數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與分析以及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)體系

摘要：本論文探討數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路和實(shí)驗(yàn)方法以及改進(jìn)數(shù)字萬用表靈敏度的改進(jìn)方法，從實(shí)驗(yàn)入手解決試驗(yàn)中的操作和實(shí)驗(yàn)做法的問題，后接著就實(shí)驗(yàn)從誤差分析入手解決并進(jìn)行改進(jìn)方案的討論。關(guān)鍵詞：數(shù)字萬用表;設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)方案；一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）制作量程200mA的微安表（表頭）；2）設(shè)計(jì)制作多量程直流電壓表；3）設(shè)計(jì)制作多量程直流電流表；二、實(shí)驗(yàn)儀器：WS-I數(shù)字萬用表設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)儀三位半數(shù)字萬用表三、實(shí)驗(yàn)原理1.數(shù)字萬用表的組成數(shù)字萬用表的組成見圖1。數(shù)字萬用表其核心是一個(gè)三位半數(shù)字表頭，它由數(shù)字表專用A/D轉(zhuǎn)換譯碼驅(qū)動(dòng)集成電路和外圍元件、LED數(shù)碼管構(gòu)成。該表頭有7個(gè)輸入端，包括2個(gè)測(cè)量電壓輸入端(IN+、IN-)、2個(gè)基準(zhǔn)電壓輸入端(V+、V-)和3個(gè)小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸入端。圖1數(shù)字萬用表的組成2.直流數(shù)字電壓表頭“三位半數(shù)字表頭”電路單元的功能:將輸入的兩個(gè)模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字，并將兩數(shù)字進(jìn)行比較，將結(jié)果在顯示屏上顯示出來。利用這個(gè)功能，將其中的一個(gè)電壓輸入作為公認(rèn)的基準(zhǔn)，另一個(gè)作為待測(cè)量電壓，這樣就和所有量具或儀器的測(cè)量原理一樣，能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行測(cè)量了。見圖2。圖1200mV(199.9mV)直流數(shù)字電壓表頭及校準(zhǔn)電路3.多量程直流數(shù)字電壓表在數(shù)字電壓表頭前面加一級(jí)分壓電路(分壓器)，可以擴(kuò)展直流電壓測(cè)量的量程。如圖3所示，U為電壓表頭的量程(如200mV)，r為其內(nèi)阻(如10MΩ)，r、r為分壓電阻，U為擴(kuò)展后的量程。圖3分壓電路原理圖4多量程分壓器原理電路圖5實(shí)用分壓器電路多量程分壓器原理電路見圖4。采用圖4的分壓電路雖然可以擴(kuò)展電壓表的量程，但在小量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實(shí)際使用中是所不希望的。所以，實(shí)際數(shù)字萬用表的直流電壓檔電路為圖5所示，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達(dá)到同樣的分壓效果。4.多量程直流數(shù)字電流表測(cè)量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測(cè)電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，再進(jìn)行測(cè)量。如圖6。由于r>>R，取樣電阻R上的電壓降為即被測(cè)電流為，多量程分流器電路原理見圖7。圖6電流測(cè)量原理圖7多量程分流器電路圖7中的分流器在實(shí)際使用中有一個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)換檔開關(guān)接觸不良時(shí)，被測(cè)電路的電壓可能使數(shù)字表頭過載，所以，實(shí)際數(shù)字萬用表的直流電流檔電路為圖8所示。圖中的BX是2A保險(xiǎn)絲管，電流過大時(shí)會(huì)快速熔斷，超過流保護(hù)作用。兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管D、D為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過壓保護(hù)作用。正常測(cè)量時(shí)，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航?，二極管截止，對(duì)測(cè)量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被限制住(小于0.7V)，保護(hù)儀表不被損壞。用2A檔測(cè)量時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電流大于1A時(shí)，應(yīng)不使測(cè)量時(shí)間超過20秒，以避免大電流引起的較高溫升影響測(cè)量精度甚至損壞電表。圖8實(shí)用分壓器電路四、實(shí)驗(yàn)步驟1.制作200mV(199.9mV)直流數(shù)字電壓表頭并校準(zhǔn)使用電路單元：三位半數(shù)字表頭，直流電壓校準(zhǔn)，直流電壓電流，分壓器。按圖2接線，參考電壓V輸入端接直流電壓校準(zhǔn)電位器，左數(shù)第三位小數(shù)點(diǎn)dp3接到多量程直流數(shù)字電壓表的小數(shù)點(diǎn)控制電路量程轉(zhuǎn)換單元的“動(dòng)片1”插孔以獲得一位小數(shù)顯示。利用待測(cè)直流電壓源和分壓電阻獲得150mV左右的校準(zhǔn)電壓，把一只成品數(shù)字萬用表(稱為標(biāo)準(zhǔn)表)置于直流電壓200mV檔與表頭輸入端并聯(lián)，調(diào)整“直流電壓校準(zhǔn)”旋鈕使表頭讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)一致(允許誤差±0.5mV)。然后保留虛線框內(nèi)的線路，拆去其余部分即可。2.制作多量程直流數(shù)字電壓表（1）擴(kuò)展電壓表頭成為多量程直流電壓表。按圖5接線，“動(dòng)片2”作為量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，“動(dòng)片1”作為控制小數(shù)點(diǎn)顯示的開關(guān)。（2）用自制電壓表測(cè)直流電壓測(cè)量WS-1實(shí)驗(yàn)儀上的待測(cè)直流電壓：調(diào)節(jié)“直流電壓電流”單元的電位器，可以改變直流電壓U的大小和極性，分別測(cè)出對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓U，數(shù)據(jù)填入記錄表格。3.制作多量程直流數(shù)字電流表（1）制成多量程直流數(shù)字電流表使用電路單元：三位半數(shù)字表頭，直流電壓校準(zhǔn)，分流器1或分流器2，電流檔保護(hù)電路，量程轉(zhuǎn)換與測(cè)量輸入。按圖8接線，“動(dòng)片2”作為量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，“動(dòng)片1”作為控制小數(shù)點(diǎn)顯示的開關(guān)。（2）用自制電流表測(cè)直流電流測(cè)LED的電流：將自制電流表和標(biāo)準(zhǔn)電流表串接在待測(cè)直流電流Ⅰ電路中，調(diào)節(jié)電位器可觀察到電流I的大小、極性的變化以及LED發(fā)光情況的相應(yīng)變化，改變I(從-5.00mA到+5.00mA，每隔1.00mA測(cè)一次)，分別測(cè)出I。數(shù)據(jù)填入表格。五、數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1.測(cè)直流電壓U(mv)20.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0U（mv）20.839.861.382.3101.2119.9138.7159.4177.5ΔU（mv）-0.80.2-1.3-2.3-1.20.11.30.62.5

以U為橫軸，ΔU＝U－U為縱軸，在坐標(biāo)紙上作校正曲線(注意：校正曲線為折線，即將相鄰兩點(diǎn)用直線連接)。2.測(cè)直流電流I改（mv）20.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0I標(biāo)（mv）19.640.359.179.098.3117.6137.3157.1176.8ΔI（mv）0.4-0.30.91.01.72.42.72.93.2以I改為橫軸，ΔI=I改－I標(biāo)為縱軸，在坐標(biāo)紙上作校正曲線。六、注意事項(xiàng)1.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)“先接線，再加電；先斷電，再拆線”，加電前應(yīng)確認(rèn)接線無誤，避免短路。2.即使加有保護(hù)電路，也應(yīng)注意不要用電流檔或電阻檔測(cè)量電壓，以免造成不必要的損失。3.當(dāng)數(shù)字表頭最高位顯示“1”(或“1”)而其余位都不亮?xí)r，表明輸入信號(hào)過大，即超量程。此時(shí)應(yīng)盡快換大量程檔或減小(斷開)輸入信號(hào)，避免長時(shí)間超量程。4.自鎖緊插頭插入時(shí)不必太用力就可接觸良好，拔出時(shí)應(yīng)手捏插頭旋轉(zhuǎn)一下就可輕易拔出，避免硬拔硬拽導(dǎo)線，拽斷線芯。5.特別要注意低電位的接地。七、實(shí)驗(yàn)的分析與討論以及改進(jìn)的各方面工作：?jiǎn)栴}的提出：我們可以從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果里看見，隨著測(cè)量量的增大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)性也在同期增大，只不過是幅度會(huì)逐漸增大，其形狀會(huì)在一定時(shí)期里成斜率不大的直線上升，隨后超過某一定值的時(shí)候會(huì)呈對(duì)數(shù)上升。這個(gè)誤差會(huì)存在實(shí)驗(yàn)里的每個(gè)角落，不可能完全消除，只可能減小它。下面我們會(huì)從實(shí)驗(yàn)里和改進(jìn)兩方面進(jìn)行分析，討論實(shí)驗(yàn)里的措施和改進(jìn)里的措施是如何減小這個(gè)誤差的。A.實(shí)驗(yàn)中的措施和其基本原理:1.采用圖4的分壓電路雖然可以擴(kuò)展電壓表的量程，但在小量程檔明顯降低了電壓表的輸入阻抗，這在實(shí)際使用中是所不希望的。所以，實(shí)際數(shù)字萬用表的直流電壓檔電路為圖5所示，它能在不降低輸入阻抗的情況下，達(dá)到同樣的分壓效果。這點(diǎn)是通過改變實(shí)驗(yàn)電路圖來進(jìn)行改變使阻抗問題得到解決，其實(shí)驗(yàn)思路是通過改變現(xiàn)有電路圖來進(jìn)行誤差減小的操作的。2.使用較大內(nèi)阻的表頭進(jìn)行測(cè)量，這樣不僅使實(shí)驗(yàn)里的表頭得到了保護(hù)也使實(shí)驗(yàn)里電壓電流表的靈敏度提高了，這一點(diǎn)從電表的結(jié)構(gòu)上來看。因?yàn)樗且恢桓哽`敏度的磁電式直流電流表，其主要性能指標(biāo)基本上取決于表頭的性能。而表頭的靈敏度是指表頭指針滿刻度偏轉(zhuǎn)時(shí)流過表頭的直流電流值，這個(gè)值越小，表頭的靈敏度愈高。測(cè)電壓時(shí)的內(nèi)阻越大，其性能就越好。所以，實(shí)驗(yàn)用較大的電阻以提高其靈敏性。3.實(shí)驗(yàn)里用硅二極管首先是起了一個(gè)保護(hù)作用，但是也是提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。測(cè)量電壓：測(cè)量電壓（或電流）時(shí)要選擇好量程，如果用小量程去測(cè)量大電壓，則會(huì)有燒表的危險(xiǎn)；如果用大量程去測(cè)量小電壓，那么指針偏轉(zhuǎn)太小，無法讀數(shù)。量程的選擇應(yīng)盡量使指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度的2/3左右。如果事先不清楚被測(cè)電壓的大小時(shí)，應(yīng)先選擇最高量程擋，然后逐漸減小到合適的量程。在這一點(diǎn)上，實(shí)驗(yàn)里的兩個(gè)二極管反接的實(shí)驗(yàn)裝置，兩只反向連接且與分流電阻并聯(lián)的二極管D1、D2為塑封硅整流二極管，它們起雙向限幅過壓保護(hù)作用。正常測(cè)量時(shí)，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航担O管截止，對(duì)測(cè)量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導(dǎo)通，兩端電壓被限制住(小于0.7V)，保護(hù)儀表不被損壞。反接二極管，當(dāng)電壓很小的時(shí)候沒有達(dá)到正向?qū)妷?，電壓過大的時(shí)候又限制了電壓的過大，使電壓維持在一個(gè)固定的范圍內(nèi)，保護(hù)了儀器。還記得在這部分開頭的時(shí)候吧“隨著測(cè)量量的增大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)性也在同期增大，只不過是幅度會(huì)逐漸增大，其形狀會(huì)在一定時(shí)期里成斜率不大的直線上升，隨后超過某一定值的時(shí)候會(huì)呈對(duì)數(shù)上升”，這樣的誤差存在于當(dāng)電壓過大的時(shí)候，所以當(dāng)電壓被限制于一個(gè)較小的范圍里的時(shí)候，會(huì)限制這種誤差增長的，使實(shí)驗(yàn)的比較準(zhǔn)確。B.改進(jìn)措施和原理1.為了簡(jiǎn)便讀數(shù)和提高讀數(shù)的精度，本實(shí)驗(yàn)給我們的LED讀數(shù)器讀數(shù)，這減小了誤差，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)變得更易于操作?，F(xiàn)在要說的是其他的讀數(shù)方式。數(shù)字／模擬條圖雙顯示萬用表，它兼有數(shù)字儀表準(zhǔn)確度高、模擬式儀表便于觀察被測(cè)量的變化過程及變化趨勢(shì)這兩大優(yōu)點(diǎn)。這里講的模擬條圖有兩層含義：第一，被測(cè)量為連續(xù)變化的模擬量；第二，用條圖形式來模擬被測(cè)量的變化情況。1)液晶(LCD)條圖呈斷續(xù)的條狀，這種顯示器的分辨力高、微功耗，體積小，低驅(qū)動(dòng)，適合于電池供電的小型化儀表。不足之處是它本身不發(fā)光，需借助于背光源才便于夜間觀察。目前這種顯示器應(yīng)用較廣；2)等離子體(PDP)光柱顯示器其優(yōu)點(diǎn)是自身發(fā)光，亮度高，顯示清晰，觀察距離遠(yuǎn)，分辨力較高，缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓高，耗電較大；3)LED條圖(又稱LED光柱)它是由多只發(fā)光二極管排列而成，這種顯示器的亮度高，成本低，但像素尺寸較大，功耗高。實(shí)驗(yàn)器材也應(yīng)該有用到模擬圖條雙顯示儀器，這樣可以提高實(shí)驗(yàn)的精度和準(zhǔn)確度。2.雖然運(yùn)用較大內(nèi)阻的電表表頭，但是電表表頭和實(shí)驗(yàn)器材是結(jié)合到一塊兒的，如果電表表頭出現(xiàn)問題或者老化的話也使實(shí)驗(yàn)效果不是很明顯，造成誤差。另外從實(shí)驗(yàn)者的角度分析，將所有儀器放到一塊兒固然便與清理和整理儀器，也便于觀察電路結(jié)構(gòu)，但是這樣卻不利于學(xué)習(xí)者分析實(shí)驗(yàn)圖和實(shí)驗(yàn)原理使實(shí)驗(yàn)在操作者面前變的模糊和難于捉摸。所以這樣的話應(yīng)改將改裝電壓電流表和三位半數(shù)字萬用表從原本裝置中剔除，單獨(dú)成為一組儀器，讓實(shí)驗(yàn)者跟好的進(jìn)行組裝實(shí)驗(yàn)儀器，方便學(xué)習(xí)。3.目前的數(shù)字萬用表雖然具有很高的靈敏度和準(zhǔn)確度，但仍存在不足之處．主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面?：(1)沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量．最突出的問題是需要經(jīng)常旋轉(zhuǎn)功能／量程轉(zhuǎn)換開關(guān)．操作不便．測(cè)量速度慢；(2)經(jīng)常被燒毀．?dāng)?shù)字萬用表被燒毀的主要原因是功能轉(zhuǎn)換開關(guān)的誤操作；(3)觸點(diǎn)接觸不良，功能，量程選擇開關(guān)的彈簧片容易被氧化、損壞和變形。所以，可以使用全自動(dòng)類型的數(shù)字電表，測(cè)量功能自動(dòng)識(shí)別數(shù)字萬用表是一種高度智能化的真正意義的全自動(dòng)數(shù)字萬用表。該表從根本上克服了目前數(shù)字萬用表的缺點(diǎn)．能夠進(jìn)行快速、便捷、準(zhǔn)確地測(cè)量．并大大提高了可靠性和安全性等性能指標(biāo)。該表除具備普通數(shù)字萬用表的測(cè)試功能外．它的最大特色是能夠自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前的測(cè)量功能(電壓、電流、電阻等)和量程．并自動(dòng)轉(zhuǎn)換至相應(yīng)的測(cè)量功能檔位．所有測(cè)量功能和量程選擇均由數(shù)字萬用表自動(dòng)完成，無需人工參與。該數(shù)字萬用表除一個(gè)可撥動(dòng)或按動(dòng)的電源開關(guān)、一個(gè)復(fù)合表筆的插槽和一個(gè)普通黑表筆的插：rE#l-．無任何可利用的部件向數(shù)字萬用表輸入信息。免去了目前數(shù)字萬用表使用中必須手動(dòng)轉(zhuǎn)換功能開關(guān)的繁瑣操作。其電路組成主要由復(fù)合表筆、普通黑表筆、輸入電路、放大器、電壓比較器、檢測(cè)電路、模擬開關(guān)電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、LCD顯示電路等組成[引。全自動(dòng)數(shù)字萬用表的電路方框圖如圖1所示。前面板中具有復(fù)合表筆的插槽和普通黑表筆的插孔．圖1中“1”為普通黑表筆的插孔．“2”為復(fù)合表筆的插槽。全自動(dòng)數(shù)字萬用表采用自動(dòng)行研制的探頭作為復(fù)合表筆．以單片機(jī)作為智能控制部件。復(fù)合表筆由電流傳感器A、電容、測(cè)試觸頭B、多芯插頭C、磁屏蔽層D等組成。復(fù)合表筆的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。復(fù)合表筆的電流傳感器、電容、測(cè)試觸頭封裝為一個(gè)整體．其外部具有磁屏蔽層，復(fù)合表筆的磁屏蔽層在測(cè)試觸頭和電流傳感器感