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数字万用表设计原理 机电实践班 2010.3 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： ⑴ 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。 ⑵ 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档的输入阻抗一般为10MΩ，四位半的则大于100MΩ。而指针式万用表电压档输入阻抗的典型值是20～100kΩ/V。 ⑶ 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。 ⑷ 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。 ⑸ 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，也不能对所有档进行直接读数，需要使用者进行换算、小数点定位，易出差错。特别是电阻档的刻度，既反向读数（由大到小）又是非线性刻度，还要考虑档的倍乘。而数字万用表则没有这些问题，换档时小数点自动显示，所有测量档都可以直接读数，不用换算、倍乘。 ⑹ 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。 ⑺ 抗过载能力强 当然，数字万用表也有一些缺点，如： ⑴ 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。 ⑵ 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，导致用旧以后换档不可靠。 ⑶ 一般数字万用表的V/Ω档公用一个表笔插孔，而A档单独用一个插孔。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 图1 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 输 入 交流 VREF 电流 电压 电阻 VIN 3.模数（A/D）转换与数字显示电路 常见的物理量都是幅值（大小）连续变化的所谓模拟量（模拟信号）。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（通常是电压信号）转换成数字信号，再进行显示和处理（如存储、传输、打印、运算等）。 数字信号与模拟信号不同，其幅值（大小）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。就象人站在楼梯上时，人站的高度只能是某些分立的数值一样。这种情况被称为是“量化的”。若最小量化单位（量化台阶）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（译码）后由数码管或液晶屏显示出来。 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，一般的仪器仪表生产者、使用者只要知道该类集成电路的管脚及特性，就能使用了。 本安装实验使用的数字万用表其核心是一个三位半数字表头，它由数字表专用A/D转换译码驱动集成电路和外围元件、液晶显示电路构成。该表头有７个输入端，包括２个测量电压输入端（IN+、IN-）、２个基准电压输入端（VREF+、VREF-）和３个小数点驱动输入端。 4. 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。 由于r r2，所以分压比为 扩展后的量程为 图２ 分压电路原理 数字电压表 r1 r２ r ０～U0 ０～Ui0 多量程分压器原理电路见图（３），５档量程的分压比分别为１、0.1、0.01、0.001和