数字万用表

摘要

数字万用表，在国家标准中称作复用表，是由数字电压表配上相应的功能转换电路构成的。它可以对交、直流电流，交、直流电压，电阻，电容以及频率等多种参数进行直接测量。也可用于粗略判断晶体三极管、集成电路等元件的性能好坏。在测量中，要求万用表的接入不影响被测电路原来的工作状态，故要求电压表应具有无穷大的输入电阻、电流表的内阻应为零。为提高测量精度，设计选用运算放大器来制作数字万用表。本文从运算放大器电路的结构、原理出发，在阐述运算放大器电路结构和原理的基础上，采用运算放大器设计电路实现万用表的电路设计。

关键词：数字万用表；运算放大器； A/D转换

前言

数字万用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，一般情况以测量电流、电压和电阻为主要目标，亦可测量电容、电感等。

通过组装万用表，能够进一步熟悉万用表的结构、工作原理和使用方法，了解电路理论的实际应用，掌握仪表的装配和调试方法。

1 设计目的及要求

1.1 目的

（1）了解万用表的基本工作原理及其相关组成部分； （2）掌握用运算放大器组成万用表的设计方法；

（3）掌握万用表的主要技术指标和调试方法，学会设计、制作和使用数字万用表。

1.2 要求

（1）根据技术指标要求选择方案设计出原理电路图；

（2）根据电路图，会分析工作原理。

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2 相关概念及原理

2.1 色环电阻

色环电阻，是在电阻封装上（即电阻表面）涂上一定颜色的色环，来代表这个电阻的阻值。

表1 色环电阻信息读取的参考数据

黑 0

倒数第二环，表示零的个数。最后一位，表示误差。

口诀：棕一红二橙是三，四黄五绿六为蓝，七紫八灰九对白，黑是零，金五银十表误差 。

例如：红，黄，棕，金 ——表示240Ω +5%。

色环电阻分四环和五环，通常使用四环电阻。五环电阻为精密电阻，前三环为数值，最后一环还是误差色环，通常也是金和银两种颜色，金的误差为5%，银的误差为10%，无色的误差为20%，精密电阻通常用于军事，航天等方面。

棕 1 红 2 橙 3 黄 4 绿 5 蓝 6 紫 7 灰 8 白 9 【1】

2.2 运算放大器

2.2.1 运算放大器的工作原理

运算放大器具有两个输入端和一个输出端，如图1所示。如果先后分别从两个输入端输入相同的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号。其中，输出端输出的信号与同相端输入的信号相同，与反相输入端的信号相反。

【2】

图1 集成运放的符号

特性：（1）运算放大器的放大倍数为无穷大

2

（2）运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零。

由于放大器的放大倍数为无穷大，故不能将运算放大器直接用来做放大器用，

必须要将输出的信号反馈到反向输入端（称为负反馈）来降低放大倍数。如图2所示，为运算放大器的反馈电阻接法。

图2-1 反相接法

图2-2 同相接法

图2 运算放大器的反馈电阻接法

2.2.2 运算放大器调零电路原理

由于失调电压及失调电流的存在，输入为零时输出往往不为零。对于内部无自动稳零措施的运放需要外加调零电路，使之在零输入时输出为零。对于单电源供电的运放，常需在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。【2】

对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，就是运算放大器的调零。

本设计采用的集成运算放大器为HA17741，其引脚如图3所示。【3】

其中引脚1和引脚5构成调零回路。

图3 运算放大器HA17741引脚

3

以HA17741型集成运算放大器为例，图4给出了常用外部调零电路。它的调零电路由-12V电源、50kΩ的电阻和调零电位器W1组成。调零时应将电路接成闭环，将两个输入端接“地”，调节调零电位器，使输出电压为零。（注：图4适用于测量电路与运算放大器共地的有关电路。此外，当被测电压较高时，在运放的输入端应设置衰减器。）

图4 外部调零电路

2.3 A/D转换器

2.3.1 A/D转换

在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再将这些取样值转换成输出的数字量。【4】

因此，A/D转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后，再开始下一次取样。【4】

2.3.2 双积分型A/D转换器

本次数字万用表设计中，使用的A/D转换器类型为双积分型A/D转换器。 双积分型A/D转换器是一种间接A/D转换器，它首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数

4

的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。

【4】

3 数字万用表的基本说明

3.1 数字万用表的结构

数字万用表，测量电路或元件的电阻、电流、电压等的多量程仪表

【5】

，一般包含安

培表、电压表、欧姆表等功能，有时也称三用电表等。数字万用表主要由三部分组成：表头、测量电路和转换装置。

3.1.1表头

表头是一只直流微安表，它是万用表的核心，万用表的很多重要性能，如灵敏度等大都取决于表头的性能。表头的灵敏度是以满刻度时的测量电流来衡量的，此电流又称满偏电流，表头的满偏电流越小，灵敏度就越高。

3.1.2测量电路

测量电路的作用是把被测的电量转化为适合于表头要求的满偏电流以内。测量电路一般包括分流电路、分压电路和整流电路等。分流电路的作用是把被测量的大电流通过分流电阻变成表头所需的微小电流；分压电路是将被测高电压通过分压电阻分压变换成表头所需的低压；整流电路将被测的交流通过二极管整流变成表头所需的直流。

3.1.3转换装置

万用表的各种测量种类及量程的选择是靠转换装置来实现的，其主要部件是转换开关。

3.2 数字万用表的重要参数

（1）准确度 （2）表头灵敏度 （3）表头内阻 （4）直流电压灵敏度 （5）直流电流档的内阻 （6）欧姆档的中值电阻

（7）交流电压灵敏度（交流电压档内阻与该档量程之比）

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3.3 数字万用表的工作原理

数字万用表的测量过程由转换装置将被测量转换成直流电压信号，再由模/数(A/D)转换器将电压模拟量转换成数字量，然后通过电子计数器计数，最后把测量结果用数字直接显示在显示屏上。

被测信号转换 电路 A/D 转换 电子 计数 译码 显示

4 数字万用表的电路设计

4.1 总电路图

总电路图

【6】

黑框以外部分是数字万用表的内部结构，黑框以内是四种可能的待测元件。四种功能的

6

图5 数字万用表测量过程

数字显示屏（LED） 小数点驱动 （配合被测量与量程） 基准 电压 VREF 模数转换、译码驱动 VIN 过压过流保护 电阻 被测量 输入 电压 电流 过压过流保护 分流器（量程转换） 交流、直流变换器 （放大、整流、滤波） 分压器（量程转换） 分档电阻（量程转换） 直流 交流 图6 数字万用表组成框图

，如图7所示。关于图7做如下说明：

切换是以开关S1、S3、S4、S6的控制完成的。其中在图示初始状态下，开关S1赋予控制键A，其余三个的控制键是B。

总电路图中包括的功能为：测量直流电压、测量直流电流、测量交流电压和测量交流电流。

图7 总电路图

4.2 各项功能的独立电路图

图8 直流电压的电路图

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图10 交流电压的电路图

图9 直流电流的电路图

图11 交流电流的电路图

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图12 欧姆表的电路图

4.3 各项功能的原理

表2 电表类型判断

A 1 1 0 0 B 1 0 1 0 电表类型 直流电压表 直流电流表 交流电压表 交流电流表 （注：1表示对应键在初始态下按下，0表示初态。）

4.3.1直流电压的电路图（A=1，B=1）

数字万用表测量电压、电流和电阻功能是通过转换电路部分实现的，而通常情况下

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电流、电阻的测量都是基于电压的测量，也就是说数字万用表是在数字直流电压表的基础上扩展而成的。

由于本设计对精度要求不高，故本设计中数字万用表是在数字直流电流表的基础上扩展而成的。如图13所示，为数字直流电压表的组成结构。

输入 电路 A/D 转换器 电子 计数器 译码 显示 Ux 模拟量 数字量 逻辑 控制 时钟

图13 数字直流电压表的组成结构

图14为数字直流电压表的电路原理图，其中表头电流I与被测电压Ui的关系为:

IUi。 R1

图14 数字直流电压表的原理图

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4.3.2 直流电流的电路图（A=1，B=0）

如图15所示，是浮地直流电流表的原理图。若被测电流无接地点，就属于浮地直流电流这种情况。为此，应把运算放大器的电源也对地浮动，按此种方式构成的电流表就可像常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。

图15 浮地直流电流表的原理图

其中，表头电流I与被测电流I1间关系为: －I1R1＝（I1－I）R2

I(1R1)I1 R2可见，改变电阻比（R1／R2），可调节流过电流表的电流，以提高灵敏度。如果被测电流较大时，应给电流表表头并联分流电阻。

4.3.3 交流电压的电路图（A=0，B=1）

由运算放大器、 二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表，如图16所示。被测交流电压Ui加到运算放大器的同相端，故有很高的输入阻抗，又因为负反馈能减小反馈回路中的非线性影响，故把二极管桥路和表头置于运算放大器的反馈回路中，以减小二极管本身非线性的影响。

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图16 交流电压表的原理图

表头电流I与被测电压Ui的关系为IUi R1电流I全部流过桥路，其值仅与Ui／R1有关， 与桥路和表头参数（如二极管的死区等非线性参数）无关。表头中电流与被测电压Ui的全波整流平均值成正比，若Ui为正弦波，则表头可按有效值来刻度。被测电压的上限频率决定于运算放大器的频带和上升速率。

4.3.4 交流电流的电路图（A=0，B=0）

图17为浮地交流电流表，表头读数由被测交流电流i的全波整流平均值I1AV决定，即

I(1R1)I1AV。如果被测电流I1为正弦电流，即I＝R22I1sinωt，则上式可写为

I0.9(1R1)I1，则表头可按有效值来刻度。 R212

图17 浮地交流电流表的原理图

4.3.5 欧姆表的电路图

在图18的电路中，运算放大器改用单电源供电，被测电阻RX跨接在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压UREF。 ∵ UP＝UN＝UREF

I1＝IX

UREFUUREFR1(UOUREF) 即 RX0UREFR1RX流经表头的电流IUOUREF

R2RmUREFRX

R1(RmR2)由上两式消去(UO－UREF) ，可得 I可见，电流I与被测电阻成正比，而且表头具有线性刻度，改变R1值，可改变欧姆表的量程。这种欧姆表能自动调零，当RX＝0时，电路变成电压跟随器，UO＝UREF，故表头电流为零，从而实现了自动调零。

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图18 欧姆表的原理图

二极管D起保护电表的作用，如果没有D，当RX超量程时，特别是当RX→∞，运算放大器的输出电压将接近电源电压，使表头过载。有了D 就可使输出钳位，防止表头过载。调整R2，可实现满量程调节。

结束语

通过本次电子综合实验，我对数字万用表有了更为深刻的认识。在原本仅会使用的基础上，了解了它的结构、工作原理等。数字万用表是在直流电压表的基础上通过电路转换实现对交流电压、电流和电阻的测量， 运用了模拟电子与数字电子之间的转换（即A/D转换）。这使我对《数字电子技术基础》和《模拟电子技术基础》两门课程有了进一步认识，更为深刻的体会到学科间的融会贯通。本次综合实验还使我再一次领会“实践出真知”的内涵，让我明白了仅学习课本知识是远远不够的，还要应用到实际中，在理论与实践相结合下才能真正的理解消化所学知识。

参考文献

【1】http://baike.baidu.com/view/687399.htm?fr=ala0_1_1

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【2】童诗白、华成英 模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社 2006年5月 【3】>高等教育>理学

http://wenku.baidu.com/view/3d05feeb19e8b8f67c1cb986.html

【4】阎石 数字电子技术基础（第五版） 高等教育出版社 2006年5月 【5】现代汉语词典（第5版） 商务印书馆 2005年5月 【6】http://www.docin.com/p-54707783.html

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