数字多用表应该具有测量直流电压、交流电压、直流电流、电阻的功能。每种测量功能又具有多个信号量程, 必须具有高电压和大电流测量的保护功能还要能保证测量速度的快慢和准确度的高低, 因此测量电路比较复杂。测量电路方框图如图1所示。
(1) 直流电压信号处理电路
数字多用表测量的直流电压、交流电压、直流电流、电阻这些被测量信号都将直接或间接变换成直流电压信号, 该仪器的最高测量指标均为直流电压, 因此测量电路 (直流信号处理电路) 是保障仪器技术指标的关键。
由于测量信号须改变量程, 因此直流信号处理电路要能对大信号衰减, 对小信号放大。直流电压信号处理电路图如图2所示[1]。
(2) 交流电压信号处理电路
交流电压信号处理电路包括两大部分:量程转换电路、交直流转换电路。
量程转换电路:自动量程转换是大多数通用智能仪器的基本功能。自动量程能根据被测量的大小自动选择合适量程, 以保证测量值有足够的分辨力和准确度[2]。
交直流转换电路在电流或者电压的测量中, 必须先把被测的交流信号变成直流信号后, 才可以送入数字电压表进行测量。图3是将交流信号转换成为直流信号的电路。图3中, 输入的是0～2.0V的交流信号, 输出的是0～2.0V的直流信号, 从信号幅度来看, 并不要求电路进行任何放大, 但是, 正是电路本身具有的放大作用, 才保证了其几乎没有损失地进行AC-DC的信号转换。电路图如图3所示。
(3) 电阻和电流信号处理电路
测量电路的模数转换器只能对直流电压信号进行转换, 所以, 电流、电阻应直接或间接变换成直流电压信号才能进行测量[3]。
对于电流, 需在测量电路前配置一组分流电阻, 即可以实现多量程数字电流表, 分档从±200μA至±10A。电流信号处理电路如图4所示。
电阻的测量, 其处理电路如图5所示。它与测量电流和电压一样重要, 俗称“三用表”, 采用的是“比例法”测量。图5中, 所配置的一组电阻 (R1、R2、R3、R4) 叫“基准电阻”, 它是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值, 再由参考电压Vref与被测电阻上得到的电压Vin进行“比例读数”。当Vref=Vin时, 显示就为, 并按照需要点亮屏幕上的小数点, 即可直接读出被测电阻的阻值。
输入信号选择电路由直流电压输入、电阻电压输入、直流电流变换后电压输入、校准基准输入、交流经过平均值变换后的直流电压输入等5种信号构成。模数转换器任何时候只能测量这些输入信号中的一个, 因此需要五个机械开关作为切换选择开关。
数字多用表所有被测对象的测量, 均需通过测量电路来数字化, 本电路技术指标的好坏直接影响测量的准确度, 该部分电路的性能基本上决定了本数字多用表的直流电压测量的最高准确度。测量电路框图如图6所示。
基准电压采用德州仪器公司 (TI) 生产的TL431, 为A/D转换器提供基准源, 经过分压电阻得到1.000v的基准, 为主控芯片提供稳定的基准电压。
模数转换器是把模拟量转变成数字量的芯片。对于常用的数字多用表, 其模数转换器采用单片ADC, 如ICL7135、ICL7109等。
由于电子技术的高速发展, ADC集成芯片的发展也很快, 主要表现在测量准确度、测量速度、测量范围等方面的改进, 比较常用的一类模数转换器 (ADC) 是双斜积分式模数转换器。
(1) 双斜积分式模数转换器
双斜积分式模数转换器原理是通过两次积分过程, 即“对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分”的比较, 得到被测电压值[4]。双积分式模数转换器基于V-T变换的比较测量原理, 它能测量双极性电压, 内部的极性检测电路根据输入电压极性确定所需的反向积分时参考电压的极性 (与被测电压极性相反) 。
(2) ICL7135模数转换芯片的特性
它是一种高准确度、通用型CMOS单片位的A/D转换器, 适于制作精密数字电压表和台式数字万用表。
模数转换电路即表头, 表头是按照普通应用电路而组合成为最基本的数字表头, 主要使用了其±2.0000V的直接测量功能。电路中利用TC4069为ICL7135提供-5V的电压, 以及ICL7135需要的时钟信号, 省去了用户使用双电源供电的麻烦, 只需要给表头供电+5V就可以正常使用[5][6]。
ICL7135构成的模数转换电路如图7所示。
数码管小数点的选择是通过一只NPN型三极管予以实现。选择数码管的相应位选端以使该位的小数点点亮。
系统的调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等现象。送入+5V直流稳压电源 (注意:电源正负不能接反) 此时屏幕上面应该显示随机数字, 用金属短路输入端口 (Vin与GND) , 屏幕应该显示“0000”, 允许有±1个字的变化。利用指针万用表的×1Ω电阻档 (或者是一节1.5V电池) , 输入到表头的信号输入端, 屏幕应该显示该电池的电量值。例如:15034 (具体应该以电池电压为准) , 如果需要确定小数点的位置, 可以通过点亮某一小数点来让数码管显示“1.5034”或者“15.034”等, 被点亮的小数点位置不同, 单位量程应随之改变。交换输入信号的极性, 应该有负号“-”出现, 显示为“-15034” (允许有±1个字的翻转误差, 人工无法修改, 由芯片制作厂商决定此指标) 。——经过这样测试, 如果都没有问题, 表头就可以准备使用了。表头的缺点是耗电较大, 在+5V供电时, 消耗电流在120～150mA左右, 不适合使用电池供电[7]。
数字多用表最关键的部件是数字电压表头。可以使用最简单的方法校准, 利用一只数字万用表监视着芯片第二引脚的电压, 调节由TL431构成的基准电压产生电路中的一只可调电位器使万用表读数为1.0000V (允许±2个字) 。然后, 输入一个直流信号电压, 用数字万用表监视, 对比两表读数是否一致, 如果不一致, 再仔细微调其电位器使两表显示保持一致。校准后, 可以用胶油封住多圈电位器的微调螺钉, 以防移位。这样, 就可以投入正常使用了。
数字多用表广泛用于现代工业、日常生活中, 作为一种常用的电子检测器件, 它可用于测量电阻、电压、电流等。数字多用表将检测到的信号经过处理转换成数据, 供人们分析、判断和控制。本文介绍了普通型数字多用表的一种设计方案, 它能够满足于学校实验室、工程现场等测量要求不高的场合。整个电路具有准确度高、结构简单、操作方便、成本较低等特点。但电路方案的设计还不够完善, 还有待进一步的研究。
摘要：数字多用表作为一种常用的电子测量仪器, 能够用于测量电压、电流、电阻等电量。本文介绍了一种数字多用表的设计方案, 首先通过信号调整电路 (AC/DC变换、I/V变换、Z/V变换) 将被测信号 (交流电压、电流、电阻) 转换成符合要求的直流电压, 再通过Intersil公司生产的ICL7135型CMOS单片四位半双积分式转换器将直流电压转换成数字信号, 最后通过数码管显示测量结果。由于采用了专用集成芯片, 整个电路具有结构简单, 操作方便, 成本较低等特点。
关键词：测量仪器,交流电压/直流电压,电流/电压,电阻/电压,数码管显示
[1] 北京杰龙公司.通用数字电压表头.http://www.bjjl.com.cn
[2] 徐科军, 陈荣保, 张崇巍.自动检测和仪表中的共性技术[M].北京:清华大学出版社, 2000
[3] 何希才.新型电子电路应用实例[M].北京:科学出版社, 2005
[4] 古天祥, 王厚君, 习友宝, 詹惠琴.电子测量原理[M].北京:机械工业出版社, 2004
[5] A/D converter chip ICL7135.INTERSIL.December 2000.File Number 3093.2 http://www.datasheet.com.cn
[6] BCD-to-Seven-Segment Decoders HD74LS247.http://www.datasheet.com.cn
[7] 彭泓.智能仪器数字校准的实现[J].电测与仪表.1994:24～26
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