數(shù)字萬用表設(shè)計性實驗與分析以及實驗改進體系

摘要：本論文探討數(shù)字萬用表設(shè)計實驗的思路和實驗方法以及改進數(shù)字萬用表靈敏度的改進方法，從實驗入手解決試驗中的操作和實驗做法的問題，后接著就實驗從誤差分析入手解決并進行改進方案的討論。關(guān)鍵詞：數(shù)字萬用表;設(shè)計實驗；改進方案；一、實驗內(nèi)容：1）制作量程200mA的微安表（表頭）；2）設(shè)計制作多量程直流電壓表；3）設(shè)計制作多量程直流電流表；二、實驗儀器：WS-I數(shù)字萬用表設(shè)計性實驗儀三位半數(shù)字萬用表三、實驗原理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)動集成電路和外圍元件、LED數(shù)碼管構(gòu)成。該表頭有7個輸入端，包括2個測量電壓輸入端(IN+、IN-)、2個基準電壓輸入端(V+、V-)和3個小數(shù)點驅(qū)動輸入端。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:將輸入的兩個模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字，并將兩數(shù)字進行比較，將結(jié)果在顯示屏上顯示出來。利用這個功能，將其中的一個電壓輸入作為公認的基準，另一個作為待測量電壓，這樣就和所有量具或儀器的測量原理一樣，能夠?qū)﹄妷哼M行測量了。見圖2。圖1200mV(199.9mV)直流數(shù)字電壓表頭及校準電路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分壓電路(分壓器)，可以擴展直流電壓測量的量程。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，這在實際使用中是所不希望的。所以，實際數(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，達到同樣的分壓效果。4.多量程直流數(shù)字電流表測量電流的原理是：根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測電流轉(zhuǎn)換為相應的電壓，再進行測量。如圖6。由于r>>R，取樣電阻R上的電壓降為即被測電流為，多量程分流器電路原理見圖7。圖6電流測量原理圖7多量程分流器電路圖7中的分流器在實際使用中有一個缺點，就是當換檔開關(guān)接觸不良時，被測電路的電壓可能使數(shù)字表頭過載，所以，實際數(shù)字萬用表的直流電流檔電路為圖8所示。圖中的BX是2A保險絲管，電流過大時會快速熔斷，超過流保護作用。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作用。正常測量時，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航?，二極管截止，對測量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導通，兩端電壓被限制住(小于0.7V)，保護儀表不被損壞。用2A檔測量時，若發(fā)現(xiàn)電流大于1A時，應不使測量時間超過20秒，以避免大電流引起的較高溫升影響測量精度甚至損壞電表。圖8實用分壓器電路四、實驗步驟1.制作200mV(199.9mV)直流數(shù)字電壓表頭并校準使用電路單元：三位半數(shù)字表頭，直流電壓校準，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電位器，左數(shù)第三位小數(shù)點dp3接到多量程直流數(shù)字電壓表的小數(shù)點控制電路量程轉(zhuǎn)換單元的“動片1”插孔以獲得一位小數(shù)顯示。利用待測直流電壓源和分壓電阻獲得150mV左右的校準電壓，把一只成品數(shù)字萬用表(稱為標準表)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”旋鈕使表頭讀數(shù)與標準表讀數(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）擴展電壓表頭成為多量程直流電壓表。按圖5接線，“動片2”作為量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，“動片1”作為控制小數(shù)點顯示的開關(guān)。（2）用自制電壓表測直流電壓測量WS-1實驗儀上的待測直流電壓：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，分別測出對應的標準電壓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，分流器1或分流器2，電流檔保護電路，量程轉(zhuǎn)換與測量輸入。按圖8接線，“動片2”作為量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，“動片1”作為控制小數(shù)點顯示的開關(guān)。（2）用自制電流表測直流電流測LED的電流：將自制電流表和標準電流表串接在待測直流電流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)光情況的相應變化，改變I(從-5.00mA到+5.00mA，每隔1.00mA測一次)，分別測出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，在坐標紙上作校正曲線(注意：校正曲線為折線，即將相鄰兩點用直線連接)。2.測直流電流I改（mv）20.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0I標（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標為縱軸，在坐標紙上作校正曲線。六、注意事項1.實驗時應當“先接線，再加電；先斷電，再拆線”，加電前應確認接線無誤，避免短路。2.即使加有保護電路，也應注意不要用電流檔或電阻檔測量電壓，以免造成不必要的損失。3.當數(shù)字表頭最高位顯示“1”(或“1”)而其余位都不亮時，表明輸入信號過大，即超量程。此時應盡快換大量程檔或減小(斷開)輸入信號，避免長時間超量程。4.自鎖緊插頭插入時不必太用力就可接觸良好，拔出時應手捏插頭旋轉(zhuǎn)一下就可輕易拔出，避免硬拔硬拽導線，拽斷線芯。5.特別要注意低電位的接地。七、實驗的分析與討論以及改進的各方面工作：問題的提出：我們可以從實驗的結(jié)果里看見，隨著測量量的增大，實驗數(shù)據(jù)的波動性也在同期增大，只不過是幅度會逐漸增大，其形狀會在一定時期里成斜率不大的直線上升，隨后超過某一定值的時候會呈對數(shù)上升。這個誤差會存在實驗里的每個角落，不可能完全消除，只可能減小它。下面我們會從實驗里和改進兩方面進行分析，討論實驗里的措施和改進里的措施是如何減小這個誤差的。A.實驗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，這在實際使用中是所不希望的。所以，實際數(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，達到同樣的分壓效果。這點是通過改變實驗電路圖來進行改變使阻抗問題得到解決，其實驗思路是通過改變現(xiàn)有電路圖來進行誤差減小的操作的。2.使用較大內(nèi)阻的表頭進行測量，這樣不僅使實驗里的表頭得到了保護也使實驗里電壓電流表的靈敏度提高了，這一點從電表的結(jié)構(gòu)上來看。因為它是一只高靈敏度的磁電式直流電流表，其主要性能指標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)時流過表頭的直流電流值，這個值越小，表頭的靈敏度愈高。測電壓時的內(nèi)阻越大，其性能就越好。所以，實驗用較大的電阻以提高其靈敏性。3.實驗里用硅二極管首先是起了一個保護作用，但是也是提高了實驗的準確度。測量電壓：測量電壓（或電流）時要選擇好量程，如果用小量程去測量大電壓，則會有燒表的危險；如果用大量程去測量小電壓，那么指針偏轉(zhuǎn)太小，無法讀數(shù)。量程的選擇應盡量使指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度的2/3左右。如果事先不清楚被測電壓的大小時，應先選擇最高量程擋，然后逐漸減小到合適的量程。在這一點上，實驗里的兩個二極管反接的實驗裝置，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作用。正常測量時，輸入電壓小于硅二極管的正向?qū)▔航?，二極管截止，對測量毫無影響。一旦輸入電壓大于0.7V，二極管立即導通，兩端電壓被限制住(小于0.7V)，保護儀表不被損壞。反接二極管，當電壓很小的時候沒有達到正向?qū)妷?，電壓過大的時候又限制了電壓的過大，使電壓維持在一個固定的范圍內(nèi)，保護了儀器。還記得在這部分開頭的時候吧“隨著測量量的增大，實驗數(shù)據(jù)的波動性也在同期增大，只不過是幅度會逐漸增大，其形狀會在一定時期里成斜率不大的直線上升，隨后超過某一定值的時候會呈對數(shù)上升”，這樣的誤差存在于當電壓過大的時候，所以當電壓被限制于一個較小的范圍里的時候，會限制這種誤差增長的，使實驗的比較準確。B.改進措施和原理1.為了簡便讀數(shù)和提高讀數(shù)的精度，本實驗給我們的LED讀數(shù)器讀數(shù)，這減小了誤差，同時使實驗變得更易于操作?，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)字儀表準確度高、模擬式儀表便于觀察被測量的變化過程及變化趨勢這兩大優(yōu)點。這里講的模擬條圖有兩層含義：第一，被測量為連續(xù)變化的模擬量；第二，用條圖形式來模擬被測量的變化情況。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，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。目前這種顯示器應用較廣；2)等離子體(PDP)光柱顯示器其優(yōu)點是自身發(fā)光，亮度高，顯示清晰，觀察距離遠，分辨力較高，缺點是驅(qū)動電壓高，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。實驗器材也應該有用到模擬圖條雙顯示儀器，這樣可以提高實驗的精度和準確度。2.雖然運用較大內(nèi)阻的電表表頭，但是電表表頭和實驗器材是結(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驗效果不是很明顯，造成誤差。另外從實驗者的角度分析，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習者分析實驗圖和實驗原理使實驗在操作者面前變的模糊和難于捉摸。所以這樣的話應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，單獨成為一組儀器，讓實驗者跟好的進行組裝實驗儀器，方便學習。3.目前的數(shù)字萬用表雖然具有很高的靈敏度和準確度，但仍存在不足之處．主要表現(xiàn)在以下幾個方面?：(1)沒有實現(xiàn)自動化測量．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．測量速度慢；(2)經(jīng)常被燒毀．數(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，可以使用全自動類型的數(shù)字電表，測量功能自動識別數(shù)字萬用表是一種高度智能化的真正意義的全自動數(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．能夠進行快速、便捷、準確地測量．并大大提高了可靠性和安全性等性能指標。該表除具備普通數(shù)字萬用表的測試功能外．它的最大特色是能夠自動識別當前的測量功能(電壓、電流、電阻等)和量程．并自動轉(zhuǎn)換至相應的測量功能檔位．所有測量功能和量程選擇均由數(shù)字萬用表自動完成，無需人工參與。該數(shù)字萬用表除一個可撥動或按動的電源開關(guān)、一個復合表筆的插槽和一個普通黑表筆的插：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轉(zhuǎn)換功能開關(guān)的繁瑣操作。其電路組成主要由復合表筆、普通黑表筆、輸入電路、放大器、電壓比較器、檢測電路、模擬開關(guān)電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路、LCD顯示電路等組成[引。全自動數(shù)字萬用表的電路方框圖如圖1所示。前面板中具有復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”為復合表筆的插槽。全自動數(shù)字萬用表采用自動行研制的探頭作為復合表筆．以單片機作為智能控制部件。復合表筆由電流傳感器A、電容、測試觸頭B、多芯插頭C、磁屏蔽層D等組成。復合表筆的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。復合表筆的電流傳感器、電容、測試觸頭封裝為一個整體．其外部具有磁屏蔽層，復合表筆的磁屏蔽層在測試觸頭和電流傳感器感