1章万用表原理.docx
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1章万用表原理
第一章DT830B数字式万用表的工作原理
第一节概述
一、电子工艺实习电路选择
电子工艺实习所用电路应选择具有代表性的模数结合的电路，让学生根据所掌握的基础知识展开设计、焊节和调试。
可以用作电子工艺实习的电路多种多样，如调频收音机、小型黑白电视机、数字式万用表、数字式频率计等，都可以作为实习电路供学生训练。
本讲义选择数字显示式万用表电路，作为典型电路推荐给学生，供学生在工艺实习中参考。
二、数字万用表和数字电压表的特点
数字式万用表是在数字式电压表的基础上加上扩展电路而得，采用数宇化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成离散的数字形式并加以显示的仪表。
在讲解数字式万用表之前，应首先介绍数字式电压表。
数字电压表具有下述特点：
⑴显示清晰直观，读数准确
数字电压表则采用先进的数显技术，使显示结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的，不仅保证了读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能缩短读数和记录的时间。
⑵准确度高
数字电压表准确度的表达方式为
准确度=
（1.1.1）
式中RDG为读数值（即显示值）,代表A/D转换器和功能转换器（例如分压器、有效值转换器）的综合误差，n是量化误差反映在末位数字上的变化量。
根据准确度的高低可将数字电压表分成若干等级。
其中直流数字电压表共分11个等级：
0.0005、0.001、0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0。
以0.001级为例，它表示当被测电压VIN=满量程电压VM时，仪表的相对误差小于0.001%，余者类推。
⑶分辨率高
分辨率是指所能显示的最小数字与最大数字之比。
通常用百分数表示。
例如，
位数字电压表的分辨率为1/1999，约等于0.05%。
用同样的方法可计算出，
位和
位数字电压表的分辨率依次为0.005%和0.0005%。
需要指出，分辨力和准确度属于两个不同的概念。
前者反映仪表的“灵敏性”，即对微小电压的识别能力；后者反映电压测量的“准确性”，即测量结果与真值的一致程度。
二者无必然的联系，因此不能混为一谈。
⑷测量范围宽
多量程数字电压表通常可测0~1000V的直流电压，配上高压探头还可测量几千伏乃至上万伏的高压。
⑸扩展能力强
在数字电压表的基础上，还可以扩展成各种通用及专用数宇仪表。
仅以电压测量类仪表为例，就可划分成直流数字电压表，交流数字电压表、峰值数字电压表、有效值数字电压表、数字电平表、逻辑电平测试仪等等。
数字式万用表就是其中最具代表性的一个。
正因为如此，所以它具备数字式电压表的所有特点。
三、数字电压表的显示位数
显示位数通常为
位~
位。
其中常用的有
位、
位、
位、
位等等。
数字仪表显示位数的定义有两条含义：
其一是整数部分，代表能显示0~9中所有数字的位数。
其二是分数部分，分数部分的分母代表满量程时最高位能显示的数字的个数，分子代表最高位可显示的最大数字。
根据定义，
位数字仪表应有3+1=4个数据位，其中低三位可以显示0~9，最高位只能显示两个数字（0和1），而且这两个数字中最大的数字是“1”。
所以它的最大显示值应为±1999。
其余以此类推。
位仪表的最高位只能显示0、1、2共三个数字，且最大数字是2。
故最大显示值为±2999，在同样情况下，它要比
位数字电压表的量程高50%，后者仅为±1999。
位仪表的最高位可显示从0、1、2、3共4个数字，因此最大显示值为±3999，其量程比
位仪表高一倍。
使用
位交流数字电压表进行测量有许多优越之处，例如，普通
位交流数字电压表的次高交流电压挡满量程为199.0V，分辨率为0.1V，若要测量220V或380V工频电压，必须选择最高交流电压档（通常为750V档），分辨率为1V。
而
位交流数字电压表的次高交流电压挡满量程为399.9V，分辨率为0.1V，最适宜测量工频电源电压，既不欠量程，也不超量程，而分辨力则可提高10倍，达到0.1V。
第二节
位数字万用表的工作原理
位数字万用表的核心是
位A/D转换器，常用的芯片是ICL7106、TSC7106、ICL7107和ICL7137等型号。
ICL7106和TSC7106的工作原理完全相同，可以互相代换。
ICL7137是ICL7107的改进型，他们的工作原理与ICL7106大同小异。
ICL7106和ICL7107的区别主要在于前者是针对液晶显示屏设计的，可以很方便的用7段数码液晶屏（LCD）作为显示器，电源电压范围为+7V~+15V，单电源供电。
后者则适合于用共阳极7段数码发光二极管（LED）作为显示器，用±5V双电源供电。
本节仅介绍DT830B数字万用表中所用芯片ICL7106的工作原理。
一、ICL7106的工作原理和典型应用
1ICL7106的性能特点和技术指标
（1）采用单电源供电，额定工作电压为+7V~+15V，可使用9V叠层电池，有助于仪表的小型化。
（2）内部有异或门输出电路（又称相位驱动器），能直接驱动4位7段数码液晶屏（LCD）。
（3）低功耗。
芯片本身消耗的电流仅1.8mA。
功耗约16mW，一节9V叠层电池可连续工作200小时，在正常情况下可间断使用半年左右。
（4）输入阻抗极高，典型值为1010Ω，对输入信号无衰减作用。
（5）外围电路简单，整机组装方便。
它不需外加有源器件，只要配上几只电阻电容和LCD显示屏，就能构成一块直流数字电压表。
如果再增加一些辅助电路和转换开关，便可构成数字万用表。
（6）内设时钟电路，可构成低成本的阻容振荡器，或选用频率稳定度很高的石英晶体振荡器，亦可接入外时钟信号。
（7）能通过内部的模拟开关实现自动调零，能自动判定被测电压的极性。
:
利用外部异或门（或者异或非门）电路，可显示超量程符号和小数点。
（8）在芯片内部的V+（1脚）与COM端（32脚）之间，有一个稳定性好、带负载能力较强的基准电源，典型值为2.8V。
利用电阻分压器可获得所需要的参考电压VREF，以保证A/D转换的准确度。
转换准确度可达±0.05%±1个宇。
（9）可以很方便地对芯片进行功能检查，判断其质量好坏。
（10）抗干扰能力强，噪声、失调温漂和增益温漂均很低，可靠性好，使用寿命长。
（11）A/D转换速率较低，额定范围是0.1~15次/秒，（通常选2~5次/秒已能满足常规电工电子测量的需要）。
（12）工作温度范围是0~70℃，但受液晶显示屏的限制，环境温度不宜超过40℃，相对湿度应小于80%。
ICL7106的主要技术指标见表1.2.1。
测试条件为：
环境温度TA=25℃，时钟频率fo=45kHz，电源电压V+=9V。
表中的VM代表满量程（FS）电压。
表1.2.1ICL7106的主要技木指标
参数名称
符号
单位
测试条件
最小值
典型值
最大值
输入电流
IIN
PA
VIN=0V
1
10
0V输入读数
ZR
数字
VIN=0V，VM=200.0mV
—000.0
±000.0
＋000.0
比例读数
PR
数字
VIN=VREF=100mV
999
999/1000
1000
翻转误差
PE
数字
|-VIN|=+VIN=200.0V
－1
±0.2
＋1
非线性误差
NL
数字
VM=200.0mV或2.000V
－1
±0.2
＋1
0读数温漂
αTO
μV/℃
VIN=0V，0℃≤TA≤70℃
0.2
1
内部基准电压源
Eo
V
V+-VCOM,接25kΩ电阻
2.4
2.8
3.2
基准电压源温度系数
αT
Ppm/℃
接25kΩ电阻
80
电源电压
E
V
V+~V－
7
9
15
液晶驱动电压
VDISP
V
V+=9V
4
5
6
共模抑制比
CMRR
dB
86
2ICL7106的引脚功能
ICL7106大多采用双列直插式塑料封装或陶瓷封装，共40个引脚（简称DIP-40），外形尺寸是52×15.24×7（mm）。
引脚排列和引脚名称如图1.2.1所示。
各引脚的功能如下：
V+、V－——分别接电源的正、负端。
COM——模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时该端与输入信号的负端、参考电压的负端短接。
TEST——测试端。
该端经内部500Ω电阻接至内部数字电路的公共端（见图1.2.12）。
此端主要功能是作“测试指示”，将它与V+短接后，LCD显示器的全部笔段点亮，显示值应为1888（全亮笔段），以此来检查显示器有无笔段残缺现象。
图1.2.1ICL7106的引脚排列和引脚名称图1.2.2LCD和LED显示器笔端排列
a1~g1、a2~g2、a3~g3——分别为个位、十位、百位的笔段驱动端，依次接至个位、十位、百位液晶显示屏的相应笔段电极。
7段液晶显示屏（LCD）和7段数码管（LED）的笔段排列参见图1.2.2（a），其中dp表示小数点。
bc4——千位（即最高位，亦称片位）笔段驱动端，接千位液晶显示器的b、c两个笔段电极，参见图1.2.2（b）。
液晶显示屏上的b、c两个笔段在内部是连通的。
当计数值大于1999时，显示器发生溢出，仅千位显示“1”，其余位均消隐，以此表示仪表过载。
POL——负极性指示的驱动端，接图1.2.2（b）中的g段，当POL端输出的方波与背电极方波反相时显示负号。
BP——液晶显示屏背面公共电极的驱动端，简称“背电极”。
OSCl~OSC3——时钟振荡器的引出端，通常外接阻容元件构成两级反相式阻容振荡器。
Vref+——参考电压的正端。
利用内部基准电压源可获得所需要的参考电压。
亦可根据设计要求接入外部能隙基准电压源，以提高参考电压的稳定性。
Vref－——参考电压的负端。
Cref+、Cref－——外接基准电容端。
IN+、IN－——模拟电压输入端，分别接被测电压的正端和负端。
Caz——外接自动调零电容Caz端，该端在芯片内部接至积分器和比较器的反向输入端（见图1.2.6）。
BUF——缓冲放大器的输出端，接积分电阻RINT。
INT——积分器输出端，接积分电容CINT。
需要说明，ICL7106的数字地（GND）并未引出，但可将测试端（TEST）视为数字地。
3ICL7106的工作原理
ICL7106内部包括模拟电路和数字电路两大部分,内部电路原理框图如图1.2.3所示。
由图可见，模拟电路与数字电路是互相联系的，一方面由控制逻辑单元产生控制信号，按照规定的时序将各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行：
另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数宇电路的工作状态和显示结果。
下面分别介绍各部分的工作原理。
图1.2.3ICL7106的内部电路原理框图
（1）模拟电路
ICL7106的模拟电路主要包括内部基准电压源（图1.2.3中未画出）、RC滤波器、模拟开关、缓冲器、控制逻辑电路和积分器、比较器，他们共同构成ICL7106的核心部分——双积分式A/D转换器。
这种转换器的转换准确度高，抗干扰能力强，线路简单，成本低廉，适宜作低速A/D转换器。
基准电压源
图1.2.47106内部的基准电压源
ICL7106的内部基准电压源见图1.2.4，最重要的技术指标是电压温度系数αT，它表示由于环境温度变化而引起的输出电压的漂移量，简称温漂，其单位一般用ppm/t来表示（lppm=l0-6）。
ICL7106内部采用简易基准电压源，由稳压二极管DZ、硅二极管D、缓冲器A、NMOS管、1mA恒流源、恒流源I、电阻R1和R2组成。
电压温度系数αT=80ppm/℃，电压调整率为0.001%/V。
当接在V+和V-之间的电源电压E≥7V时，DZ被反向击穿，其稳定电压UZ=6.2V。
UZ经过D、R1和R2分压后，得到基准电压源Eo=2.8V（典型值）。
硅二极管D正向压降UD的温度系数为负值，平均等于-2.lmV/℃，而电阻R1、R2上的电压具有正温度系数，因此二者互相抵消，可使温漂显著降低。
为提高COM端带负载的能力，Eo与COM输出端之间还加入了一级缓冲器A和一只NMOS管，1mA恒流源是为NMOS管提供偏置电流的电流源。
这样一来，COM端电位比V-端电位要高4~6.4V。
该电压与电池电压E有关，当（V+）-（V-）>9V时，Eo=2.8V，COM端电位比V+低2.8V。
当（V+）-（V-）降至7V以下时，DZ不能被反向击穿，也就无法进入稳压状态，使基准电压源的性能变坏，芯片不能正常工作。
Eo的允许范围是2.8±0.4V，即2.4~3.2V。
其输出阻抗约为35Ω。
利用2.8V基准电压源Eo不仅能向芯片提供参考电压VREF，还为设计数字多用表的电阻档、二极管档、hFE档提供了便利条件。
在对温度漂移要求不高的情况下，可利用电阻分压器直接从Eo中获取VREF，电路如图1.2.5（a）所示。
分压器由固定电R和精密多圈电位器RP组成，通过RP可以精细地调整参考电压值，DT830B中的参考电压VREF就是这样得到的。
。
通常，当环境温度变化2~8℃时，这种电路的温漂误差大约为±1个字。
设计精密测量仪表时，建议参照图1.2.5（b）所示电路，采用外部基准电压源。
图1.2.5（b）中选用ICL8069基准电压源，能提供1.2V高稳定度电压，其电压温度系数可低至l0ppm/℃，温度漂移可忽略不计。
设计电路时通常将COM端与IN-端短接，否则二者之间会产生一个共模电压，导致电位不等，者一点一定要注意。
图1.2.5获取参考电压的两种方法
图1.2.6ICL7106双积分式A/D转换器中的模拟开关和双积分电路
模拟开关
ICL7106内部有四组模拟开关。
SAZ（共4只）是自动调零开关；SAZ&DE（共一只）是自动调零和反向积分时将积分器的同相输入端接到COM端的开关；SINT（共2只）为正向积分开关；SDE+（共2只）和SDE-（共2只）是反向积分开关。
由控制逻辑适时发出控制信号，接通相应的模拟开关，保证A/D转换正常进行。
各开关的连接见图1.2.6。
双积分式A/D转换器
ICL7106的双积分式A/D转换器如图1.2.6所示，主要由基准电压源（见图1.2.4）、缓冲器、积分器、比较器和模拟开关组成。
积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器首先对输入信号进行正向积分，然后对基准电压反向积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果就作为数字电路的控制信号。
信号输人电路与积分器之间通过缓冲器进行隔离。
A/D转换器的每个测量周期划分成三个阶段自动调零（AZ）、正向积分（INT）和反向积分（DE）。
第一阶段，自动调零AZ（Auto-Zero）：
在此阶段SAZ和SAZ&DE闭合，SINT、SDE断开，形成图1.2.7所示电路，完成下述工作：
图1.2.7ICL7106的自动调零等效电路
a、将IN+、IN-外部引线断开，同时把缓冲器的同相输入端与模拟地（COM）短接，使芯片内部的输入电压VIN=0V；
b、把积分器A2反相输入端与比较器A3的输出端短接，此时反映到比较器输出端的总失调电压对自动调零电容CAZ充电，以补偿缓冲器、积分器和比较器本身的失调电压，可保证输入失调电压小于10μV（即零点误差不超过0.1个宇），仅受系统噪声电压的限制；
c、参考电压VREF向基准电容CREF充电，使CREF上的电压被充到VREF，为反向积分作好准备。
第二阶段，正向积分（亦称采样或信号积分）INT（Integral）：
图1.2.8ICL7106的正向积分等效电路
此时SINT闭合,SAZ、SAZ&DE和SDE断开，切断自动词零电路，IN+、IN-端分别被接通，形成图1.2.8所示电路。
积分器与比较器开始工作。
被测电压VIN从IN+端输入，经缓冲器和积分电阻送至积分器，积分器在固定时间Tl内，以-1/（RINTCINT）的斜率对VIN进行定时积分。
在控制逻辑电路中合理的选择计数脉冲fCP（周期为TCP）的分频比，使T1=1000TCP。
当计数器计满1000个脉冲数时，积分器的输出电压为
（1.2.1）
式中：
Tl——采样（正向积分）时间。
K——缓冲放大器的电压放大倍数。
在正向积分结束时，被测电压的极性即被判定。
第三阶段，反向积分，亦称解积分DE（DecomposeIntegral）：
在此阶段，SAZ、SINT断开、SAZ&DE闭合，同时在控制逻辑对VIN的极性进行判断之后，接通与极性相应的模拟开关SDE+或SDE-，将CREF上已充好的参考电压按照相反的极性来代替VIN，进行反向积分，斜率变成1/（RINTCINT）。
ICL7106的反向积分等效电路如图1.2.9所示。
图1.2.9ICL7106的反向积分等效电路
经过时间T2，积分器的输出又回到零电平，参见图1.2.10。
该图分别绘出对负极性输入电压（VIN<0）和正极性输出电压（VIN>0）的积分波形。
图1.2.10双积分输出电压波形
当反向积分结束时，有关系式
（1.2.2）
将式（1.2.1）代入式（1.2.2）整理后得到
（1.2.3）
假定在T2时间内计数值（即仪表的显示值，不考虑小数点）为N，则T2=NTCP。
代人式（1.2.3）可得
（1.2.4）
分析式（1.2.4）可知，因为T1、TCP和VREF都是固定不变得的，所以显示N值仅与被测电压VIN成正比，从而为模拟量——数字量之间的转换准备好了条件。
在测量过程中，ICL7106能自动完成如下循环
自动调零正向积分反向积分
下面介绍A/D转换过程中的时间分配（即定时）。
设时钟频率fCP为40Hz。
经过4分频得到10kHz的计数脉冲CP，其周期为TCP=0.1ms。
以此作为时间基准，每个测量周期T=4000TCP=4000×0.1ms=0.4s，对应于测量速率MR为2.5次/s。
由此推出测量速率和时钟频率的关系为
（1.2.5）
只要知道数字电压表的测量速率（一般在说明书中给出），即可利用式（1.2.5）迅速算出它的时钟频率fo。
每一个测量周期完成一次测量，测量过程分为三个阶段，时段分配见图1.2.11。
需要说明的是，正向积分时间T1是固定不变的，出现在每个测量周期的3001~4000TCP。
反向积分时间T2和自动调零时间TAZ是可变的，二者出现在0001TCP~3000TCP，其中T2最大时段为0001TCP~2000TCP。
必须等反向积分时段T2结束之后才能进行自动调零。
图1.2.11测量定时示意图
因为T1/TCP=1000TCP/TCP=1000，选参考电压VREF==100.0mV，当VIN的量纲为mV时可以由式（1.2.4）得到
（1.2.6）
当参考电压VREF=100mV时，显示值等于采样电压幅度（以mV为单位）的10倍。
（1.2.7）
只要将小数点定在十位后边，便可直读结果。
满量程时T2最大可容纳2000TCP（反向积分时间段最大为0001~2000TCP），T2=2T1，N=2000，VIN=VM，由式（1.2.4）可推导出满量程电压VM与参考电压的关系式
（1.2.8）
显然，当VREF=l00.0mV时，VIN=200mV；VREF=1.0V时，VM=2V。
式（1.2.8）对于ICL系列
位A/D转换器均适用。
关系式T2=2T1造成了一个“参考电压等于满量程电压的一半”这么一个固定的关系。
这是是CL7106本身特性决定的，外界无法改变。
位数字电压表最大显示值为±1999，超量程时将显示过载符号“1”。
为提高双积分式数字仪表抑制工频干扰的能力，所选采样时间（即正向积分时间）T1应为工频周期的整倍数。
利用正向积分阶段对输人电压（含工频干扰）取平均的特点，即可消除外界引入的工频干扰，保证测量的准确度。
我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，因此应选
（1.2.9）
式中n=1，2，3，…。
例如选T1等于40ms、80mS、100ms等。
n值越大，对串模干扰的抑制能力越强，但A/D转换的时间也越长，会使测量速率降低。
现取时钟频率fo=40kHz，故T1=1000TCP=100ms，恰好是20ms的五倍，能有效抑制50Hz干扰。
欧美国家采用60Hz交流电网，周期是（1/60）s=（l00/6）ms。
若选T1=100ms，恰为60Hz市电周期的六倍。
因此，选fo=40kHz还能有效地抑制60Hz干扰。
选择时钟频率时应避免超出ICL7l06的响应速率，使仪表发生跳数现象。
考虑到交流电网的频率会有一定的波动，一般情况下
位数字电压表并不要求时钟频率严格等于规定值，允许有一定偏差，但时钟频率的稳定性应尽量高。
最后将双积分A/D转换器的特点归纳如下：
积分元件RINT、CINT不影响转换准确度。
积分时间常数τ=RINTCINT，因式（1.2.4）中不含RINTCINT项，故积分元件即便有一定偏差也不彭响A/D转换的准确度，这意味着能降低对元件质量的要求。
时钟频率的漂移不影响转换准确度。
当时钟频率发生漂移时，因为T1和T2是按相同的比例来增加或减小的，所以不会影响测量结果。
这表明时钟振荡器并不一定要采用频率稳定度很高、价格很贵的石英晶体振荡器，使用普通阻容元件构成的RC振荡器已能满足要求，从而降低了成本。
当然，假若时钟频率的波动造成在T1、T2这两段时间内的计数频率不相等，仍会影响转换的准确度。
抗干扰能力强。
前已述及，双积分A/D转换器能有效抑制工频干扰。
此外，它对噪声电压亦有良好的滤波作用。
这是因为在正向积分阶段，积分器输出的是输人信号的平均值，只要高频干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。
积分式A/D转换器的共模抑制比可达80~110dB。
图1.2.12ICL7106的数字电路图1.2.13ICL7106的时钟振荡器电路
双积分A/D转换器的主要缺点是转换速率低，参考电压的精确度直接影响到转换准确度，另外积分电容的介质损耗也会引入测量误差。
尽管如此，它作为一种低速、高准确度、低成本的A/D转换器,在数字仪表及测试系统中仍获得广泛应用。
（2）数字电路
数字电路亦称逻辑电路，ICL7106的数字电路如图1.2.12所示。
由图可见，它采用一只齐纳稳压管与一只MOS场效应管来产生内部数字地（GND）的。
数字地的电位VGND≈（V+－V-）/2。
若以V-为参考电位（0V）并设V+=9V，则VGND≈4.5V。
显然GND与COM端的直流电位不相等，因此ICL7106的GND与COM不能短路，否则芯片无法正常工作。
数字电路主要包括8部分：
时钟振荡器、分频器、计数器、锁存器、译码器、异或门相位驱动器、控制逻辑和
位LCD显示器。
图1.2.12中的虚线框内表示ICL7106的数字电路，框外是外围电路。
下面分别阐述各单元电路的工作原理。
时钟振荡器
时钟振荡器亦称时钟脉冲发生器。
为了降低成本，
位数字电压表一般采用两级反相式阻容振荡器，由ICL7106内部的两个反相器F1、F2以及外部阻容元件R和C组成。
其输出波形为占空比为50%的方波，电路如图1.2.13所示。
振荡频率与振荡周期的估算公式为
（1.2.10）
式中：
τ——时间常数。
τ=RC，单位为s。
应当指出，按照式（1.2.10）算出的振荡频率要和实际值有一定偏差。
主要原因是ICL7106的OSCl端未接偏置电阻。
为了提高振荡频率的准确度与稳定性，可以在OSCl端串
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