数字万用表实验课程论文DOC.docx

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数字万用表实验课程论文DOC

西南大学物理科学与技术学院

《普通物理实验专题》课程论文规范化要求

1、书写格式要求。

课程论文一律采用A4纸打印。

论文排版规范（见附件）,符合下列次序：

（1）标题；

（2）作者姓名、单位；

（3）内容提要（中文摘要在300字以内，关键词3—5个）；

（3）引言；

（4）正文（应包括实验数据的分析处理）；

（5）结论；

（6）主要参考文献与附录；

（7）致谢。

2、文字要求。

文字通顺、语言流畅、思路清晰、说理透彻、书写完整、无错别字。

3、图纸要求：

图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

4、曲线图表要求：

所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等必须按国家规定标准或工程要求手工或采用计算机绘制。

5、使用SI制。

附件：

课程论文排版规范详解

开放性实验室的运行机制（居中、黑体、三号）

（空1行）

王宜兰（居中、小四号）

西南大学物理科学与技术学院，重庆400715（宋体、居中、五号）

（空1行）

摘要：

本论文探讨了开放性实验室…………….（仿宋、五号）

关键词：

开放性实验室；运行机制；（宋体，五号）

（空1行）

实验教学对于学生的技能培养发挥着越来越重大的作用……….（正文，中文一律采用宋体小四号字，标题加粗，行间距1.5倍）

（空2行）

参考文献（小四号宋体加粗）：

[1]刘广珠.高中生考试焦虑成因分析[J].陕西师大学报（哲社版），1995，24

（1）：

161-164.

[2]郑霖，柴宗新，郑远昌，等.四川省地理[M].四川科学技术出版社，1994.108-111.（文献顶格，连续编号，宋体，五号，单倍行距。

引用格式按照西师学报要求，请注意标点符号）

说明：

1、若有图表，图表的标题应有中英文对照，字体为宋体，五号，居中，表格采用三线表；

2、A4纸打印，页边距上下左右均为2.5厘米；

3、引用文献中可包括外文文献；

4、中文标点一律采用全角。

普通物理实验专题

课程论文

题目FB309a数字万用表设计探究

学院_物理科学与技术学院___

专业____物理学____________

年级______2013___________

学号_222013315052007__

姓名_____杨能____________

指导教师______孙卫伟_________

论文成绩_____________________

答辩成绩_____________________

年月日

FB309a型数字万用表设计探究

杨能

西南大学物理与科学技术学院，重庆400715

摘要：

数字万用表采用大规模集成电路和液晶数字显示技术，具有结构简单、测量精度高、输入阻抗高、显示直观、过载能力强、功能全、耗电省、自动量程转换等优点，许多数字万用表还带有测电容、频率、温度等功能。

本课题的主要内容是理解FB309a型数字万用表的基本结构和原理，通过数字万用表的组装与调试，培养电子产品安装测试技能。

关键词：

数字万用表原理安装调试检验

正文：

、

-、前言

研究背景

数字仪表是把连续的被测模拟量自动地变成断续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。

这是一种新型仪表，它把电子技术、计算机技术、自动化技术与精密电测量技术密切地结合在—起，成为仪器仪表领域中一个独立的分支。

数字万用表（DMM）是指可直接测量电压、电流、电阻或其他电参量的仪表，其功能可任意组合并以十进制数字显示被测量的结果，应用十分广泛。

在传统的电工和电子测量中广泛使用的模拟测量仪表，虽然具有观察者可直观看出表针偏转了多个格或满刻度的百分之几等优点，但要对读数加以换算或说明，尤其是不可避免地要带来人为的“视差”，不同的观察者会得到不同的结果。

数字仪表则不同，它可以将测量结果直接用数字显示出来。

然而，要对模拟量测量的结果直接用数字显示出来，无疑首先要解决如何将模拟量转变为数字量的问题，这个转换过程还有很多值得研究的地方，如准确度、取样速率、抗干扰能力、分辨力等。

本课题通过对现有通用数字多用表的测量理论和实现电路的研究，研究模拟量转变为数字量的问题；并对现有通用数字多用表的测量理论和实现电路进行分析，设计出一种数字万用表的测量电路，是一个密切关联实际的课题，有比较大的现实意义。

原理

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。

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

（2-1）

扩展后的量程为

（2-2）

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。

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。

图2-5实用分流器电

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，

（2-3）

再计算下一档的

，

（2-4）

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。

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。

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。

研究目的

1、了解数字电表的基本原理。

2、了解万用表的特性、组成和工作原理。

3、掌握分压、分流电路的原理以及设计对电压、电流和电阻的多量程测量。

研究内容

直流电流测量

20mA档量程校准：

1、测量时先把直流电压电流模块中的电位器逆时针旋到底，即使输出电流为0；

2、拨开开关K1-4→ON，其余K1-1，2，3→OFF，使Rint=47kΩ。

调节AD参考电压模块中的电位器，同时用万用表200mV档测量输出电压值，直到万用表的指示等于100mV为止。

3、拨位开关K2-2→ON，其余K2-1，3，4→OFF，使对应ICL7107模块中数码管的相应小数点点亮，显示xx.xx。

4、按照图25方式接线、供电。

向右旋转调节直流电压电流模块中的电位器，使万用表显示为0～19.99mA之间的某一具体值（如：

15.00mA）

5、观察数模转换模块中显示值是否为0～19.99mA中的前述的那一某一具体值（如：

15.00mA）。

若有些许差异，稍微调整AD参考电压模块中的电位器使模块显示数值为0～19.99mA中的前述的那一具体值（如：

15.00mA）。

调节直流电压模块中的电位器，减少其输出电流，使显示模块输出电流为：

19.9mA、18.0mA、16.0mA、······0.20mA、0mA；并同时记录下万用表所对应的读数。

再以模块显示的读数为横坐标，以万用表显示的读数为纵坐标，绘制校准曲线。

图29

图

交流电压测量

200mV交流电压档的校准

1、先进行200mV直流电压档量程的校准。

2、调节交流电压电流模块的交流电流输出，用万用表测量，使之为0～19.99mV之间的某一具体值（如：

15.00mV）。

3、参照图29的方式接线、供电。

看模块的显示值是否为0～19.99mV之间的某一具体值（如：

15.00mV）。

若有差别，调节交直流电压转换模块中的电位器，使模块显示读数与万用表测量的值相同即可。

4、调节交流电压电流模块中的电位器，减小其输出电压，使模块输出电压为199.9mV、180.0mV、160。

0mV、······20.0mV、0mV；并同时记录下万用表所对应的读数。

再以模块显示的读数为横坐标，以万用表显示的读数为纵坐标，绘制校准曲线。

5、如果要测量大于200mV的交流信号，必须在交直流转换模块前加入分压器后再进行测量，与多量程直流电压测量一样，注意在测量高压时，务必在测量前确定线路连接正确，严格按规程操作，确保人身安全。

二、原理

——

三、实验设备和实验技术

FB309a数字万用表设计实验仪额实物照片如图23所示，下面将描述各模块的功能。

1、JK-22型数字表原理和万用表设计实验仪专用电源1台。

（包括）

（1）提供数显表±5V直流工作电源；

（2）提供各单元模块±5V直流工作电源；

（3）提供ICL7106参考电压Vref0～1.2V连续可调；

（4）提供连续可调测量用直流电压、电流0～10V连续可调；

（5）提供连续可调测量用交流电压、电流0～6V连续可调；

2、九孔实验板1块（300×297mm）。

3、实验模块：

（1）ICL7106模数转换及显示模块1块（100×100mm）。

（2）量程转换开关模块1块（64×64mm）。

（3）电流档保护模块1块（64×32mm）。

（4）电阻档基准电压及保护模块1块，提供基准电压并防止过压（64×64mm）。

（5）交直流电压转换模块1块，把交流待测信号转换为直流信号（64×64mm）。

（6）NPN、PNP三极管测量模块各1块（64×64mm）。

（7）参考电阻、待测电阻模块各1块（64×32mm）。

（8）LM35电压集成温度传感器测量模块1块（64×32mm）。

（9）电位器（可变电阻）模块1块（64×32mm）。

（10）二极管、短路及大小插头转换连接片、固定电阻器若干（32×16mm）。

4、Q9、Φ4、Φ2插头专业连接线若干。

四、结论和展望

根据表4.1电阻测量得出本数字万用表与UT58B型标准数字万用表的相对误差的范围在0~1.5%之间，而DT830B型数字万用表电阻测量的准确度之间，在准确度的范围内；由表4.2所示，交流电压测量的准确度在内，而实际测量的相对误差在1.3~2.2%之间，属于准确度的范围；表4.3所示为直流电压测量，测量的准确度在内，而实际测量范围在0.9~1.1%之间，综合得出此万用表的性能较良好，是一块准确的万用表。

参考文献

[1]沙占友，新型数字万用表原理与应用，机械工业出版社，2006年

[2]王岸东,姜广飚,吴玉坤.数字式万用表工作原理的演示实验设计[J].哈尔滨师范大学自然科学学报.1999（02）

[3]沙占友.数字万用表的原理、调试及故障修理[J].电测与仪表.1988（04）

[4]田睿.数字万用表的设计性实验研究[J].湖北广播电视大学学报.2012（04）

[5]蒋从元.数字万用表的释疑[J].川北教育学院学报.2002（02）