万用表的组装Assemblyofmultimeter【背景简介】数字电表以它显示直观、准确度高、分辨率强、功能完善、性能稳定、体积小易于携带等特点在科学研究、工业现场和生产生活中得到了广泛应用。数字电表工作原理简单，可以理解并利用这一工具来设计对电流、电压、电阻、压力、温度等物理量的测量。【实验自的】1、基本了解常用双积分模数转换芯片的工作原理。2、了解基于数字芯片的万用表组成和工作原理。3、掌握万用表的分压、分流电路的原理以及对电压、电流和电阻的多量程测量方法4、增加对数字电路的感性认识，并提升相关动手能力【实验原理】常见的物理量都是幅值大小连续变化的所谓模拟量，指针式仪表可以直接对模拟电压和电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号（通常是电压信号）转换成数字信号，再进行显示和处理。数字信号与模拟信号不同，其幅值大小是不连续的，就是说数字信号的大小只能是某些分立的数值，所以需要进行量化处理。若最小量化单位为△，则数字信号的大小是△的整数倍，该整数可以用二进制码表示。设△=0.1mV，我们把被测电压U与△比较，看U是△的多少倍，并把结果四舍五入取为整数N（二进制）。一般情况下，N≥1000即可满足测量精度要求（量化误差≤1/1000=0.1%）。所以，最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为三位半（31/2）数字表。如：U是△（0.1mV）的1861倍，即N=1861，显示结果为186.1（mV）。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路和小数点选择位，就可以测量显示-199.9~199.9mV的电压，显示精度为0.1mV。1、双积分模数转换器（ICL7107）的基本工作原理双积分模数转换电路的原理比较简单，当输入电压为Vx时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C进行恒流（电流大小与待测电压Vx成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q与被测电压Vx成正比：然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref成正比），这样电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。所以，可以得出T2也与Vx成正比。如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值N2，则N2与Vx成正比。1
1 万用表的组装 Assembly of multimeter 【背景简介】 数字电表以它显示直观、准确度高、分辨率强、功能完善、性能稳定、体积小易于携 带等特点在科学研究、工业现场和生产生活中得到了广泛应用。数字电表工作原理简单， 可以理解并利用这一工具来设计对电流、电压、电阻、压力、温度等物理量的测量。 【实验目的】 1、基本了解常用双积分模数转换芯片的工作原理。 2、了解基于数字芯片的万用表组成和工作原理。 3、掌握万用表的分压、分流电路的原理以及对电压、电流和电阻的多量程测量方法 4、增加对数字电路的感性认识，并提升相关动手能力 【实验原理】 常见的物理量都是幅值大小连续变化的所谓模拟量，指针式仪表可以直接对模拟电压 和电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号， 再进行显示和处理。 数字信号与模拟信号不同，其幅值大小是不连续的，就是说数字信号的大小只能是某 些分立的数值，所以需要进行量化处理。若最小量化单位为 ，则数字信号的大小是 的 整数倍，该整数可以用二进制码表示。设 =0.1 mV ，我们把被测电压U 与 比较，看U 是 的多少倍，并把结果四舍五入取为整数 N (二进制)。一般情况下， N ≥1000 即可满 足测量精度要求(量化误差≤1/1000=0.1%)。所以，最常见的数字表头的最大示数为 1999， 被称为三位半(3 1/2)数字表。如：U 是 (0.1 mV )的 1861 倍，即 N =1861，显示结果 为 186.1( mV )。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路和小数点选择位，就可以 测量显示-199.9～199.9 mV 的电压，显示精度为 0.1 mV 。 1、双积分模数转换器（ICL7107）的基本工作原理 双积分模数转换电路的原理比较简单，当输入电压为 Vx 时，在一定时间 T1 内对电量 为零的电容器 C 进行恒流（电流大小与待测电压 Vx 成正比）充电，这样电容器两极之间的 电量将随时间线性增加，当充电时间 T1 到后，电容器上积累的电量 Q 与被测电压 Vx 成正 比；然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压 Vref 成正比），这样电容器两极之间的 电量将线性减小，直到 T2 时刻减小为零。所以，可以得出 T2 也与 Vx 成正比。如果用计数 器在 T2 开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值 N2，则 N2 与 Vx 成 正比
双积分AD的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比构成的。现在我们以实验中所用到的3位半模数转换器ICL7107为例来讲述它的整个工作过程。ICL7107双积分式A/D转换器的基本组成如图1所示，它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所组成。下面主要讲一下它的转换电路，大致分为三个阶段：第一阶段，首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器C上积累的电量，然后参考电容Cref充电到参考电压值Vref，同时反馈环给自动调零电容Cz以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的偏置电压。这个阶段称为自动校零阶段。第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），在此阶段Vs接到Vx上使之与积分器相连，这样电容器C将被以恒定电流Vx/R充电，与此同时计数器开始计数，当计到某一特定值N1（对于三位半模数转换器，N1=1000）时逻辑控制电路使充电过程结束，这样采样时间T1是一定的，假设时钟脉冲为Tg，则T1=N1*Tcp。在此阶段积分器输出电压Vo=-Qo/C（因为Vo与Vx极性相反），Qo为T1时间内恒流（Vx/R）给电容器C充电得到的电量，所以存在下式：TiVx*dt=VxT1(1)Qo=RRQ0--VT1Vo=-(2)RCCc充电过程VxVsRVref.4闸门电路时钟脉冲T:逻辑控制计数器锁存器译码器数字显示个3图1双积分AD内部结构图2
2 双积分 AD 的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数 N2 与输入电压 Vx 成正比构成的。现在我们以实验中所用到的 3 位半模数转换器 ICL7107 为例来讲述它的整 个工作过程。ICL7107 双积分式 A/D 转换器的基本组成如图 1 所示，它由积分器、过零比较 器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及显示等电路所组 成。下面主要讲一下它的转换电路，大致分为三个阶段： 第一阶段，首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器 C 上积累的电量， 然后参考电容 Cref 充电到参考电压值 Vref，同时反馈环给自动调零电容 CAZ以补偿缓冲放 大器、积分器和比较器的偏置电压。这个阶段称为自动校零阶段。 第二阶段为信号积分阶段（采样阶段），在此阶段 Vs 接到 Vx 上使之与积分器相连，这 样电容器 C 将被以恒定电流 Vx/R 充电，与此同时计数器开始计数，当计到某一特定值 N1 （对于三位半模数转换器，N1=1000）时逻辑控制电路 使充电过程结束，这样采样时间 T1 是一定的，假设时钟脉冲为 TCP，则 T1=N1*TCP。在此阶段积分器输出电压 Vo=-Qo/C(因为 Vo 与 Vx 极性相反)，Qo 为 T1 时间内恒流（Vx/R）给电容器 C 充电得到的电量，所以存在下式： Qo= dt R Vx T * 1 0 = T1 R Vx (1) Vo=- C Qo =- T1 RC Vx (2) C 图 1 双积分 AD 内部结构图
VxVx!oT-Vref--T1T2!-To--T2图2积分和反积分阶段曲线图第三阶段为反积分阶段（测量阶段），在此阶段，逻辑控制电路把已经充电至V的参考电容Cref按与V极性相反的方式经缓冲器接到积分电路，这样电容器C将以恒定电流Vret/R放电，与此同时计数器开始计数，电容器C上的电量线性减小，当经过时间T2后，电容器电压减小到0，由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计数结果。此阶段存在如下关系：T?Vref*dt=01.1Vo+-(3)C。R把（2）式代入上式，得：T1T2=-Vx(4)Vref从（4）式可以看出，由于T1和Vref均为常数，所以T2与Vx成正比，从图2可以看出。若时钟最小脉冲单元为Tcp，则T1=N1*Tcp，T2=N2*Tcp，代入（4）即有：N1(5)N2= Vref Vx可以得出测量的计数值N2与被测电压Vx成正比。对于ICL7107，信号积分阶段时间固定为1000个TcP，即N1的值为1000不变。而N2的计数随Vx的不同范围为0～1999，同时自动校零的计数范围为2999～1000，也就是测量周期总保持4000个Tcp不变。即满量程时N2max=2000=2*N1，所以Vxmax=2Vref，这样若取参考电压为100mV，则最大输入电压为200mV；若参考电压为1V，则最大输入电压为2V。3
3 图 2 积分和反积分阶段曲线图 第三阶段为反积分阶段（测量阶段），在此阶段，逻辑控制电路把已经充电至Vref 的参 考电容Cref 按与VX 极性相反的方式经缓冲器接到积分电路，这样电容器 C 将以恒定电流 Vref R 放电，与此同时计数器开始计数，电容器 C 上的电量线性减小，当经过时间 T2 后， 电容器电压减小到 0，由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计数并显示出计数结 果。此阶段存在如下关系： Vo+ C 1 dt R Vref T * 2 0 =0 （3） 把（2）式代入上式，得： T2=Vref T1 Vx (4) 从（4）式可以看出，由于 T1 和 Vref 均为常数，所以 T2 与 Vx 成正比，从图 2 可以看 出。若时钟最小脉冲单元为TCP ,则T N TCP 1 1 ，T N TCP 2 2 ，代入（4）， 即有： N2= Vx (5) 可以得出测量的计数值 N2 与被测电压 Vx 成正比。 对于 ICL7107，信号积分阶段时间固定为 1000 个TCP ,即 N1 的值为 1000 不变。而 N2 的计数随 Vx 的不同范围为 0～1999，同时自动校零的计数范围为 2999～1000，也就是测量 周期总保持 4000 个TCP 不变。即满量程时 N2max=2000=2*N1,所以 Vxmax=2Vref，这样若取 参考电压为 100mV，则最大输入电压为 200mV；若参考电压为 1V，则最大输入电压为 2V。 Vref N1
2、ICL7107双积分模数转换器简要介绍40osc1V+BOD139OSC2C138OSC3B137TEST(1's)3A13REFHIF135REFLOG134CREF+aCREFE1回D232COMMON国C231INHI国B230INLO(10's) I22A-ZA2国28BUFFF2E21427INT[5D326] V-B3[1625G2 (10's)(100's)国24c3F3E31823]A3(100's)51G3(1000)AB4[20BPIGNDPOLUS)图3ICL7107芯片引脚图188881FmbneeNE04m0100388838ICL7107288580ea887335268图路5833L>GND1C1RiraComR2-5V品V+5V不VinVint+图4ICL7107和外围器件连接图ICL7107芯片的引脚图如图3所示，它与外围器件的连接图如图4所示。芯片的第324
4 2、ICL7107 双积分模数转换器简要介绍 图 3 ICL7107 芯片引脚图 图 4 ICL7107 和外围器件连接图 ICL7107 芯片的引脚图如图 3 所示，它与外围器件的连接图如图 4 所示。芯片的第 32
脚为模拟公共端，称为COM端：第36脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端：第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端：，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，用示波器接在第27脚可以观测到前面所述的电容充放电过程，该脚对应实验仪上示波器接口Vint：电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（因为测量周期总保持4000个Tcp不变）以及测量的精度。Rint和Cint分别为积分电阻和积分电容，也是ICL7107芯片电路设计的最关键参数Rint为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，对于ICL7107，充电电流的常规值为Iint=4uA，则Rint=满量程/4uA。所以在满量程为200mV，即参考电压Vref=0.1V时，Rint=50K，实际选择47K电阻；在满量程为2V，即参考电压Vref=1V时，Rint=500K，实际选择470K电阻。Cint=T1*Iint/Vint，一般为了减小测量时工频50HZ干扰，T1时间通常选为0.1S，这样又由于积分电压的最大值Vint=2V，所以：Cint=0.2uF，实际应用中选取0.22uF。对于ICL7107，38脚输入的振荡频率为：f0=1/（2.2*R1*C1），而模数转换的计数脉冲频率是f0的4倍，即Tcp=1/（4*f0），所以测量周期T=4000*Tcp=1000/f0，积分时间（采样时间）T1=1000*Tcp=250/fo。所以fo的大小直接影响转换时间的快慢，我们取T1=0.1m（n=5），这样T=0.4S，f0=40kHZ，A/D转换速度为2.5次/秒。由T1=0.1=250/f0，若取C1=100pF，则R1～112.5KQ。实验中为了让同学们更好的理解时钟频率对A/D转换的影响，我们让R1可以调节，该调节电位器就是实验仪中的电位器RWC。3、用ICL7107A/D转换器进行常见物理参量的测量Vref=100mVVref=1VVt-Vr+Vin=0~2V广Vr-Vr-9MVin=0~2VIN+dIN+中ICL7107ICL71071MIN-IN-COMCOMV图5图6（1）直流电压测量的实现（直流电压表）I：当参考电压Vref=100mV时，Rint=47KQ。此时采用分压法实现测量0～2V的直流电压，电路图见图5。II：直接使参考电压Vref=1V，Rint=470KQ来测量0～2V的直流电压，电路图如图6。（2）直流电压量程扩展测量5
5 脚为模拟公共端，称为 COM 端；第 36 脚 Vr+和 35 脚 Vr-为参考电压正负输入端；第 31 脚 IN+和 30 脚 IN-为测量电压正负输入端；，Caz 为自动调零电容，它们与芯片的 27、28 和 29 相连，用示波器接在第 27 脚可以观测到前面所述的电容充放电过程，该脚对应实验仪上示 波器接口 Vint；电阻 R1 和 C1 与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从 40 脚可以用示 波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口 CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的 转换时间（因为测量周期总保持 4000 个 Tcp 不变）以及测量的精度。 Rint 和 Cint 分别为积分电阻和积分电容，也是 ICL7107 芯片电路设计的 最关键参数 Rint 为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的 输出电流来定义的，对于 ICL7107，充电电流的常规值为 Iint=4uA，则 Rint=满量程/4uA。 所以在满量程为 200mV，即参考电压 Vref=0.1V 时，Rint=50K,实际选择 47K 电阻；在满量 程为 2V，即参考电压 Vref=1V 时，Rint=500K,实际选择 470K 电阻。Cint=T1*Iint/Vint, 一般为了减小测量时工频 50HZ 干扰，T1 时间通常选为 0.1S ，这样又由于积分电压的最大 值 Vint=2V，所以：Cint=0.2uF,实际应用中选取 0.22uF。 对于 ICL7107，38 脚输入的振荡频率为：f0=1/(2.2*R1*C1)，而模数转换的计数脉冲 频率是 f0 的 4 倍，即 Tcp=1/(4*f0)，所以测量周期 T=4000*Tcp=1000/f0，积分时间（采 样时间）T1=1000*Tcp=250/fo。所以 fo 的大小直接影响转换时间的快慢，我们取 T1=0.1m(n=5)，这样 T=0.4S，f0=40kHZ，A/D 转换速度为 2.5 次/秒。由 T1=0.1=250/f0， 若取 C1=100pF，则 R1≈112.5KΩ。实验中为了让同学们更好的理解时钟频率对 A/D 转换的 影响，我们让 R1 可以调节，该调节电位器就是实验仪中的电位器 RWC。 3、用 ICL7107A/D 转换器进行常见物理参量的测量 图 5 图 6 （1）直流电压测量的实现（直流电压表） Ⅰ: 当参考电压 Vref=100mV 时，Rint=47KΩ。此时采用分压法实现测量 0～2V 的直流 电压 ,电路图见图 5。 Ⅱ:直接使参考电压 Vref=1V，Rint=470KΩ来测量 0～2V 的直流电压，电路图如图 6。 （2）直流电压量程扩展测量