GT6505 數字電錶原理及萬用表設計

GT6505數字電錶原理及萬用表設計使用說明書

    數字電錶以它顯示直觀、準確度高、解析度強、功能完善、性能穩定、體積小易於攜帶等特點在科學研究、工業現場和生產生活中得到了廣泛應用.數字電錶工作原理簡單,完全可以讓同學們理解並利用這一工具來設計對電流、電壓、電阻、壓力、溫度等物理量的測量,從而提高大家的動手能力和解決問題能力.

［實驗目的］

    1、了解數字電錶的基本原理及常用雙積分模數轉換晶片外圍參數的選取原則、電錶的校準原則以及測量誤差來源.

    2、了解萬用表的特性、組成和工作原理.

    3、掌握分壓、分流電路的原理以及設計對電壓、電流和電阻的多量程測量.

    4、了解交流電壓、三極體和二極體相關參數的測量.

    5、通過數字電錶原理的學習,能夠在傳感器設計中靈活應用數字電錶.

［實驗儀器］

    1、GT6505數字電錶原理及萬用表設計實驗儀.

    2、四位半通用數字萬用表.(自備或我公司配)

    3、示波器.(自備或我公司配) 

    4、ZX25a電阻箱.(自備或我公司配)                                                   

［實驗原理］

一、數字電錶原理

常見的物理量都是幅值大小連續變化的所謂模擬量,指針式儀表可以直接對模擬電壓和電流金星顯示.而對數字式儀表,需要把模擬電信號(通常是電壓信號)轉換成數位訊號,再進行顯示和處理.

數位訊號與模擬信號不同,其幅值大小是不連續的,就是說數位訊號的大小只能是某些分立的數值,所以需要進行量化處理.若最小量化單位為,則數位訊號的大小是的整數倍,該整數可以用二進位碼表示.設=0.1 mV,我們把被測電壓U與比較,看U是的多少倍,並把結果四捨五入取為整數N (二進位).一般情況下,N≥1000即可滿足測量精度要求(量化誤差≤1/1000=0.1%).所以,最常見的數字表頭的最大示數為1999,被稱為三位半(3 1/2)數字表.如：U是 (0.1 mV)的1861倍,即N=1861,顯示結果為186.1(mV).這樣的數字表頭,再加上電壓極性判別顯示電路和小數點選擇位,就可以測量顯示-199.9～199.9 mV的電壓,顯示精度為0.1 mV.

1、雙積分模數轉換器(ICL7107)的基本工作原理

雙積分模數轉換電路的原理比較簡單,當輸入電壓為Vx時,在一定時間T1內對電量為零的電容器C進行恆流(電流大小與待測電壓Vx成正比)充電,這樣電容器兩極之間的電量將隨時間線性增加,當充電時間T1到後,電容器上積累的電量Q與被測電壓Vx成正比；然後讓電容器恆流放電(電流大小與參考電壓Vref成正比),這樣電容器兩極之間的電量將線性減小,直到T2時刻減小為零.所以,可以得出T2也與Vx成正比.如果用計數器在T2開始時刻對時鐘脈衝進行計數,結束時刻停止計數,得到計數值N2,則N2與Vx成正比.

雙積分AD的工作原理就是基於上述電容器充放電過程中計數器讀數N2與輸入電壓Vx成正比構成的.現在我們以實驗中所用到的3位半模數轉換器ICL7107為例來講述它的整個工作過程.ICL7107雙積分式A/D轉換器的基本組成如圖1所示,它由積分器、過零比較器、邏輯控制電路、閘門電路、計數器、時鐘脈衝源、鎖存器、解碼器及顯示等電路所組成.下面主要講一下它的轉換電路,大致分為三個階段：

第一階段,首先電壓輸入腳與輸入電壓斷開而與地端相連放掉電容器C上積累的電量,然後參考電容Cref充電到參考電壓值Vref,同時反饋環給自動調零電容C_AZ以補償緩衝放大器、積分器和比較器的偏置電壓.這個階段稱為自動校零階段.

第二階段為信號積分階段(採樣階段),在此階段Vs接到Vx上使之與積分器相連,這樣電容器C將被以恆定電流Vx/R充電,與此同時計數器開始計數,當計到某一特定值N1(對於三位半模數轉換器,N1=1000)時邏輯控制電路使充電過程結束,這樣採樣時間T1是一定的,假設時鐘脈衝為T_CP,則T1=N1*T_CP.在此階段積分器輸出電壓Vo=-Qo/C(因為Vo與Vx極性相反),Qo為T1時間內恆流(Vx/R)給電容器C充電得到的電量,所以存在下式：

     Qo==                     (1)

                 Vo=-=-                                   (2)

圖 1 雙積分AD內部結構圖

圖2   積分和反積分階段曲線圖

第三階段為反積分階段(測量階段),在此階段,邏輯控制電路把已經充電至的參考電容按與極性相反的方式經緩衝器接到積分電路,這樣電容器C將以恆定電流 放電,與此同時計數器開始計數,電容器C上的電量線性減小,當經過時間T2後,電容器電壓減小到0,由零值比較器輸出閘門控制信號再停止計數器計數並顯示出計數結果.此階段存在如下關係：

Vo+=0                  (3)

把(2)式代入上式,得：

   T2=Vx                      (4)

從(4)式可以看出,由於T1和Vref均為常數,所以T2與Vx成正比,從圖2可以看出.若時鐘最小脈衝單元為,則,,代入(4),

即有：

N2=     Vx                (5)

可以得出測量的計數值N2與被測電壓Vx成正比.

對於ICL7107,信號積分階段時間固定為1000個T_CP,即N1的值為1000不變.而N2的計數隨Vx的不同範圍為0～1999,同時自動校零的計數範圍為2999～1000,也就是測量周期總保持4000個T_CP不變.即滿量程時N2max=2000=2*N1,所以Vxmax=2Vref,這樣若取參考電壓為100mV,則最大輸入電壓為200mV；若參考電壓為1V,則最大輸入電壓為2V.

對於ICL7107的工作原理這裡我們不再多說,以下我們主要講講它的引腳功能和外圍元件參數的選擇,讓同學們學會使用該晶片.

     2、ICL7107雙積分模數轉換器引腳功能、外圍元件參數的選擇

圖3   ICL7107晶片引腳圖

圖4   ICL7107和外圍器件連接圖

    ICL7107晶片的引腳圖如圖3所示,它與外圍器件的連接圖如4所示.圖4中它和數碼管相連的腳以及電源腳是固定的,所以不加詳述.晶片的第32腳為模擬公共端,稱為COM端；第34腳Vr+和35腳Vr-為參考電壓正負輸入端；第31腳IN+和30腳IN-為測量電壓正負輸入端； Cint和Rint分別為積分電容和積分電阻,Caz為自動調零電容,它們與晶片的27、28和29相連,用示波器接在第27腳可以觀測到前面所述的電容充放電過程,該腳對應實驗儀上示波器接口Vint；電阻R1和C1與晶片內部電路組合提供時鐘脈衝振蕩源,從40腳可以用示波器測量出該振蕩波形,該腳對應實驗儀上示波器接口CLK,時鐘頻率的快慢決定了晶片的轉換時間(因為測量周期總保持4000個Tcp不變)以及測量的精度.下面我們來分析一下這些參數的具體作用：

     Rint為積分電阻,它是由滿量程輸入電壓和用來對積分電容充電的內部緩衝放大器的輸出電流來定義的,對於ICL7107,充電電流的常規值為Iint=4uA,則Rint=滿量程/4uA.所以在滿量程為200mV,即參考電壓Vref=0.1V時,Rint=50K,實際選擇47K電阻；在滿量程為2V,即參考電壓Vref=1V時,Rint=500K,實際選擇470K電阻.

Cint=T1*Iint/Vint,一般為了減小測量時工頻50Hz幹擾,T1時間通常選為0.1S ,具體下面再分析,這樣又由於積分電壓的最大值Vint=2V,所以：Cint=0.2uF,實際應用中選取0.22uF.

對於ICL7107,38腳輸入的振蕩頻率為：f0=1/(2.2*R1*C1),而模數轉換的計數脈衝頻率是f0的4倍,即Tcp=1/(4*f0),所以測量周期T=4000*Tcp=1000/f0,積分時間(採樣時間)T1=1000*Tcp=250/fo.所以fo的大小直接影響轉換時間的快慢.頻率過快或過慢都會影響測量精度和線性度,同學們可以在實驗過程中通過改變R1的值同時觀察晶片第40腳的波形和數碼管上顯示的值來分析.一般情況下,為了提高在測量過程中抗50Hz工頻幹擾的能力,應使A/D轉換的積分時間選擇為50Hz工頻周期的整數倍,即T1=n*20ms,考慮到線性度和測試效果,我們取T1=0.1m(n=5),這樣T=0.4S,f0=40kHz,A/D轉換速度為2.5次/秒.由T1=0.1=250/f0,若取C1=100pF,則R1≈112.5KΩ.實驗中為了讓同學們更好的理解時鐘頻率對A/D轉換的影響,我們讓R1可以調節,該調節電位器就是實驗儀中的電位器RWC.

3、用ICL7107A/D轉換器進行常見物理參量的測量

圖5

圖6

圖7

(1)直流電壓測量的實現(直流電壓表)

Ⅰ: 當參考電壓Vref=100mV時,Rint=47KΩ.此時採用分壓法實現測量0～2V的直流電壓 ,電路圖見圖5.

Ⅱ:直接使參考電壓Vref=1V,Rint=470KΩ來測量0～2V的直流電壓,電路圖如圖6.

(2)直流電流測量的實現(直流電流表)

直流電流的測量通常有兩種方法,第一種為歐姆壓降法,如圖7所示,即讓被測電流流過一定值電阻Ri,然後用200mV的電壓表測量此定值電阻上的壓降Ri*Is(在Vref=100mV時,保證Ri*Is≤200mV就行),由於對被測電路接入了電阻,因而此測量方法會對原電路有影響,測量電流變成Is』=R0*Is/(R0+Ri),所以被測電路的內阻越大,誤差將越小.第二種方法是由運算放大器組成的I-V變換電路來進行電流的測量,此電路對被測電路的無影響,但是由於運放自身參數的限制,因此只能夠用在對小電流的測量電路中,所以在這裡就不再詳述.

(3)電阻值測量的實現(歐姆表)

Ⅰ:當參考電壓選擇在100mV時,此時選擇Rint=47KΩ,測試的接線圖如圖8所示,圖中Dw是提供測試基準電壓,而Rt 是正溫度係數(PTC)熱敏電阻,既可以使參考電壓低於100mV,同時也可以防止誤測高電壓時損壞轉換晶片,所以必需滿足Rx=0時,Vr≤100mV.由前面所講述的7107的工作原理,存在：

        Vr=(Vr+)–(Vr-)=Vd*Rs/(Rs+Rx+Rt)           (6)

        IN=(IN+)–(IN-)=Vd*Rx/(Rs+Rx+Rt)           (7)

由前述理論N2/N1=IN/Vr有：

        Rx=(N2/N1)*Rs                              (8)

所以從上式可以得出電阻的測量範圍始終是0～2RsΩ.

Ⅱ: 當參考電壓選擇在1V時,此時選擇Rint=470KΩ,測試電路可以用圖9實現,此電路僅供有興趣的同學參考,因為它不帶保護電路,所以必需保證Vr≤1V.在進行多量程實驗時(萬用表設計實驗),為了設計方便,我們的參考電壓都將選擇為100mV,除了比例法測量電阻我們使Rint=470KΩ和在進行二極體正嚮導通壓降測量時也使Rint=470KΩ並且加上1V的參考電壓.

二、數字萬用表設計

常用萬用表需要對交直流電壓、交直流電流、電阻、三極體和二極體正向壓降的測量等,圖10為萬用表測量基本原理圖.下面我們主要講講提到的幾種參數的測量：

本實驗使用的GT6505型數字電錶原理及萬用表設計實驗儀,它的核心是由雙積分式模數A/D轉換解碼驅動集成晶片ICL7107和外圍元件、LED數碼管構成.為了同學們能更好的理解其工作原理,我們在儀器中預留了9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(Vr+、Vr-)、3個小數點驅動輸入端(dp1、dp2和dp3)以及模擬公共端(COM)和地端(GND).

1、直流電壓量程擴展測量

2、直流電流量程擴展測量(參考電壓100mV)

3、交流電壓、交流電流測量(參考電壓100mV)

4、電阻測量電路(參考電壓0～1V)

5、三極體參數h_FE的測量(參考電壓100mV)

6、二極體正向壓降的測量(參考電壓1V)

［實驗內容與步驟］

一、實驗儀組成簡介

該模塊的功能.

1、ICL7107模數轉換及其顯示模塊,如圖23中標示的「1」.

2、量程轉換開關模塊,如圖23中標示的「2」.

3、交流電壓電流模塊,提供交流電壓和電流,通過模塊中的電位器進行調節.

4、直流電壓電流模塊,提供直流電壓和電流,通過模塊中的電位器進行調節.

5、待測元件模塊,提供二極體、電阻、NPN三極體和PNP三極體各一個.

6、AD參考電壓模塊,提供模數轉換器的參考電壓,通過模塊中的電位器進行調節.

7、參考電阻模塊,提供可調參考電阻和可調待測電阻各一個.

8、交直流電壓轉換模塊,把交流電壓轉換成直流電壓,模塊中有電位器進行調整.

9、電阻檔保護模塊,防止過壓損壞儀器.

10、電流檔保護模塊,防止過流.

11、NPN三極體測量模塊、PNP三極體測量模塊、二極體測量模塊.

12、量程擴展分壓器a、b,分流器a、b,以及分檔電阻模塊.

二、數字電錶原理實驗

   ◆ 直流電壓的測量

  ◆   直流電流的測量

    ◆   電阻的測量

    ◆   200mV交流電壓的校準

    ◆   20mA交流電流的測量

    ◆   二極體正向壓降的校準和測量

    ◆   三極體h_FE參數的測量

三、萬用表設計實驗

1、設計製作多量程直流數字電壓表

2、設計製作多量程直流數字電流表

3、設計製作多量程電阻表

4、設計製作多量程交流電壓表