数字多用表：测量更多的电学参数和信号频率

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：与普通的模拟式多用表相比，数字多用表的测量功能较多，它不但能测量直流电压、交流电压、交流电流、直流电流和电阻等参数，而且能测量信号频率、电容器容量及电路的通断等。除以上测量功能外，还有自动校零、自动显示极性、过载指示、读数保持、显示被测量单位的符号等功能。可以看出，数字式多用表的核心是数字直流电压表。图5-27数字多用表组成原理图1）线性AC/DC变换器数字多用表中的线性AC/DC变换器主要有平均值AC/DC和有效值AC/DC。

与普通的模拟式多用表相比，数字多用表（简称DMM）的测量功能较多，它不但能测量直流电压、交流电压、交流电流、直流电流和电阻等参数，而且能测量信号频率、电容器容量及电路的通断等。除以上测量功能外，还有自动校零、自动显示极性、过载指示、读数保持、显示被测量单位的符号等功能。它的基本测量方法以直流电压的测量为基础。测量时，先把其他参数变换为等效的直流电压U，然后通过测量U获得所测参数的数值。

1.数字多用表的基本原理

和模拟直流电压表前端配接检波器即可构成模拟交流电压表一样，在数字直流电压表前端接相应的交流/直流转换器（AC/DC）、电流/电压转换电路（I/V）、电阻/电压转换电路（ Ω/V）等，就构成了数字多用表，如图5-27所示。可以看出，数字式多用表的核心是数字直流电压表。由于直流数字电压表是线性化显示的仪器，因此要求其前端配接的AC/DC、I/V、 Ω/V等变换器也必须是线性变换器，即变换器的输出与输入呈线性关系。

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图5-27　数字多用表组成原理图

1）线性AC/DC变换器

数字多用表中的线性AC/DC变换器主要有平均值AC/DC和有效值AC/DC。有效值AC/DC可以采用前面介绍的热偶变换式和模拟计算式。平均值AC/DC通常利用负反馈原理以克服检波二极管的非线性，以实现线性AC/DC转换。图5-28所示为线性平均值检波器的原理，其中图（a）为由运算放大器构成的负反馈放大器，图（b）是半波线性检波电路。设运放的开环增益为K，并假设其输入阻抗足够高（实际的运放一般能满足这一假设），则

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图5-28　线性检波原理图

解得

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一般K≫1（通常K为105～108），因此上式简化为

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即由于反馈电阻R2的负反馈作用，放大器的输出和输入呈线性关系，而与运放的开环增益无关。基于上述原理，分析图（b）电路的特性：在Ux负半周，A点电压UA为正值，D1导通，设D1检波增益为Kd，则Uo除以Ui＝－K·Kd，由于K值很大，因而K·Kd值也很大，引入图（a）分析结论，此负半周Uo输出满足式（5-29），而与Kd变化基本无关，这就大大削弱了D1伏安特性的非线性失真，而使输出Uo线性正比于被测电压Ux。在Ux正半周，UA为负值，D2导通，D1截止，考虑运放的“虚短路”和“虚断路”特性，Uo被箝位在0 V。这样，图（b）就构成了线性半波检波器，输入输出波形如图（c）所示。为了提高检波器灵敏度，图（b）也可使用全波检波电路。在实际数字电压表的AC/DC变换器中，为了增加检波器输入阻抗，在其前面加接一级同相放大器（源极跟随器、射级跟随器），输出端加接一级有源低通滤波器以滤除交流成分，获得平均值输出，从而构成了如图5-29所示的线性平均值AC/DC变换器结构。

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图5-29　线性平均值AC/DC变换器

2）I/V变换器

将直流电流Ix变换成直流电压最简单的方法，是让该电流流过标准电阻RS，根据欧姆定律，RS上端电压URs＝RS·Ix，从而完成了I/V线性转换。为了减小对被测电路的影响，电阻RS的取值应尽可能小。图5-30所示为两种I/V变换器的原理图。图（a）采用高输入阻抗同相运算放大器，不难算出输出电压Uo与被测电流Ix之间满足：

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当被测电流较小时（Ix小于几个毫安），采用图（b）所示的转换电路，忽略运放输入端漏电流，输出电压Uo与被测电流Ix之间满足：

从而实现I/V变换。

3）Ω/V变换器

实现 Ω/V变换的方法有多种，图5-31所示为恒流法 Ω/V变换器原理图。图中Rx为待测电阻，RS为标准电阻，US为基准电源，该图实质上是由运算放大器构成的负反馈电路，利用前面的分析方法，可以得到

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图5-30　I/V变换器

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图5-31　恒流法 Ω/V变换器

即输出电压与被测电阻成正比，实质上构成了恒流源，改变RS，可以改变Rx的量程。

2.数字多用表的特点

较之模拟式多用表，数字多用表除具有一般的DVM准确度高、数字显示、读数迅速准确、分辨力高、输入阻抗高、能自动调零、自动转换量程、自动转换及显示极性等优点外，还因采用了大规模集成电路，而具有体积小、可靠性好、测量功能齐全、操作简便等优点。有些数字多用表可以精确地测量电容、电感量、温度、晶体管的hFE等，大大地扩展了其使用功能。同时，数字多用表内部有较完善的保护电路，过载能力强。因此，数字多用表获得了越来越广泛的应用。但它也有不足之处，它不能反映被测量的连续变化过程，以及变化的趋势。例如，用它来观察电容器的充、放电过程，就不如用模拟电压表方便直观，它也不适于作电桥调平衡用的零位指示器。综上，尽管数字多用表具有许多优点，但它不可能完全取代模拟式多用表。

数字多用表：测量更多的电学参数和信号频率

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