第九章　数字仪表

第九章　数字仪表

第一节　数字仪表测量机构

第二节　数字电流表和数字电压表

第三节　数字毫欧表和电容表

第四节　 DT - 830 型数字万用表

学习目标：

　　 1 ．了解数字仪表测量机构的组成工作原理及技术特性。

　　 2 ．掌握数字电压表、电流表、万用表的使用和维护方法。

第一节　数字仪表测量机构一、结构和工作原理　　 1 ．结构　　数字测量仪表的测量机构大多是由数字电压基本表构成的。该基本表主要由 A/D 转换器、数码显示器和少量的外围阻容元件配合组成。

　　 (1) 双积分 A/D 转换器　　这是一种大规模集成电路，它的内部结构包含模拟和数字两大部分，作用是把输入的模拟电压信号变成数字输出，并驱动显示。


图 9 - 1 　数字电压表基本电路图


　　 (2) 数码显示器

图 9 - 3 　十进制数的弊端及数字图

　　数码显示器的作用是显示数字。显示器有辉光数码管显示、荧光数码管显示等多种，但普遍采用的是发光二极管显示或液晶显示。


图 9 - 4 　 LED 数据显示器

　　由七个条状发光二极管排列成的，如下图。

　　该显示驱动电流较大 ( 约 5 10 mA) ，发光亮度较高，适用于固定场合的台式数字仪表及数字面板表。

　　① 发光二极管 (LED) 数码显示器


图 9 - 6 　液晶显示器内部线路图

　　是一种新型平板型显示器。驱动电压低，工作电流小。液晶显示器本身不发光，但液晶流体具有关电效应，利用它可以反射光线，显示字段。

　　② 液晶 (LCD) 显示器

图 9 - 5 　液晶显示器结构图


　　 1 ．工作原理

图 9 - 7 　数字仪表原理框图

　　双积分 A/D 转换器是数字电压基本表的核心，它是通过对信号的取样积分，对基准电压的反向积分及休止归零等三个夹断实现 A/D 转换过程的。

　　它转换的实质是用位置的被测电压与已知的稳定性和准确度很高的基准电压相比较，转换结果的显示数码式两个电压的比值，即

REF

IN1000UU

N (9 - 1)

第一节　数字仪表测量机构二、技术特性和应用范围

　　 2 ．应用范围

工作条件不限

灵敏度高

仪表功耗小

测量速度高

准确度高

读数方便操作简单

输入阻抗高

　　 1 ．技术特性

　　 (2) 将数字仪表配上传感器，可构成种类繁多的专用数字仪表。

　　 (1) 数字仪表广泛用于工农业生产建设中。

第二节　数字电流表和数字电压表一、数字直流电流表　　 1 ．单量程数字直流电流表

　　 (2) 工作原理。根据并联电阻的分流原理制成的。该电路分流电阻与数字电压基本表并联。图 9 - 8 　单量程数字直流电流表

　　 (1) 结构。主要由数字电压基本表和分流电阻并联而成，如图所示。


　　分流电阻的作用主要有：

　　① 保护数字电压基本表测量机构。

　　② 分流电阻产生的压降将电流转换为数字基本表输入电压 UIN 以实现 I/U 转换。　　③ 分流电阻也是直流电流表的输入阻抗，可根据欧姆定律计算分流电阻值。　　设数字电压基本表的电压量程是 Um ，数字直流电流表电流量程是 Im ，则分流电阻 Rf 为：

m

mf IU

R


　　 2 ．多量程数字直流电流表

　　 (2) 工作原理。与单量程数字电流表相同，都是通过不同阻值分流电阻的分流达到扩大量程的目的。

图 9 - 9 　多量程数字直流电流表

　　 (1) 结构。采用不同的分流电阻与数字电压基本表并联制成的，如图所示。


二、数字直流电压表

　　 1 ．单量程数字直流电压表

　　 (1) 结构。由直流电压基本表、量程转换开关，如图所示的五量程数字电压表。

图 9 - 10 　单量程数字直流电流表

　　 (2) 工作原理。采用共用附加分压电阻分压，来达到扩大量程的目的。


　　 2 ．多量程直流电压表

　　 (2) 工作原理。与单量程数字电流表相同，都是通过不同阻值分流电阻的分流达到扩大量程的目的。

图 9 - 9 　多量程数字直流电流表

　　 (1) 结构。采用不同的分流电阻与数字电压基本表并联制成的，如图所示。


三、数字交流电流表及数字交流电压表　　 1 ．结构　　主要由测量线路、整流式 AC/DC 转换器和数字电压基本表组成。多量程数字交流电流表及电压表如下图所示。

图 9 - 12 　数字交流电压表测量电路

图 9 - 12 　数字交流电流表测量电路


　　 2 ．工作原理

图 9 - 14 　线性整流 AC/DC 转换器电路图

　　数字交流电流表及数字交流电压表是在数字直流电流表及数字直流电压表的基础上增加了 AC/DC 转换器。所以，这里主要介绍 AC/DC 转换器的工作原理。

　　常见的 AC/DC 转化器是通过半波整流或者全波整流将交流信号转换成为直流信号的。


　　线性整流式 AC/ DC 转换器是由运算放大器 A ，二极管 V1 、 V

2 ，反馈网络电阻 R1 、 R2 接成同相放大电路的。　　该电路工作过程是 : 交流信号经运算放大器 A 放大后，进入 V1 、V2 组成的半波整流电路。　　整流后的输出电压从二极管 V1 引出，经电容滤波后送至数字电压基本表。　　该电路输出电压有效值 Uo 与输入电压有效值 Ui 的关系为：


i2

1o 1 U

RR

U

(9 - 2)

　　因为该电路是半波整流，故直流平均电压 Up 为：

op 45.0 UU

i2

1p 145.0 U

RR

U

(9 - 3)

　　调节 R2 可改变放大器的放大倍数，使输出电压平均值 Up 等于输入交流电压 ui 的有效值，这样就构成了一个交流数字电压基本表。


一、数字毫欧表

　　 1 ．结构

图 9 - 15 　数字毫欧表外形图

　　主要由数字电压基本表、基准电阻、运算放大器和量程转换开关等组成，其外形如图所示。

第三节　数字毫欧表和电容表　　 2 ．工作原理

　　以数字电压基本表为核心的电阻表。一般法采用比例法测量电阻。

图 9 - 15 　用比例法测量电阻

　　将 R0 和 Rx 串联，由测试电源 E0 向 R0 和 Rx 提供测试电流。　　 R0 上的压降为基准电压UREF ， Rx 上的压降输入电压 UIN 。根据关系式

REF

IN1000UU

N (9 - 1)

　　可以得到被测电阻阻值 :

10000

RR

N x (9 - 4)


　　若基准电阻 R0 固定为 1000 ，则上式为xRN

图 9 - 17 　数字毫欧表电路框图

　　用比例放大测量毫欧级电阻许接入由运算放大器组成的十倍放大电路，有了右图可以解决在测 20 挡以下时的基准电阻小，测试电流大的问题，页消除了由接线电阻、接触电阻给测量带来的误差。


　　 3 ．数字毫欧表的技术特性　　数字毫欧表量程从 20 m 按 10 倍递增到 2 M 共九个量程，精度为 0.2 级 (0.1% Rx , +2 字 ) ，最高分辨力为 0.01 m 。　　 4 ．数字毫欧表的使用　　使用前，检查仪表电源电压是否符合要求，各挡案件是否灵活，数字显示是否正常。注意以下问题：　　 (1) 数字毫欧表上四个测试端，两个电流端钮输入测试电流，两个点位端钮输入测试电压。　　 (2)在 20 m 挡测试电流较大 ( 约 1 A) ，故测量要迅速，以免电池耗电过大。


三、数字电容表

　　 1 ．结构　　主要由电容 /电压转换器、数字电压基本表、量程选择电路和基准电路组成。原理如图所示。

图 9 - 18 　数字电容表电路原理框图

第三节　数字毫欧表和电容表　　 2 ．工作原理

图 9 - 19 　电容 / 电压转换电路原理图

　　利用被测电容 Cx 的充、放电过程，将被测电容量转换为直流电压量，然后通过数字电压基本表 A/D 转换，得到与被测电容量成正比例的数字，显示出电容器容量的大小。

　　因此，电容 / 电压转换器是数字电容表的重要组成部分。

　　主要通过电容的充电、保持、放电、复零四个阶段。


　　 3 ．数字电容表的使用

　　 (1) 使用时请先打开电源的开关“ ON”，按下 200 pF 挡按键，调节调零旋钮使显示屏示值为“ 00.0”。　　 (2) 将待测电容插入仪表插孔，根据仪表显示情况选择和适量程挡。　　 (3) 测量完电源开关置于“ OFF”位置，以免耗电。　　 (4) 测量时，若电容元件不能直接插入面板插孔，可用测试线连接进行测量。


　　 4 ．测量电容的注意事项

　　 (1) 电容器从电源断开时，两极上残留一定得电压。这是如果触及电容器可能造成触电事故。因此必须先对电容器进行充分放电，绕后再测电容。

　　 (2) 测量电容前应先检查电容器组是否已击穿短路。如果已击穿，则不可加交流电压。

　　 (3) 电解电容有正负极之分，不易加交流电压。

　　 (4) 测量在路元件不要带电测量。

第四节　 DT – 830 型数字万用表

一、结构

图 9 - 21 　 DT – 830 型数字万用表面板图

　　主要由　　位数字电压基本表、测量电路、量程选择开关组成。

2

13

　　仪表具有自动显示极性功能。　　测量电路是数字万用表的中心环节，是数字万用表不可缺少的外围元件。


二、工作原理　　数字万用表的原理框图如图所示。

图 9 - 22 　数字万用表工作原理框图


　　 1 ．直流电流的测量

图 9 - 23 　直流电流测量电路

　　使用时，被测电路在环形分流器电阻 R2 R5 、Rcu 上产生压降，送入数字直流电压基本表。


　　 2 ．直流电压的测量

图 9 - 24 　直流电压测量电路

　　使用时，输入电压在分压电阻上产生压降，进入直流电压表 7106 组件进行测量。


图 9 - 25 　交流电压测量电路

　　使用时，经共用附加电阻衰减后的交流信号通过交流运算放大器放大，进入 V7 、 V8 组成半波整流。

　　 3 ．交流电压的测量


　　 4 ．交流电流的测量　　测量电路输入部分采用的分流法与直流电流测量相同 , 即被测电流在分流电阻上产生压降，此交流信号送入 AC/ DC 转换器，即交流运算放大器放大，经二极管 V7 、 V8 整流后送入组件 7106 测量显示。　　 5 ．电阻的测量

图 9 - 25 　电阻压测量电路


　　测量电阻利用基准电阻并依靠功能开关，采用比例法测量电阻。

(9 - 1)

　　 R0 上的压降为基准电压 UREF ， Rx 上的压降输入电压 UIN 。根据关系式

REF

IN1000UU

N

得到

REF

x1000UU

N


　　 6 ．晶体管 hFE() 的测量

图 9 - 27 　晶体管 hFE 测量电路

　　已知晶体管的放大系数 hFE = IC / IB ，而 IE = IB + IC IC 。


　　 6 ．晶体管 hFE() 的测量

　　根据电路图可知，向晶体管提供基极电流的基极电阻 RB ，对 PNP 型或 NPN 型管是共用的。

　　要测晶体管 hFE 的关键是应将流过取样电阻 R0

的电流转换为数字基本表的输入电压，再通过数字基本表组件 7106 的测量，即可测出晶体管 hFE 值。

　　利用基本量程 200 mV 测 hFE ，去掉小数点，则显示值 N 就等于 hFE 。


三、数字万用表的使用方法

　　 1 ．直流电压的测量

　　使用时将量程开关置于“ DCV”挡的相应量程上，黑笔接“ COM”插孔，红笔接“ V”插孔，将电源开关拨至“ ON” ，表笔接入被测电路。

　　 2 ．交流电压的测量

　　将量程开关拨到“ ACV” 挡相应量程上，表笔由测量插孔“ V · ” 和“ COM”接入，测量方法与测直流电压相同。


　　 3 ．直流电流的测量　　使用时 ,将仪表串联接入被测电路中 ,量程开关拨至“ DCA”挡相应量程上。　　当被测电流小于 200 mA ，红表笔应接“ mA” 插口，黑笔接“ COM”插孔，接通表内电源即可显示读数。　　若量程开关置于“ 200 m”、“ 20 m/ 10 A”、“ 2 m”三挡时，显示值以 mA 为单位；置于“ 200”挡，显示值以 A 为单位。　　当被测电流大于 200 mA ，量程开关只能置于“ 20 m /10 A”上，红表笔应接“ 10 A” 插口，显示值以 A 为单位。


　　 4 ．交流电流的测量　　将量程开关拨至“ ACA”挡相应量程上，将仪表串接在被测电路中。　　红表笔接“ COM”插孔，红表笔按量程不同接“ mA” 或“ 10 A”插口，测量方法与测直流电流相同。

　　 5 ．电阻的测量　　将量程开关拨至“”挡适当量程挡，勿需调“ 0”，由测插孔“ V ”和“ COM”接入被测电阻。

　　 6 ．其他参数的测量


四、技术特性　　 (1)DT - 830 数字万用表测量范围见下表。

表 9 - 1 　 DT – 830 的测量范围与准确度

　　 (2) 输入阻抗约 10 M 。


　　 (3) 测量速度 2.5 次 /s 。

　　 (4)最大显示字数 1999 或 1999 。

　　 (5) 电源 9 V 叠层电池。

　　 (6)整机功耗 17.5 25 mV 。

　　 (7) 外形尺寸 168 mm 80 mm 26 mm 。


五、使用注意事项与维护

　　 (1) 测量前应校对量程开关位置及两表笔所接的插孔，无误后再进行测量。

　　 (2) 对无法估计的待测量，应选择最高量程挡测量，然后根据现实结果选择合适的量程。

　　 (3)严禁带电测量电阻。

　　 (4) 数字万用表的频率特性较差，测量量超过其频率范围，误差会增大。


　　 (6) 仪表测量误差增大常常因为电源电压不足总成，测量时应注意欠压指示信号。

　　 (5) 保存仪表时应特别注意环境条件，不要将其放置在高温或潮湿的环境。

　　 (7)当测量电流无显示时，应首先检查熔丝管是否接入插座，熔丝是否烧断。

第九章 数字仪表

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