数字万用表的电路原理

数字万用表是在一个只有基本量程的直流数字电压表的基础上扩展而成的，这个电压表相当于数字万用表的“表头”。其原理见图1。在图1中，除显示器外，其余功能可全都集成在一个芯片上，具有这些功能的芯片叫A/D转换器，较常见的有ICL7106、ICL7107等多种型号，它们部属于双积分式A/D转换器。双积分A/D转换器内部电路虽然很复杂，但根据图1的电路可以说明其原理。它在一个测量周期内的工作过程如下：
　　测试开始，计数器清零，积分电容c放电，然后控制逻辑使K2、K3断开，K1接通，积分器对被测电压Vx进行正向积分，正向积分也叫采样，采样期间积分输出V01线性增加，经过零比较器得到过零方波，通过控制逻辑打开门G，计数器开始对时钟脉冲计数，当计数到最高位为1时，溢出脉冲通过控制逻辑使K1、K3断开，K2接通，采样结束，计数器复零。设采样过程时间为T1，则积分输出V01=VxT1/RC……(1)，K2接通基准电压VR后，积分器开始第二次积分(反向积分)，V01开始线性下降，计数器也重新计数。当V01降至零时，比较器输出的负方波结束，控制逻辑使K2断开，K3接通，积分停止。同时关闭门G，计数停止，一个测量周期结束。设反向积分过程时间为T2，则积分输出为V01-VrT2/RC=0……(2)。由式(1)、(2)，可得Vx=VrT2/T1……(3)。转换波形见图2。

　　设时钟脉冲周期为T0，则T1=N1T0，T2=N2T0，N1、N2分别是正、反向积分期间计数的时钟脉冲个数，所以VX=VRN2/N1…(4)。对干3 1/2位A/D转换器，采样期间计数到1000个脉冲时计数器有溢出，故N1=1000是个定值，如再规定VR=100.0mV，则有VX=0.1N2……(5)。(5)式说明，适当选择N1及VR的值，可使VX与N2的有效数字相同，只是小数点位置不同。如将小数点定在显示值N2的十位，便可直接读数。例如，被测VX=123.4mV，则在反向积分期间计数到N2=1234个脉冲时，一个测量周期结束，显示器理应显示1234，但电路上同时使个位数字前出现一个小数点，故实际显示123.4。
　　计数器中暂存的N2值是二进制数，经过译码器译码后可使数字显示器显示十进制数。
　　由上面(4)式可见，VX的允许范围与VR的大小有关。对于3 1/2位A/D转换器，如VR=100.00mV，则最大显示为199.9mV;如VR=1.0V，则最大可显示1.999V。事实上VR不宜过大，否则会损坏A/D转换器。如取VR=100.0mV，这时3 1/2位A/D转换器便可构成基本量程为0.2v的直流数字电压表。
　　许多普及型数字万用表就是用这种基本量程为0.2v的直流数字电压表作表头扩展而成的。要测较高的直流电压，可采用分压器将被测电压降到0.2v以下。要测交流电压、交、直流电流及电阻，可以采用相应的转换器转换成直流电压。如被测电量数值较大，可以先分压(或分流)而后再转换，使转换后的直流电压在0.2V以下即可。数字万用表的原理框图如图3所示。

　　从双积分A/D转换器的工作过程还可看出数字万用表的特点：首先，从上面(4)式可知，被测电压只与基准电压及计数器的计数值有关，而这两者的准确度都可以做得较高，所以数字万用表测试准确度较高。其次，叠加在VX上的短暂干扰在积分过程中会被积分掉。如T1取值为工频信号周期(20ms的整数倍)，则叠加在VX上的工频干扰也会被积分掉，所以它的抗串模干扰能力强。第三，分辨力高，3 1/2位数字万用表的最高分辨力为0.1mV。但它也有缺点，从双积分A/D转换器工作过程可知，如果VX是变化的量，则正、反向积分、计数器计数都不能正常进行，显示就会紊乱，所以数字万用表不能测连续蛮化的电量。