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414数字仪表原理与万用表设计实验 目的 1.了解数字仪表的基本原理及常用双积分模数转换芯片外围参数的选择原则 仪表的校准原理及测量误差来源 2.了解万用表的特性组成及工作原理 3.掌握分压器和分流电路的原理，设计电压、电流、电阻的多量程测量 4.了解交流电压三极管和二极管相关参数的测量 5.通过研究了数字电流表的原理，可以灵活地将数字电流表应用到传感器的设计中。 DH6505数字电流表的原理和万用表的设计。数字表原理常见的物理量就是所谓的振幅连续变化的模拟指针表，可以直接显示模拟电压和电流，而数字表需要将模拟电信号，通常是电压信号，转换成数字信号，然后显示出来。

显示和处理数字信号不同于模拟信号，它的幅度是不连续的，也就是说数字信号的大小只能是一些离散值，所以需要对其进行量化。 若最小量化单元为 ，则数字信号的大小为 的整数倍 整数可用二进制码表示。 设置01。我们将测量的电压与它的次数进行比较，并将结果四舍五入为整数二进制。 一般≥1000即可满足测量精度要求。 量化误差≤1100001，所以最常见的数字表表头最大读数为1999，称为三位半312数字表。 如果是01的1861倍，即1861的显示结果就是1861。这样的数字表加上电压极性判别显示电路和小数点选择就可以测量显示——1999～1999电压显示精度为011 . 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，以零功率对电容C进行恒流。 电流大小与待测电压Vx成正比。 比例充电，使电容器两极间的电量随时间线性增加。 当充电时间T1到时，电容上积累的电量Q与被测电压Vx成正比，然后电容的恒流放电电流与参考电压Vref成正比，从而使电容的两极电容之间的功率会线性下降数字电表原理图，直到在T2处降为零，因此可以得出T2也与Vx成正比。 如果计数器在T2开始时对时钟脉冲进行计数数字电表原理图，在T2结束时停止计数得到计数值N2，则N2与Vx成正比。 比例二重积分AD的工作原理是基于电容器充放电过程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比。 下面我们以实验中使用的3.5位模数转换器ICL7107为例，介绍其整个工作过程。 处理ICL7107双积分AD转换

转换器的基本组成如图 414-1 所示。 它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器和显示电路等组成。 下面主要讲一下它的转换电路。 它分为三个阶段。 第一阶段，电压输入引脚与输入电压断开连接到地端，将电容C上积累的电能放电，然后给参考电容Cref充电至参考电压值Vref。 同时，反馈回路为自动调零电容器 CAZ 供电，以补偿缓冲放大器积分器和比较器的偏置电压。 这个阶段称为自动归零阶段。 第二阶段是信号整合阶段和采样阶段。 在这个阶段，Vs 连接到 Vx 以将其连接到积分器，因此电容器 C 将是恒定的。 当前VxR被充电，同时计数器在计数到一定值N1时开始计数。 对于三位半数模数转换器N11000，逻辑控制电路使充电过程结束，因此采样时间T1恒定。 假设时钟脉冲为TCP，T1N1TCP为相位积分器输出电压Vo-QoC，因为Vo的极性与Vx的极性相反，Qo为T1内用恒流VxR对电容C充电得到的电量，所以有如下公式Qo414-1Vo--414-2C 图414-1 内部二重积分AD结构图 图414-2 积分与反积分阶段图 第三阶段为反积分阶段测量阶段 在这个阶段，逻辑控制电路将充电后的参考电容通过缓冲器以相反极性的方式连接到积分电路。 电容C恒流放电，同时计数器开始计数。 电容C上的电量呈线性下降。 经过时间T2后，电容电压降为0，零值比较器输出门控信号，使计数器停止计数并显示计数结果。 在这个阶段，存在以下关系：Vo0414

-3 将公式414-2代入上式得到T2Vx414-4 由公式414-4可知，由于T1和Vref为常数，T2与Vx成正比。 从图414-2可以看出，如果时钟的最小脉冲单位为 代入414-4表示有N2Vx414-5可以得到测量计数值N2，测量电压Vx与ICL7107信号积分成正比阶段时间固定为1000，即N1的值为1000，N2的计数随Vx变化 范围为0~1999，自动校零计数范围为2999~1000，即测量周期始终保持在 4000 不变，即满量程时 N2max20002N1，因此 Vxmax2Vref。 如果参考电压为 100mV，则最大输入电压为 200mV。 如果参考电压为 1V，则意味着最大输入电压为 2V。 关于ICL7107的工作原理，这里就不多说了。 主要讲一下它的管脚作用和外围元器件参数的选择，让同学们学习使用这个芯片。 2、ICL7107双积分模数转换器引脚功能选择外围元器件参数 图414-3 ICL7107芯片引脚图 图414-4ICL7107与外围器件连接图 ICL7107芯片引脚图如图414-3及其与外围设备的连接 连接图如图 414-4 所示。 图中连接数码管的引脚和电源引脚是固定的，所以芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端的第34脚Vr和第35脚Vr。 -第31脚IN和第30脚IN为参考电压的正负输入端-测量电压的正负输入端Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻Caz为自动调零电压

它们接在芯片的2728和29上，用示波器接在27脚上，观察上述电容的充放电过程。 该引脚对应实验仪器上的示波器接口。 Vint电阻R1和C1结合芯片内部电路提供时钟脉冲振荡源 从40脚可以用示波器测量振荡波形。 该引脚对应实验仪器上的示波器接口。 CLK时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间，因为测量周期始终保持4000 Tcp和测量精度。 下面就来分析这些。 参数Rint的具体作用是积分电阻，它由满量程输入电压和内部缓冲放大器的输出电流定义，用于给积分电容充电。 ICL7107充电电流的正常值为Iint4uA，满量程Rint为4uA，所以在满量程参考电压为200mV，即参考电压Vref01V时，Rint50K实际上选择了一个47K的电阻。 当满量程为2V，即参考电压Vref1V时，Rint500K实际上选择了一个470K的电阻。 由于积分电压的最大值为Vint2V，实际应用中选择022uF的Cint02uF。 对于ICL710738引脚输入，振荡频率为f0122R1C1，模数转换的计数脉冲频率为f0的4倍，即Tcp14f0，所以测量周期为T4000Tcp1000f0，积分时间为采样时间T11000Tcp250fo，所以fo的大小直接影响到转换时间的快慢。 频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度。 同学们可以通过改变R1的值，观察实验过程中芯片40脚的波形和数码管显示的值来进行综合分析。 案子

为了提高测量过程中抗50HZ工频干扰的能力，AD转换的积分时间应选择为50HZ工频周期的整数倍，即T1n20ms。 考虑到线性度和测试效果，我们取T101mn5使得T04Sf040kHZAD转换速度为25秒，如果T101250f0为C1100pF，R1≈1125KΩ 在实验中，为了让同学们更好的理解时钟频率对AD转换的影响，我们让R1调节电位器，即实验仪器中的电位器RWC3。 用ICL7107AD转换器测量常用物理参数 图414-5 图414-61 直流电压测量的实现 直流电压表Ⅰ 当参考电压Vref100mV，Rint47KΩ时，此时，采用分压法测量0~2V的直流电压，如电路图414-5Ⅱ所示 直接用参考电压Vref1VRint470KΩ测量0~2V的直流电压。 电路图如图414-62所示。 如图7所示，让被测电流流过定值电阻Ri，然后用200mV电压表测量定值电阻RiIs上的压降RiIs。 当Vref100mV时，保证RiIs≤200mV，因为电阻接在被测电路上，所以这种测量方法会对原电路造成影响。 被测电流变为IsR0IsR0Ri，因此被测电路的内阻越大，误差越小。 第二种方法是用运算放大器组成的IV转换电路测量电流。 没有作用，但是由于运放自身参数的限制，只能用在小电流的测量电路中，这里不做详细说明