RC 分别为各挡的取样电阻，它们共同组成了 3 电流－电压转换器（I／U），即测量时，被测电流△在取样电阻上产生电压，该电压输人至 IN＋、IN-两端，从而得到被测电流的量值。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。 2R 31R 10C K1 COM FU mA 20 0m V 10A 1N4001 2× 470K 0.022μ IN+ 7106 IN- COM LC D 90 0Ω 200 Aμ 2mA 20mA 10A（ ） 3R 4R 5R CuR 90Ω 9Ω 0. 98 Ω VD2VD1 0.5A 0.02Ω 图 2数字万用表直流电流测量电路原理图 3) 交流电压测量 图 3 为数字万用表交流电压测量电路原理图。由图可见，它主要由输入通道、降压电 阻、量程选择开关、耦合电路、放大器输入保护电路、运算放大器输人保护电路、运算放大 器、交－直流（AC／DC）转换电路、环形滤波电路及 ICL7l06 芯片组成。 9R 10R 11R 8R 6R 31R 10C K1 COM V ⋅Ω 200mV 2+W 470K 2V 20V 200V 750V 170K IN+ ICL7106 IN- COM LC D 26R VD8VD7 25R24R 5C + 27R 4PR 6C + 22R 2C 7R V+ V- + + 1C 21R VD11 VD12 VD5 VD6 3C 23R 4C + 6 5 A1a 062（ ） 8 4 图 3数字万用表交流电压测量电路原理图 图中，C1 为输入电容。VD11、VD12 是 C 的阻尼二极管，它可以防止 C1 两端出现过 电压而影响放大器输入端。R21 是为防止放大器输入端出现直流分量而设计的直流通道。 VD5、VD6 互为反向连接，称为钳位二极管，防止输入至运算放大器 062 的信号超过规定 值。运算放大器 062 完成对交流信号的放大，放大后的信号经 C5 加到二极管 VD7、VD8 上，信号的负半周通过 VD7，正半周通过 VD8，完成对交流信号进行全波整流。经整流的 脉动直流电压经电阻 R26、R31 和电容 C6、C10 组成的滤波电路滤波后，在 R27、RP4 上 提取部分信号输人至基本表的输人端 IN＋。 4 同时输入至基本表的部分信号经 C3 反馈到运算放大器 062 的反相输人端，以改善检波 器整流特性。电容器 CZ 经 R22 接地，C2、C3 的电容量及质量直接影响着放大器的频率响 应。C2 对高频部分影响较大，C3 对低频部分影响较大。C4、R23 承担抑制或消除电路自励 的任务。若使基本表所获得的直流电压与交流输入电压的平均值成比例变化，可通过 RP4 进行调节。R6～R10 为分压电阻，与直流电压挡的分压电阻共用。 交流电流测量电路与图 3 所示出的交流电压测量电路基本相同。只需将图中的分压器 改成图 2 中的分流器即可。故其分流电阻与直流电流挡共用，耦合电路及其后的电路与交流 电压测量电路共用。 4) 直流电阻测量 直流电阻测量电路图 4 为数字万用表直流电阻测量原理图，图中标准电阻 Ro 与待测电 阻 Rx 串联后接在基本表的 V 十和 COM 之间。 0R IN+ ICL7106 IN- COM LCD 显示 REF-V REF+V +V XR COM 2.8V 36 35 31 30 32 Ω 0R U XR U 图 4数字万用表直流电阻测量原理图 V＋和 vREF＋、vREF 和 IN＋、IN 一和 COM 两两接通，用基本表的 2.8V 基准电压向 Ro 和 Rx 供电。其中 UR。为基准电压，URx 为输入电压。只要固定若干个标准电阻 Ro， 就可实现多量程电阻测量。 3 数字万用表的使用 3.1. 面板功能 ①电源开关。当开关置于“ON”位置时，电源接通。不用时，应置于“OFF”位置。 ②量程选择开关。所有量程均由一个旋转开关进行选择。根据被测信号的性质和大小，将量 程选择开关置于所需要的挡位。 ③LCD 显示器。在 LCD 屏上显示数字、小数点、“—”及“←”符号。 ④输入插孔。根据测量范围选定测试表笔插人的插孔。 a．黑表笔始终插入“COM”孔。 b.测量直流电压、交流电压、电阻（Ω）、二极管和连续检验时，红表笔插入“V·Ω”孔。 c.当被测的交、直流电流小于 200mA 时，红表笔插人“mA”孔；当被测的交、直流电流大于 200mA 时，则红表笔应插入“10A”孔。 5 图 5 DT83O 型数字万用表面板结构 3.2. 万用表的使用 使用前，应认真阅读有关的使用说明书，熟悉电源开关、量程开关、插孔、特殊插口的作 用. (1)将 ON/OFF 开关置于 ON 位置，检查 9V 电池，如果电池电压不足，将显示在显示器上， 这时则需更换电池。如果显示器没有显示，则按以下步骤操作。 (2)测试笔插孔旁边的符号，表示输入电压或电流不应超过指示值，这是为了保护内部线路 免受损伤。 (3)测试之前。功能开关应置于你所需要的量程。 1-1 直流电压测量 1.将黑表笔插入 COM 插孔，红表笔插入 V/Ω插孔。 2.将功能开关置于直流电压档 V-量程范围，并将测试表笔连接到待测电源(测开路电压)或负 载上(测负载电压降)，红表笔所接端的极性将同时显示于显示器上。 注意： 1.如果不知被测电压范围。将功能开关置于最大量程并逐渐下降。 2.如果显示器只显示“1”，表示过量程，功能开关应置于更高量程。 3.当测量高电压时，要格外注意避免触电. 1-2 交流电压测量 1.将黑表笔插入 COM 插孔，红表笔插入 V/Ω插孔。 6 2.将功能开关置于交流电压档 V~量程范围，并将测试笔连接到待测电源或负载上.测试连接 图同上。测量交流电压时，没有极性显示。 注意： 1.参看直流电压注意 1.2.4。 2.不要输入高于 700Vrms 的电压，显示更高的电压值是可能的，但有损坏内部线路的危险。 1-3 直流电流测量 1.将黑表笔插入 COM 插孔，当测量最大值为 200mA 的电流时，红表笔插入 mA 插孔，当 测量最大值为 20A 的电流时，红表笔插入 20A 插孔。 2.将功能开关置于直流电流档 A-量程，并将测试表笔串联接入到待测负载上，电流值显示 的同时，将显示红表笔的极性。 注意： 1.如果使用前不知道被测电流范围，将功能开关置于最大量程并逐渐下降。 2.如果显示器只显示“1”，表示过量程，功能开关应置于更高量程。 1-4 交流电流的测量 1.将黑表笔插入 COM 插孔，当测量最大值为 200mA 的电流时，红表笔插入 mA 插孔，当 测量最大值为 20A 的电流时，红表笔插入 20A 插孔。 2.将功能开关置于交流电流档 A~量程，并将测试表笔串联接入到待测电路中。 注意: 1.参看直流电流 DCA 测量注意 1、2、3. 1-5 电阻测量 1.将黑表笔插入 COM 插孔，红表笔插入 V/Ω插孔。 2.将功能开关置于 Ω量程，将测试表笔连接到待测电阻上。 注意： 1.如果被测电阻值超出所选择量程的最大值，将显示过量程“1”，应选择更高的量程，对于 大于 1MΩ或更高的电阻，要几秒钟后读数才能稳定，这是正常的。 2.当没有连接好时，例如开路情况，仪表显示为“1” 。 3.当检查被测线路的阻抗时，要保证移开被测线路中的所有电源，所有电容放电.被测线路 中，如有电源和储能元件，会影响线路阻抗测试正确性。 4.万用表的 200MΩ档位，短路时有 10 个字，测量一个电阻时，应从测量读数中减去这 10 个字。如测一个电阻时，显示为 101.0，应从 101.0 中减去 10 个字。被测元件的实际阻值为 100.0 即 100MΩ。 4 数字万用表的选购及保养 1. 功能：就是说需要什么功能的万用表，就买什么功能的，当然有些附件功能虽然现在用 不到，但是以后可能会用到，还是需要考虑一下的。 2. 价位：普及型数字万用表基本可以分为 25 元以下、26~90 元、91~300 元等几个范围； 3. 精度：精度一般表示为【±(1.5%+5 字)】，精度当然越高越好。精度与数字万用表位数、 环境及使用的线路有关系，万用表的位数越多，精度越高。 4. 位数：一般都是 3 1/2（读作 3 又二分之一位，也叫作三位半）位数值表示，最高显示 1999，当然也有 3 2/3、3 3/4、4 1/2 等等，但是普及型的，一般都是 3 位半的，这个总的来 说，也够用了。 7 数字万用表是一台精密电子仪器，不要随意更换线路，并注意以下几点： 1. 不要接高于 1000V 直流电压或高于 700V 交流有效值电压。 2. 不要在功能开关处于 Ω和位置时，将电压源接入。 3. 在电池没有装好或后盖没有上紧时，请不要使用此表。 4. 只有在测试表笔移开并切断电源以后，才能更换电池或保险丝。 参考书目 张峰 《电路实验教称》 陈洪亮 《电路理论》 李翰荪 《简明电路分析基础》 陈铁山 《教你用指针数字万用表 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 元器件》 沙占友 《新型数字万用表原理与维修》 西安交通大学 电机学网络教学系统 中国科学技术大学 物理实验网络课程