电工技术基础与技能
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3.3.2 数字式万用表

数字式万用表是大规模集成电路、数字显示技术与计算机技术的结晶。数字式万用表与模拟式万用表的测量过程和指示方式完全不同。模拟式万用表是先通过一定的测量电路将被测的模拟电量转换成电流信号,再由电流信号去驱动磁电系测量机构使表头指针偏转,通过表盘上标度尺的读数指示出被测量大小,其工作原理框图如图3-37所示;数字式万用表是先由模/数转换器(A/D转换器)将被测模拟量变换成数字量,然后通过电子计数器的计数,最后把测量结果用数字直接显示在显示器上,其工作原理框图如图3-38所示。

(1)特点

数字式万用表与模拟式万用表相比,具有许多如下优点:

①模拟式万用表的主要部件是指针式电流表,测量结果为指针式显示;数字式万用表主要应用了数字集成电路等器件,测量结果为数字显示。

图3-37 模拟式万用表工作原理框图

图3-38 数字式万用表工作原理框图

②数字式万用表的准确度高,这是指针式万用表望尘莫及的。目前大量使用的3位半或4位半数字式万用表的测量准确度为±0.5%~±0.03%。与此同时,数字式万用表的分辨率也很高,这里所说的分辨率,是指最低量程上末位一个数字所对应的数值。需要指出的是,分辨率表征仪表的灵敏性,而准确度则是反映测量结果与真实值一致的程度,两者是不同的概念。在实际使用过程中,并不是准确度和灵敏度越高越好,这要视被测的具体对象而定,否则准确度和灵敏度太高也是一种浪费。一般来讲,3位半的数字式万用表已能满足一般情况下测量的需要。

③与模拟式万用表的内阻相比,数字式万用表的内阻(输入阻抗)高得多;所以在进行电压测量时,后者更接近理想的测量条件。

④模拟式万用表电阻阻值的刻度线从左到右逐渐变疏,即刻度是非线性的;相对而言,数字式万用表的显示则是线性的。

⑤在进行直流电压或电流测量时,模拟式万用表如果正、负极接反,指针的偏转方向也相反;而数字式万用表能自动判别并且显示出极性的正或负。

⑥模拟式万用表是根据指针和刻度来读数的,会因每个人的读数习惯不同而产生一定的人为误差;数字式万用表是数字显示,测量速率快,没有此类人为误差。

(2)基本组成

如前所述,模拟式万用表是用磁电系测量机构来指示被测量的数值,其指针偏转角的大小与流过该测量机构的直流电流成正比。所以不管测量什么量,都要求将被测量转换成大小适当的直流电流通过表头。这一工作在万用表中是由测量电路来完成的。

数字式万用表则不同,它是由功能选择开关把各种被测量分别通过相应的功能变换,变换成直流电压,并按照规定的线路送到量程选择开关,然后将相应的直流电压送到A/D转换器,由A/D转换器将直流电压转换成数字信号,再经数字电路处理后通过液晶(LCD)显示器显示出被测量的数值。图3-39是普通数字式万用表的基本组成框图。

图3-39 普通数字式万用表基本组成框图

从图中可以看出,数字式万用表由四个基本部分组成:

①模拟电路。它包括功能选择电路、各种变换器电路、量程选择电路。

②A/D转换器。

③数字电路。

④显示器电路 。

其中A/D转换器是数字式万用表的核心部分,大都采用集成电路(IC)。如用于3位半仪表中的ICL7106集成电路,它包括了A/D转换器和数字电路两大部分。现在有许多不同型号的用于数字式万用表的专用集成电路产品。

(3)主要技术性能

数字式万用表由于应用了大规模集成电路,使得操作变得更简便,读数更精确,而且还具备了较完善的过电压、过电流等保护功能。它能对多种电量进行直接测量并把测量结果用数字方式显示,与模拟式万用表相比,其各种性能指标均有大幅度提高。表3-4所示为DT830型和DT890A型数字万用表的主要技术性能。

表3-4 DT830型和DT890A型数字万用表的主要技术性能

(4)面板结构

不同型号数字式万用表的面板结构各不相同,但其功能大同小异。下面以DT830型数字式万用表为例,介绍其面板结构。

图3-40为DT830型数字式万用表的面板图,主要包括电源开关、液晶显示屏、hFE插孔、输入插孔以及量程选择开关等。

图3-40 DT830型数字式万用表面板

①电源开关 电源开关(POWER)可根据实际需要,分别将其置于“ON”(开)或“OFF”(关)状态。测量完毕,应将其置于“OFF”位置,以免消耗电池的能量。数字式万用表的电池盒位于后盖的下方,通常采用直流9V的叠层电池。在电池盒内还装有熔丝管,起过载保护作用。

②液晶显示屏 液晶显示屏最大显示值为1999或-1999,有自动调零及极性自动显示功能。若被测电压或电流的极性为负,则显示值前将带“-”号。当其输入超过量程时,显示屏左端出现“1”或“-1”的提示字样。

③hFE插孔 hFE插孔是测试晶体三极管电流放大倍数的专用插口,测试时,将三极管的三个引脚插入对应的E、B、C孔内即可。

④输入插孔 输入插孔是万用表通过表笔与被测量连接的部位,设有“COM”“V·Ω”“mA”“10A”四个插口。注意,黑表笔始终插在“COM”孔内;红表笔则根据具体测量对象插入不同的孔内(“V·Ω”、“mA”或“10A”插孔)。在“COM”插孔与其他三个插孔之间分别标有“10A·MAX” 或“MAX200mA” 和“MAX750V~、1000V----”标记,前者表示在对应的插孔内所测量的电流值不能超过10A或200mA;后者表示所测量的交流电压不能超过750V,所测量的直流电压不能超过1000V。

⑤量程选择开关 量程选择开关周围用不同的颜色和分界线标出了各种不同的测量种类和量程。

(5) 使用方法

①电压测量 将红、黑表笔分别接“V·Ω”与“COM”插孔,根据所测直流或交流电压的大小合理选择量程(直流200mV、2V、20V、200V、1000V或交流200V、750V);将红、黑表笔并接于被测电路(若是直流,注意红表笔接高电位端,否则显示屏左端将显示“-”),此时显示屏显示出被测电压数值。若显示屏只显示最高位“1”,表示溢出,应将量程调高。注意,不同的量程,其测量精度是不同的。例如,测量一节电压为1.5V的干电池,分别用2V、20V、200V、1000V 挡测量,其测量值分别为1.552V、1.55V、1.6V和2V,所以不能用高量程挡去测小电压。

②电流测量 测量交、直流电流(AC A、DC A)时,将红表笔插入“mA”或“10A”插孔(根据测量值的大小),黑表笔接“COM”插孔,旋动量程选择开关至合适位置(2mA、20mA、200mA或10A),将两表笔串接于被测回路(直流时,注意极性),显示屏所显示的数值即为被测电流的大小。

③电阻测量 测量电阻时,无须调零。将红、黑表笔分别插入“V·Ω”与“COM”插孔,旋动量程选择开关至合适位置(200、2k、200k、2M、20M),将两笔表跨接在被测电阻两端(不得带电测量!),显示屏所显示数值即为被测电阻的数值。应注意的是,有些型号的数字式万用表,有200MΩ及以上的量程挡,当使用此量程挡位进行测量时,先将两表笔短路,若显示屏显示的数据不为零,仍属正常,此读数是一个固定的偏移值,被测电阻的实际数值应为显示数值减去该偏移值。

④二极管和电路通断的测量 进行二极管和电路通断测试时,红、黑表笔分别插入“V·Ω”与“COM”插孔,旋动量程开关至二极管测试位置“”。在正向情况下,显示屏即显示出二极管的正向导通电压(锗管应在0.2~0.3V之间,硅管应在0.5~0.8V之间);在反向情况下,显示屏若显示“1”,表明二极管不导通,否则,表明被测二极管的反向漏电流大。在正向状态下,若显示“000”,则表明二极管短路,若显示“1”,则表明断路。在测量线路或器件的通断状态时,若检测的阻值小于30Ω,则表内发出蜂鸣声以表示线路或器件处于导通状态。

⑤“hFE”值测量 进行三极管“hFE”值测量时,根据被测管的类型(PNP或NPN)的不同,把量程开关转至“PNP” 或“NPN”处,再把被测三极管的三个脚插入相应的E、B、C孔内,此时,显示屏所显示的数值即为被测管的“hFE”的大小。

(6)使用注意事项

①仪表的使用或存放应避免高温、寒冷、高湿、阳光直射及强烈振动环境(其工作温度为0~40℃,湿度为80%),使用时应轻拿轻放。

②数字式万用表在刚测量时,显示屏上的数值会有跳动现象,这是正常的,应当待显示数值稳定后(约1~2s)才能读数,切勿用最初跳动变化中的某一数值,当作被测量值读取。另外,被测元器件的引脚因日久氧化或有锈污,可能造成被测元件和表笔之间接触不良,显示屏会出现长时间的跳动现象,无法读取正确测量值。这时应先清除氧化层和锈污,使表笔接触良好后再测量。

③测量时,如果显示屏上只有“半位”上的读数1,则表示被测数超出所在量程范围(二极管测量除外),称为溢出。这时说明量程选得太小,可换高一挡量程再测试。

④数字式万用表的功能多,量程挡位也多,导致相邻两个挡位间的距离比较小。因此,转换量程开关时,动作要慢,用力不要过猛。在开关转换到位后,再轻轻地左右拨动一下,看看是否真的到位,以确保量程开关接触良好。

⑤严禁在测量的同时旋动量程开关,特别是在测量高电压、大电流的情况下,以防产生电弧烧坏量程开关。

⑥交流电压挡只能直接测量低频(小于500Hz)正弦波信号。

⑦测量晶体管“hFE”值时,由于工作电压仅为2.8V,且未考虑Ube的影响,因此,测量值偏高,只能是一个近似值。

⑧当显示屏出现“LOBAT”或“←”时,表明电池电压不足,应予更换。

⑨若测量电流时,没有读数,应检查熔丝是否熔断。

⑩测量完毕后,应关上仪表电源;如果长期不用,应将电池取出,以免因电池变质而使万用表生锈甚至损坏万用表。