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数字万用表设计实验报告

日期:2021-02-17  类别:最新范文  编辑:一流范文网  【下载本文Word版

数字万用表设计实验报告 本文关键词:实验,报告,数字万用表,设计

数字万用表设计实验报告 本文简介:数字万用表设计性实验赵龙宇PB06005068一、实验目的1.掌握数字万用表的工作原理、组成和特性2.掌握数字万用表的校准方法和使用方法3.掌握分压及分流电路的连接和计算4.了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用二、实验仪器1.DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪一台2.三位半或四位半数字万用表一台三、

数字万用表设计实验报告 本文内容:

数字万用表设计性实验

赵龙宇

PB06005068

一、

实验目的

1.

掌握数字万用表的工作原理、组成和特性

2.

掌握数字万用表的校准方法和使用方法

3.

掌握分压及分流电路的连接和计算

4.

了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用

二、

实验仪器

1.

DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪

一台

2.

三位半或四位半数字万用表

一台

三、

实验原理

1.

数字万用表的特性

与指针式万用表相比较,数字万用表有如下优良特性:

高准确度和高分辨力

三位半数字式电压表头的准确度为±0.5%,四位半的表头可达±0.03%,而指针式万用表中使用的磁电系表头的准确度通常仅为±2.5%。

分辨力即表头最低位上一个字所代表的被测量数值,它代表了仪表的灵敏度。通常三位半数字万用表的分辨力可达到电压0.1mV、电流(指电流强度,下同)0.1μA、电阻0.1Ω,远高于一般的指针式万用表。

电压表具有高的输入阻抗

电压表的输入阻抗越高,对被测电路影响越小,测量准确性也越高。

三位半数字万用表电压挡的输入阻抗一般为10MΩ,四位半的则大于100MΩ。而指针式万用表电压挡输入阻抗的典型值是20~100kΩ/V。

测量速率快

数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数,它主要取决于A/D转换的速率。三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒2~4次,高的可达每秒几十次。

自动判别极性

指针式万用表通常采用单向偏转的表头,被测量极性反向时指针会反打,极易损坏。而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性,使用起来格外方便。

全部测量实现数字式直读

指针式万用表尽管刻画了多条刻度线,也不能对所有挡进行直接读数,需要使用者进行换算、小数点定位,易出差错。特别是电阻挡的刻度,既反向读数(由大到小)又是非线性刻度,还要考虑挡的倍乘。而数字万用表则没有这些问题,换挡时小数点自动显示,所有测量挡都可以直接读数,不用换算、倍乘。

自动调零

由于采用了自动调零电路,数字万用表校准好以后使用时无需调校,比指针式万用表方便许多。

抗过载能力强

数字万用表具备比较完善的保护电路,具有较强的抗过压过流的能力。

当然,数字万用表也有一些弱点,如:

测量时不象指针式仪表那样能清楚直观地观察到指针偏转的过程,在观察充放电等过程时不够方便。不过有些新型数字表增加了液晶显示条,能模拟指针偏转,弥补这一不足。

数字万用表的量程转换开关通常与电路板是一体的,触点容量小,耐压不很高,有的机械强度不够高,寿命不够长,导致用旧以后换挡不可靠。

一般数字万用表的V/Ω挡公用一个表笔插孔,而A挡单独用一个插孔。使用时应注意根据被测量调换插孔,否则可能造成测量错误或仪表损坏。

2.

数字万用表的基本组成

数字显示屏(LED或液晶)

模数转换,译码驱动

基准电压

小数点驱动

(配合被测量与量程)

过压过流保护

过压过流保护

分档电阻(量程转换)

分压器(量程转换)

分流器(量程转换)

交流直流变换器

(放大、整流、滤波)

直流

被测量

交流

VREF

电流

电压

电阻

VIN

图(1)

数字万用表的基本组成

除了图(1)中的基本组成部分之外,数字万用表通常还有蜂鸣器电路、二极管检测电路、三极管hFE测量电路、低电压指示电路等(如DT830A型)。有的表还设有电容测量电路、温度测量电路、自动延时关机电路等(如DT890C+、M890D、KT105等型号)。更新型的还有电感、频率测量电路(如DT930F+、KT102、VC9808等型号)。

[本实验只研究数字万用表的基本组成部分]

3.

直流电压测量电路

在数字电压表头前面加一级分压电路(分压器),可以扩展直流电压测量的量程。如图2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。

10M

99k

9k

1M

1k

数字电压表

200mV

200V

20V

2V

Ui

2000V

IN+

IN-

数字电压表

r1

r2

r

0~U0

0~Ui0

图(2)分压电路原理

图(3)多量程分压器原理

由于r

>>

r2,所以分压比为

2000V

电压表

1k

9k

90k

900k

9M

R5

R4

R3

R2

R1

Ui

200mV

2V

200V

20V

IN+

IN-

扩展后的量程为

多量程分压器原理电路见图(3),5挡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200m

V、2V、20V、200V和2000V。

采用图3的分压电路虽然可以扩展电压表的量程,但在小量程挡明显降低了电压表的输入阻抗,这在实际使用中是所不希望的。所以,实际数字万用表的直流电压挡电路为图(4)所示,它能在不降低输入阻抗的情况下,达到同样的分压效果。

例如:其中200V挡的分压比为

其余各挡的分压比可同样算出,请同学们自己计算。图(4)

实用分压器电路

实际设计时是根据各挡的分压比和总电阻来确定各分压电阻的。如先确定

R总=R1+R2+R3+R4+R5=10M

再计算2000V挡的电阻

R5=0.0001R总=1k

再逐挡计算R4、R3、R2、R1(详见数据处理部分)。

尽管上述最高量程挡的理论量程是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,多刀量程转换开关可以根据挡位自动调整小数点的显示,使用者可方便地直读出测量结果。

A

交流电

压输入

直流电

压输出

图(8)AC-DC变换器原理简图

交流电

压校准

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(AC-DC)变换器,图(8)为其原理简图。

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,用来对交流电压挡进行校准之用。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。

同直流电压挡类似,出于对耐压、安全方面的考虑,交流电压最高挡的量限通常限定为750V(有效值)。

数字万用表交流电压、电流挡适用的频率范围通常为40~400Hz(如DT830A、M3900等型号),有些型号的交流挡测量频率可达1000Hz(如M3800、PF72等)。

四、

内容与步骤

1.

设计制作多量程直流数字电压表

(1)组装直流数字电压表:使用电路单元:三位半数字表头,直流电压校准,直流电压电流,分压器1。按图(11)接线,参考电压VREF输入端接直流电压校准电位器。

(2)校准电压表头:用一只成品数字万用表(称为标准表)置于直流电压20V量程进行监测,调节直流电压电流单元电路中电位器,使之输出一150--200mV左右的校准电压,然后将标准表表笔(输入)与组装表表笔并联,均置于直流电压200mV挡,测量直流电压电流单元输出电压,调整“直流电压校准”旋钮使表头读数与标准表读数一致(允许误差±0.5mV)。

(3)绘制组装表的电压校准曲线:调节直流电压电流单元电路中电位器,使之分别输出20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、120mV、140mV、160mV、180mV的直流电压。将标准数字万用表表笔与组装表表笔(输入)并联,标准表、组装表均置于直流电压200mV挡,同时测量直流电压电流单元输出电压,列表记录之。并绘出组装表的电压校准曲线(关于绘制电表校准曲线请同学参考《大学物理实验》讲义第一册42页的有关介绍)。

(4)

用自制电压表测直流电压(选做)

a.测量5号电池的端电压(标称值1.5V)

b.测量6F22电池的端电压(标称值9V)

c.测量DM-I实验仪上的待测直流电压:调节“直流电压电流”单元的电位器,可以改变直流电压“V”的大小和极性。将电流“I”两端连通,构成电流回路,电路中的LED可能会发光,可以观测电压“V”对发光状态的影响

d.测量光电池的端电压:将电压表连接于光电池的两端,改变光照的强度,观察电压的变化情况

图(11)

2.设计制作多量程交流数字电压表

(1)组装多量程交流数字电压表:

使用电路单元:三位半数字表头,直流电压校准交流电压校准(AC-DC变换器),分压器1,

量程转换与测量输入。在上述200mV直流数字电压表头的基础上,增加交流-直流(AC-DC)变换器,制成交流数字电压表⑴并校准

按图(13)接线,在200mV直流数字电压表头(已校准)前面接入AC-DC变换器,然后进行交流电压校准。

IN+

IN-

dp1

dp2

dp3

VREF+

VREF-

动片1

图(12)多量程直流数字电压表

的小数点控制电路

200mV

20V

2V

200V

1000V

注:动片1在内部已接驱动电路

(2)交流电压校准:用标准表置于交流电压20V量程进行监测,接通交流电压电流单元电路,使之输出一150--200mV左右的交流电压。然后将标准表表笔与组装表表笔并联,均置于交流电压200mV挡,测量交流电压电流单元输出电压,调整“交流电压校准”旋钮使表头读数与标准表读数一致(允许误差±1.5mV)。

(3)绘制组装表交流2V档的电压校准曲线:

接通交流电压电流单元电路,使之分别输出0.2V、0.4V、0.6V、0.8V、1.0V、1.2V、1.4V、1.6V、1.8V的交流电压。将标准数字万用表表笔与组装表表笔(输入)并联,标准表、组装表均置于交流电压2V挡,同时测量交流电压电流单元输出电压,列表记录之。并绘出组装表交流2V档的电压校准曲线。

三位半数字表头

IN+

IN-

dp1

dp2

dp3

VREF+

VREF-

直流电

压校准

接动片1

1k

99k

分压器

交流电压V

图(13)

200mV交流数字电压表头及其校准电路

A

AC-DC变换器

交流电

压校准

数字万用表

交流200mV档(标准表)

200mV直流数字电压表头

(4)用自制交流电压表测电压(选做)

a.测量待测“交流电压电流”单元中的V,此电压为内部电源变压器的次级电压。

b.测量灯泡电压:将待测交流电流I连通(短路),小灯泡可能会发亮。调整限流电位器,灯泡亮度会随之变化。测量灯泡两端的电压,观察其与灯泡亮度之间的关系。

c.测量市电(标称值~220V)的电压(注意安全,务必在教师指导下进行)。

实验数据

表头校准时,直流校准电压大致为170mV,交流校准电压大致为1.5V

直流测量:

U万/mV

19.77

40.18

59.47

80.10

99.34

120.53

139.2

159.5

179.63

U测/mV

19.7

40.2

59.6

80.3

99.6

120.8

139.5

159.9

180.0

ΔU=U测-U万

(mV)

-0.07

0.02

0.13

0.20

0.26

0.27

0.30

0.40

0.37

在下面的Origin图像中,由于无法显示Δ,将以?替代

直流组装表的电压校准曲线

交流测量:

U万/V

0.203

0.398

0.599

0.802

1.002

1.203

1.400

1.600

1.795

U测/V

0.414

0.541

0.694

0.857

1.029

1.209

1.390

1.567

1.717

ΔU=U测-U万

(V)

0.211

0.143

0.095

0.055

0.027

0.006

-0.01

-0.033

-0.078

同样存在Δ的问题,作图如下:

交流组装表的电压校准曲线

实验结论:由最终的实验数据可以看出,组装表的误差在一定程度上还是宏观存在的,并且交流表比直流表的误差明显增大,说明该实验的精度还有待提高,尤其是交流部分。

注意事项

1.

实验时应当“先接线,再通电;先断电,再拆线”,通电前应确认接线无误,避免短路。

2.

即使加有保护电路,也应注意不要用电流挡或电阻挡测量电压,以免造成不必要的损失。

3.

当数字表头最高位显示“1”(或“-1”)而其余位都不亮时,表明输入信号过大,即超量程。此时应尽快换大量程挡或减小(断开)输入信号,避免长时间超量程。

4.

自锁紧插头插入时不必太用力就可接触良好,拔出时应手捏插头旋转一下就可轻易拔出,避免硬拔硬拽导线,拽断线芯。

8

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